例谈科学探究实验与实验报告

例谈科学探究实验与实验报告 例谈科学探究实验与实验报告 山东菏泽曹县第二中学 陈焘 摘要：科学探究实验是新课程着重介绍的知识点，同 时又是当前基础教育课程改革的热点、亮点和难点。本文 对科学探究的六大要素逐一加以解释，并以实例说明如何 做好科学探究实验及如何做实验报告。 关键词：科学探究 科学探究实验 实验报告 提出问题 猜想和假设 实验方案 数据处理 作为当前基础教育课程改革的热点、亮点和难点， 普通高 中物理课程标准对科学探究提出了明确要求，并指出： “高中物理课程应促进学生自主学习，让学生积极参与、 乐于探究、勇于实验、勤于思考。通过多样化的教学方式， 帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使 其逐步形成科学态度与科学精神。 ”一般来讲，我们进行科 学探究都要遵循以下步骤或流程： 一、提出问题 “现代科学之父”爱因斯坦曾指出：“提出一个问题往往 比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅仅是一 个数学上的或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的 可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想 象力，而且标志着科学的进步” 。 问题是创造的先导，是思维的起点，具有问题意识是一个 人有所创新的前提与基础，是否具有问题意识，能否提出 有价值的问题，是因循守旧之人与开拓创新之人的分水岭。 我们提出的问题首先应该是科学的，不能反科学或伪科学， 而且还必须是有价值的、有意义的、可以探究的、值得探 究的。依据学生现有的知识，我们所能提出的问题应根源 于生活，但又高于生活，却不能脱离生活和实际经验，提 出的问题应在其力所能及范围之内，即有能力应用已有的 物理知识，加上部分未知的物理知识，利用科学的方法与 思想，或独立或协作地予以解决。 提出问题后我们还必须明确问题，明确问题是为提出假设 或大胆猜想奠定基础。从物理学的角度较为明确地阐述该 问题。 二、猜想和假设 让学生做假设和猜想，就是根据已有的物理知识和实验经 验，对解决问题的方式和问题的答案提出猜想与假设，对 实验结果进行预测。 爱因斯坦说过：“想象比知识更重要，因为知识是有限的， 而想象力却概括世上的一切，推动着科技的进步，并且是 知识进化的源泉，严格地讲，想象力是科学研究中的实在 因素。 ”郅庭瑾先生认为，高中生业已具备以理论型为主的 抽象逻辑思维能力，具体体现在：学生可以通过假设进 行思维。按照提出问题、明确问题、提出假设、验证假设 的途径，经过一系列的抽象逻辑过程，达到目的。学生 思维业已具备预设性，在解决问题之前，学生已采取了一 定的方式和手段。学生思维已渐进形式化。中学生开始 逐步地由具体运算思维占优势发展为形式思维占优势，不 仅能够进行从特殊到一般的归纳，而且能进行从一般到特 殊的演绎。高中生在他们的实践与学习中，已能够完成从 具体上升到理论，再由理论指导去获得具体知识的完整过 程。高中生思维活动中自我意识或监控能力的明显化。 学生思维能跳出旧框框，创造性思维已获得迅速发展， 开始追求新颖、独特的东西，形成了自己对事物的独特见 解。为此，教师要鼓励学生们大胆猜想，只有想象，才能 尽可能多地突破旧有知识的羁索，打破时空的限制，对自 己提出的问题尽可能地全方位思考。合理的或大胆的猜想 往往闪烁着智慧的火花，无意中的直觉往往可以打开解决 问题的大门，激发创造的灵感，发挥自己的想象能力，一 种大胆而有根有据的判断往往也可以突破层层迷团，实现 探究的目的。 三、制定实验方案 方案是种思想，是个预设，只有经过多次尝试才能完善； 方案是盏街灯，是座灯塔，指引着我们有目的有步骤地完 成实验或既定目标。方案设计的好坏，直接关系到实验步 骤是否井然有序，关系到实验数据是否真实可靠、是否切 实可信，关系到实验结论是否有代表性、是否具有普遍性。 伽利略理想斜面实验好就好在实验设计的巧妙，设计的合 理，设计的浑然天成。为此：方案中的仪器应选材合理， 便于准备，不能要求过高。在确定实验方案之前，应首先 学会正确操作和熟练操作，特别要注意应该注意的事项。 探究过程应尽量清晰，各步骤间衔接流畅，表格设计合 理，应尽可能多地确定实验方案，尽可能多地进行实验， 并由此比较各个方案的优缺点，确定最佳方案，同时若其 中某个实验被确认失败的话，也可以尽快选择其他实验方 案。 四、进行实验 根据实验方案，按照说明书正规操作，操作时应注意安全 （包括仪器安全和人身安全） ，实验中要如实记录数据和实 验现象等，利用观察、实验或其他方式方法，多渠道多形 式地收集实验数据和信息。 尽可能地收集实验数据与信息，目的是尽量减少偶然误差 的干扰。收集到的信息越多，越有利于我们做定性分析； 数据越多，越有利于我们做定量的计算。当然，为了更好 地逼近实验结论，我们除了实验手段外，还可以从多种信 息源上采集和获取信息，以弥补实验手段的不足。 五、数据处理 整理完所收集到的数据与信息后，就要对数据进行分析和 处理， “应用科学的思维方法，通过分析和归纳，找出规律， 尝试根据实验现象和数据处理得出结论，并对实验结果予 以解释和描述” ，通过对实验数据的处理，能得到哪些反馈 呢？ 用自己的语言去总结实验结论时，需要注意的是实验结论 一般应具有以下特征：条件相当严格，不能任意扩大或 缩小；实验方法相当完善，当然也有需要进一步完善的 地方；表述简洁而严明，应尽量用严密且准确的科学术 语来描述，且具有相当严谨的逻辑。 六、心得体会 通过实验，汲取失败的教训，积累成功的经验。实验后要 提交实验报告，报告中要科学地表述自己的探究思路、过 程、方法和结论。踢过足球比赛的大都知道“我们在比赛 中，既要注重自己的积极突破，又要注重团队的团结合作” 的道理，同样在科学探究实验中，自我自主探究与交流协 作也一样重要。在合作中注意既要坚持自己的原则，有自 己的思考、有自己的观点、有自己的实验方案，也要能够 积极听取他人的建议，尊重他人的意见和成果。只有我们 亲身亲历科学探究，才能收获一种习惯，养成一种意识， 养育一种能力，这对我们今后无论是学业还是事业都是极 其重要的。 下面以“探究加速度与质量、力之间的关系”的实验为例， 简要探讨如何进行科学探究和书写实验报告。 实验原理及实验方案：牛顿第一定律告诉我们，力并不是 维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因。 简而言之，物体运动状态的改变体现在速度的改变上，而 速度发生变化就表明物体具有加速度，因此可以说力是使 物体产生（或具有）加速度的原因。同是一辆静止的汽车， 施加的牵引力越大，至某一速度所需要的时间越短。由此 我们不妨假设加速度与力成一次函数 akf+b，同时假设 b0。假设成立与否，还需要用实验探究和验证。同时， 物体的质量越大即惯性越大，物体的运动状态就越难以发 生改变，即加速度越小，由此我们不妨假设 ab+1/km，同 时假设 b0。由此，我们现在所要探究的加速度是同时与 力、质量有关的，那么又有怎样的关系呢？按照哲学上的 观点，物体运动状态的变化情况是由合外力（外因）和质 量（内因）共同决定的，合外力和质量两个因素统一于影 响物体运动状态的改变过程当中，同时又是矛盾的。合外 力促使加速度的产生，质量则维持原有状态不变，阻碍加 速度的产生。在物理学中我们研究一个物理量同时与两个 或多个物理量（或因素）有关的多元问题的基本方法就是 控制变量法，即先保持其他物理量（或因素）不变，逐步 分析所求物理量与其中某一物理量的关系，而后总结出这 几个量之间的关系。因此，我们可以首先固定质量，探究 加速度与力之间的关系；而后固定合外力，探究加速度与 质量间的关系；最后总结出加速度与合外力、质量的关系。 如果 ak1f 成立，反映在 a-f 图线上就应该是条过原点的 倾斜的直线；如果 ak2m 成立，反映在 a-m 图线上就应该 是条双曲线，然而真实地判断该图线是否是双曲线是比较 复杂的，不过我们可以变换角度，将 a 与 m 成反比转化为 a 与 1/m 成正比，即反映在 a-1/m 图线上就是一条过原点的 倾斜的直线。但加速度是不易测量的，因此我们需将其转 化为位移，而且我们所探求的主要是 a 与 f、m 间的关系， 从另一个角度也说明无须求解 a 的实际值。设计实验时使 小车做初速度为 0 的匀加速直线运动，同时将小车放在相 同的位置，并同时打开和关闭文件夹使两小车运动的时间 相等，由 sat2/2 便可得出 a1/a2s1/s2。这样就将加速 度转化为位移，以后做就好的多了。 教材给出了实验装置，但不甚好。一方面严格的光滑水平 木板是没有的，普通实验室中的木板大都相当粗糙，不符 合实验要求；另一方面，若往小盘中放砝码，好多同学放 置的大都不是比较均匀，然而这样做很容易带来相当大的 误差。改进后的实验装置如下图： 实验器材：上部有凹槽的小车两个，一端带有定滑轮的长 直木板两个，大型文件夹一个，砝码若干，勾码若干，细 线若干，刻度尺一把。 为记录小车的加速度，我们可以采用打点纸带，同时为避 免小车与定滑轮的碰撞，可以在小车后拴两条较长的细线， 细线的另一端加以固定。本实验方案舍弃砝码盘，而采用 勾码，可以保证