科学探究的过程与方法.ppt

1、如皋市教育局教研室 汤晓明,科学探究的过程与方法,一、关于“科学探究的过程与过程技能”,1.科学探究的过程,青霉素的发现 年月的一天早晨，英國倫敦聖瑪麗醫院的細菌學家弗萊明像往常一樣，來到了實驗室。 在實驗室裡一排排的架子上，整整齊齊排列著很多玻璃培養器皿，上面分別貼著標籤寫著：鏈狀球菌、葡萄狀球菌、炭疽菌、大腸桿菌等。這些都是有毒的細菌，弗萊明收集了它們，是在尋找一種能夠制服它們，把它們培養成無毒細菌的方法。尤其是其中的一種在顯微鏡下看起來像葡萄球狀的細菌，存在很廣泛，危害也很大，傷口感染化膿，就是它在作怪。弗萊明試驗了各種藥劑，力圖找到一種能殺它的理想藥品，但是一直沒有成功。 弗萊明來到架

2、子前，逐個檢查著培養器皿中細菌的變化。當他來到靠近窗戶的一隻培養器前的時候，他皺起了眉頭，自言自語道：唉，怎麼搞的，竟然變成了這個樣子！原來，這只貼有葡萄狀球菌的標籤的培養器裡，所盛放的培養基發了霉，長出一團青色的霉花。 （观察）,他的助手趕緊過來說：這是被雜菌污染了，別再用它了，讓我倒掉它吧。弗萊明沒有馬上把這培養器交給助手，而是仔細觀察了一會兒。使他感到驚奇的是：在青色黴菌的周圍，有一小圈空白的區域，原來生長的葡萄狀球菌消失了。弗莱明想：为什么生长中的葡萄球菌会消失呢？（问题）難道是這種青黴菌的分泌物把葡萄狀球菌殺滅了嗎？ （假设） 想到這裡，弗萊明興奮地把它放到了顯微鏡下進行觀察。結果發

3、現，青黴菌附近的葡萄狀球菌已經全部死去，只留下一點枯影。他立即決定，把青黴菌放進培養基中培養，然后把各种病菌分别放入繁殖起来的青霉素中观察。（设计实验） 幾天後，青黴菌明顯繁殖起來。於是，弗萊明進行了試驗：用一根線蘸上溶了水的葡萄狀球菌，放到青黴菌的培養器中，幾小時後，葡萄狀球菌全部死亡。接著，他分別把帶有白喉菌、肺炎菌、鏈狀球菌、炭疽菌的線放進去，這些細菌也很快死亡。但是放入帶有傷寒菌和大腸桿菌等的線，這幾種細菌照樣繁殖。 （实验验证）,為了試驗青黴菌對葡萄狀球菌的殺滅能力有多大，（假说）弗萊明把青黴菌培養液加水稀釋，先是一倍、兩倍最後以八百倍水稀釋，結果它對葡萄狀球菌和肺炎菌的殺滅能力仍然

4、存在。這是當時人類發現的最強有力的一種殺菌物質了。 （实验验证） 可是，這種青黴菌液體對動物是否有害呢？（假说）弗萊明小心地把它注射進了兔子的血管，然後緊張地觀察他們的反應，結果發現兔子安然無恙，沒有任何異常反應。這證明這種青黴菌液體沒有毒性。（实验验证） 年月，弗萊明把他的發現寫成論文發表。他把這種青黴菌分泌的殺菌物質稱為青黴素。（科学发现）,完成一项科学研究往往需要包括如下步骤： 提出问题（假说）收集数据（观察、实验）分析数据资料得出结论（证明或修正假说）提出新的假说 这个过程是一般科学研究普遍适用的系统化操作方法和步骤，是从众多具体的科研项目中抽象出来的特性和规则。而且它是一个不断循环往

5、复的过程。,概念的形成过程 初始概念 新的证据 科学概念 提出问题 猜想和假设 制定计划 观察实验 验证 交流 解释,科学探究过程中概念形成过程,讨论,思考与结论,初始概念,案例：蜗牛喜欢吃什么 教师设计活动，带领学生在教室里饲养了蜗牛，把学生带入了情境。 学生首先观察了蜗牛的特点，寻找蜗牛的住所、食物，提出了“蜗牛喜欢吃什么？”的问题。（提出问题） 老师引导学生猜想，学生结合自己的生活体验，提出了很多自己平时喜欢吃的食物，并编制了一个表格，把猜想的各种实物记录在表格中。 （猜想和假设） 学生从家中带来了各种各样的食物，喂养蜗牛，认真地观察蜗牛的进食过程，用符号“”“”或是用归类画图来记录。（

6、获取证据） 观察活动之后，老师组织学生交流自己的收获，整理观察实验中的发现，汇总成全班同学的共识。（验证、交流，形成概念）,科学探究的过程是一个完整的过程，各环节之间有着严密的逻辑关系 “科学探究”是指特定的经历科学探究的过程，是学生初始概念向科学概念转化的过程。经历的完整程度决定了形成概念的质量。,2.程序技能训练,程序技能训练是对探究过程中某一个程序（环节）的训练活动，这种活动不一定需要经历一个完整的探究过程，也没有一个特定的教学程序。我们可以设计各种活动来训练科学探究的程序技能，但不能认为参加了这些活动就可以称之为经历了科学探究的过程。,为了帮助学生学会制定实验计划，一位老师设计了这样一

7、个教学过程： 师：人为什么需要不停地呼吸？ 生假设：1.人需要氧气，呼吸是为了获取氧气。吸进的气体中氧气多，呼出的气体中氧气少。 2.人呼吸时吸进氧气，呼出二氧化碳； 3. 我们呼吸时可以看到呼出的白气,可能是呼吸能够帮助我们排出体内的水分。 4. 人不能停止呼吸，停止了呼吸人就会死去。 师：你认为哪一个假设是正确的？你能为验证这个假设制定一个实验计划吗？,科学课科学探究活动的重要特征： 1.科学探究的过程是一个完整的过程，各环节之间有着严密的逻辑关系； 2.适宜探究的科学问题来源于观察和思考； 3.对适宜探究的科学问题提出基于初始经验的猜想和假设（预测、推测）； 4.根据假设设计实验，观察实

8、验验证假设； 5.在一个具有师生互动、生生互动的环境中，由学生主动进行的探究过程。,二、关于“提出问题”,1.问题的科学性 科学性的问题就是试图探究对客观现象的解释，是科学家遇到不解和矛盾时提出的。,弗萊明來到架子前，逐個檢查著培養器皿中細菌的變化。當他來到靠近窗戶的一隻培養器前的時候，他皺起了眉頭，自言自語道：唉，怎麼搞的，竟然變成了這個樣子！原來，這只貼有葡萄狀球菌的标签的培養器裡，所盛放的培養基發了霉，長出一團青色的霉花。 （观察） 他的助手趕緊過來說：這是被雜菌污染了，別再用它了，讓我倒掉它吧。弗萊明沒有馬上把這培養器交給助手，而是仔細觀察了一會兒。使他感到驚奇的是：在青色霉菌的周圍，

9、有一小圈空白的區域，原來生長的葡萄狀球菌消失了。弗莱明想：为什么生长中的葡萄球菌会消失呢？（问题）難道是這種青霉菌的分泌物把葡萄狀球菌殺滅了嗎？ （假设）,师：今天我们就来研究水。如果让你研究水的话，你都准备研究什么问题呢？ 生：我想研究水是怎样产生的，那些动物是不喝水的。 生；我想研究水会不会给我们带来坏处。 生：以前我们上过“水”，有的同学说水是透明的，当老师说透明的不一定是水，我想研究水到底是不是透明的。 生；我想知道什么动物怕水？ 生：我想知道水能为人们做些什么？ 生：很多成语都用到水，还有说到知识，就把知识说成知识的海洋。我想研究为什么要用水来形容？,“遇到不解和矛盾时自己提出来的”

10、问题，提问者有一种内驱力，希望自己能找到问题的答案，自己有解释自己提出问题的欲望；老师所逼而提出的问题是那些脱离了解释世界的目的，或是没有足够的活动或情景准备的，或相对于学生的认知能力过分开放性的无的放矢的问题，学生被逼提出的问题，没有自己探求答案的欲望，只是希望别人帮助解答，这样的问题虽然有可能是科学性问题，但不可能是一个可探究性问题。,真正的“科学问题”是一个暗含着理论假说的问题，是启发学生提出更多问题和假说的梯子。 弗莱明想：为什么生长中的葡萄球菌会消失呢？（问题）難道是這種青霉菌的分泌物把葡萄狀球菌殺滅了嗎？ （假设）,2. 发现问题的情景,案例一 在讲天体运动时，我播放了一段神舟五号

11、的录像，引导学生提出问题：“看过这段录像，大家想知道什么？”学生对录像产生浓厚的兴趣和好奇心，提出大量的问题：宇航员在太空是怎样生活的？他们看太空是怎样的？有什么样的感受？宇宙飞船是怎样起飞的？又是怎样返回地面的？等等，通过这种情境的创设，学生的思路得到了拓展，为探究天体运动的奥秘提出了许多探究性的问题。,案例二 学习“动物怎样生活”前，老师播放了一段动画片，森林中生活着和睦相处的各种动物。学生看到这中情景，提出了许许多多的问题：这些动物的家在哪里？小兔和乌龟今天还赛跑吗？动物为什么相互残杀？猎人来了，他们怎么办？为什么青蛙跳入水中不会被淹死？,案例三 老师：“老师面前有两杯同样多的水，两个大

12、小不同的马铃薯，当老师把马铃薯放入水中时，可能会出现什么现象？”同学们大胆提出了假设，但老师的实验出乎同学的预料，大家纷纷自己动手实验，结果和老师的实验一样。几个同学经过仔细观察，发现了其中的奥秘其中一杯是盐水，于是产生了疑问：1.为什么马铃薯在盐水中会浮起来？而在清水中就会沉下去？2. 在清水中加入糖，马铃薯也能浮起来吗？3.为什么不是所有的盐水都能让马铃薯浮起来？ 4.在清水中加入其它能够溶解的材料，马铃薯就能浮起来吗？,案例四 老师问：如果把物体放入水中，会出现什么现象？生：“有的物体在水中会沉下去，有的物体在水中会浮起来。”师：“当你看到这种现象时想知道什么？”同学们沉思片刻，渐渐地举

13、起了小手，提出不少的问题：1.铁为什么会沉下去？木块为什么会浮起来？2. 轮船是铁做的，为什么还会浮起来？3. 汽车是铁做的，会浮起来吗？4. 飞机能在天上飞，也能浮在水上吗？5.橡皮和泡沫都是塑料做的，为什么橡皮沉而泡沫浮？6. 为什么有的黄瓜会浮在水面，有的黄瓜会沉入水底？,问题的提出要求建立在有感染力的真实情景的基础上。设计探究活动时必须考虑提出问题应该放在学生充分活动之后，这种活动需要在真实情境下展开，只有当观察实验之后学生的提问才更具价值。,3. 在矛盾中发现问题 要提出可探究的问题，仅仅有好奇心是不够的，可探究的问题需要从学生的初始概念出发，而引发学生的初始概念，最好的方法是观察实

14、验，在观察中发现事实与初始概念的矛盾，由矛盾引发问题。我们要在设计观察实验活动时想方设法激化矛盾，让学生在矛盾中发现问题。,4. 开放性问题和封闭性问题,a.“气球为什么会被吹大？” “气球的大小与气球的硬度有什么关系？” b.“怎样抗击疟疾？” “疟疾在什么温度、湿度的条件下容易流行？” c.“我们应该怎样改善环境？” “不同颜色的池塘中，鱼的数量（或种类）有什么不同？,它们的差异在于所包含的变量的个数。开放性问题往往暗含有多个变量，封闭性问题不超过两个变量。 开放性问题呈发散状，目标不确定，给学生的探究带来困难；封闭性的问题往往指向明确，所含的假说比较明显，学生比较容易把握。封闭性问题有利

15、于活动的设计、学具的选择，有利于学生沿着假设所指引的、而不是教师规定的路径，顺利地到达认知的彼岸。,教学设计中应该注意的问题 1.科学问题宜小不宜大，宜少不宜多 2. 让学生养成三思而后问的习惯 3. 善于倾听学生的提问,三、关于“猜想、假设与预测”,案例1 动物与环境 师：同学们，今天我们研究动物与环境 师提问：蚯蚓喜欢生活在什么样的环境中？（提出问题） 师: 我们了来做一个实验，看一看蚯蚓喜欢生活在什么样的环境中。 师出示了一个由干湿土壤铺成的纸盒，把蚯蚓放入盒中，观察蚯蚓在土壤中的反应。（观察实验） 学生讨论观察到的现象，形成结论。（形成概念）,案例2. 下完小雨，凸凹不平的地面上出现一

16、些小水洼。刚刚做完课间操的一群小学生蹲在花池旁，热烈地议论着什么。还有几分钟就要上第三节课了，教小学科学的王老师从工具库中提着一大包下节课要用的教具朝教室走去。经过花池时发现他的学生还未进教室，他低头一看，原来他们正对草丛中的两条蚯蚓感兴趣。 “它们为什么从泥土中钻出来了？”（提出问题） “是因为缺氧。下雨时，小鱼也会从水中探出头来呼吸。”（假设1） “或许是准备搬家。不是蚂蚁下雨前要搬家的么。” （假设2） “现在的雨都是酸雨，把土都给腐蚀了，蚯蚓在土里呆不下去了。” （假设3） “土里有空气，下雨后土里灌满了水，没有了空气，蚯蚓憋得慌。蚯蚓不喜欢太湿的地儿。” （假设4） “他们出来让雨给

17、他们洗个澡。” （假设5） ,科学假说是对观察现象的一个假定性的解释,或者说是对所提出的科学问题的一个推测性的回答。假说之后必定有验证的活动，通过验证才能成为科学结论。科学假说是有一定的理论（经验）准备的，是符合逻辑的，而不是随意的猜测。,1.关于科学假说,科学研究的过程是一个不断循环往复的回路。科学发展正是由新一代科学家在前人的理论上发现不足、提出新问题、建立新假说开始的。而且一旦新假说被证实成为新理论之后，也就会成为“众矢之的”，更年轻一代的科学家便会进一步发展、修正你的理论。由此可见，假说是部分的建立在前人的理论基础之上的。,2.假说要以现有认识成果为基础 猜想和假设是架构在新旧知识之间

18、的桥梁，猜想与假设要以现有认识成果为基础，没有知识作基础的学习是不成立的。,学生对探究的事物，不可能是完全陌生的，他们或多或少了解探究对象的一些信息，或是与该事物有联系的信息，这些信息就是学生猜想与假设的依据。学生对有关问题的感性认识和表象越丰富，已知的信息量越大，就能借助于判断和推理在头脑中构建许多不同的解释模型，为探究活动奠定基础。 构建模型就是一个科学假说形成的过程。,他的助手赶紧过来说：“這是被雜菌污染了，別再用它了，讓我倒掉它吧。弗萊明沒有馬上把這培養器交給助手，而是仔細觀察了一會兒。使他感到驚奇的是：在青色霉菌的周圍，有一小圈空白的區域，原來生長的葡萄狀球菌消失了。弗莱明想：为什么

19、生长中的葡萄球菌会消失呢？（问题）難道是這種青霉菌的分泌物把葡萄狀球菌殺滅了嗎？ （假设）,可能陀螺的圆盘越大，陀螺旋转的时间越长，因为大的圆盘比较重，我以前玩的陀螺是金属的，比较重，重的物体惯性较大，所以陀螺旋转的时间越长。 旋转时稳定性比较好的陀螺转的时间长，重心低的物体比较稳，可能陀螺圆盘的位置越低，陀螺旋转的时间越长，圆盘位置低了，陀螺旋转起来比较稳定，所以陀螺旋转的时间越长。 陀螺旋转的时间的长短，可能与轴的位置有关，车轮、齿轮的轴都在圆的中心，因此陀螺的轴也必须在圆盘的中心旋转的时间才会比较长。 可能与轴的直径和轴的顶端的大小有关，顶端越大，与桌面接触的面就越大，转起来比较稳，陀螺

20、旋转的时间就比较长。,在探究活动中强化猜想和假说的教学，可以唤醒学生的前概念，帮助学生梳理已有的知识和经验，在新旧概念之间寻求链接点。,3.假说直接影响探究路径的设计 当你面对一个科学性问题的时候，你可能提出各种不同的假说，但每一个假说的研究路径都是不相同的。一个成功的探究活动，往往具有路径清晰的依据假说的实验验证计划，而且，随着研究的不断深入，假说可以被多次修正、调整；而每调整一次，就会带来下一步研究设计方案的变化。,陀螺的圆盘越大，陀螺旋转的时间越长。 陀螺圆盘的位置越低，陀螺旋转的时间越长。 陀螺圆盘的位置越高，陀螺旋转的时间越长 陀螺圆盘越重，陀螺旋转的时间越长。,不能在验证假说之前就

21、判断假说的正确或错误，只有到实验验证之后，我们才能把实验结果与假设相符的假说称之为“确证”不相符的假说称之为“伪证”如果验证不相符，就必须对原有的假说进行修正，调整，重新进行假说。,教学设计中应该注意的问题 1.假说要有一定的根据 2.注意假说教学的循序渐进,英国的国家课程目标将假说的学习目标分为三个阶段。,第一阶段（大约幼儿园至小学低年级）：应该懂得在决定做什么之前，先想一想可能会发生什么。 第二阶段（小学中年级）当决定做什么的时候，想一想可能会发生什么，要收集什么样的证据，需要什么样的设备和材料。 第三阶段（小学高年级至初中）：能够自己判断从什么地方开始探究，并作出预言。,探究伊始，要注重

22、学生的假设意识的形成，养成发现问题就要提出自己的假设，把提出问题和假设看成是梳理初始知识的学习手段。 发现问题后提出假设还体现在学生有自主解决问题的欲望,因为,假说本身就是对问题进行尝试性的解释。,1.假设是针对问题而提出的，老师可以设计好一个问题，让学生围绕问题展开假设； 2.在假设时，可用“可能是”这样的语句表达； 3.对于学生的假设要多问几个为什么，要求学生说出自己的想法和理由，也就是经验根据和理论根据； 4.提出的假说可以达到或含有两个变化因素，但不能超过两个变化因素。,三、关于“理性思维”,科学探究是基于学生自己已有的经验初始概念的基础上对科学概念的探究。学生新概念的形成，需要从学生

23、已有的经验知识、观察实验获取的证据，经过思维加工（分析验证），才能形成学生自己的科学发现。科学探究的每一个环节，都离不开科学思维。,探究式教学区别与科技活动之处就在于，科学探究已经不仅限于儿童“动手做”的实践活动或实验，而是基于学生自己已有的经验起始概念（“潜概念”、“错念”或“认知框架”）的基础上对科学概念的探究。,1.逻辑思维,归纳法就是通过足够多次数的重复观察，并得到相同的观察结果，然后将这一有限次数的观察结果推论到无穷多次或今后任何一次的观察结果。是一个从具体到一般的归纳推理过程。,老师为学生准备了各种形状的容器、塑料漏斗、滤勺和水。 上课开始，学生用这些材料做着实验。 师：看来我们的

24、工人今天都很忙，谁愿意说说今天干了些什么？ 生：我把这个东西（滤勺）放在另一个瓶子上，我把水倒过去，水透过这个东西到瓶子里去了。 生：我用漏斗时水一点也没有漏出来。 师：漏斗是什么样的？ 生：漏斗像个倒放的帽子，下面有个孔，你从上面倒水，水会从下面流出来。 生：我把擦手纸放在这上面，水也能通过。 生：水能通过滤勺。 生：水能通过任何有窟窿眼的东西。,一个科学真理的产生，往往代表一位科学家在前人经验的基础之上自己进行的有限次数、有限范围的观察实验。发现与原理论不一致的结论，于是就会对原有的理论进行修正。科学正是这样依靠一代又一代科学家的劳动和智慧的积累而不断向真理逼近。归纳法是近代实验科学的逻辑

25、基础，大量的科学研究都离不开运用归纳法对资料进行解释。,演绎法演绎法是与归纳法相反的思维方式，即从一般到具体，从一般的理论（概念）出发，推导预见一个具体的事实或现象。,概念：所有的昆虫都是六只脚。 已知：蜜蜂是六只脚。 所以：蜜蜂是昆虫。,归纳法与演绎法在科学研究中的关系,通过观察得到的事实,定律与理论,预见和解释,演绎,归纳,其他派生的逻辑推理,反证法反证法的逻辑是，现假设你证明的理论为假，而后根据这个假设进行推导，如果推导出的结论与已知的概念或证明了的理论相悖，于是得出原理论为真。,类比法类比的逻辑是： 因为：a与b有很大的相关性。 而且：b与c也有很大的相关性。 所以：a与c有相关性的可

26、能。,2.语言表达在学生逻辑思维中的作用,语言与思维是相关的，语言能够对人们的思维结构和认知产生影响。,描述用语言文字把事物的形象特征表现出来。在观察实验过程中，学生观察到的现象，需要用描述性的语言把它表达出来，与同学、老师交流。如果离开了语言描述，学生观察获取的信息就无法有效地传递。,学生如果要对观察对象用一段比较完整的语言进行描述，他的依据不仅仅是具体的观察对象，而且需要观察实验记录，因为记录使观察获取的事物表象经过思维加工而得以存储。 交流时，可以让学生脱离材料，根据记录进行描述。,学生观察的目的是什么？是获取信息，我们如何知道学生获取了哪些信息，就是依靠学生的语言描述，我们应该把学生对事物现象的描述，作为训练观察能力的一个重要的组成部分，在指导学生观察方法的同时，指导学生对事物进行有序的描述。,解释在心理学上，任何的思考都可以看做是把长时记忆中已有的知识储备调到工作记忆当中，再对这些信息进行加工、整合。解释就是把这些加工处理后形成的信息表达出来。,“猜想”中的“解释”： 学生运用原有的生活体验和相关知识（初始概念）对问题进行尝试性的解答。,生：可能陀螺的圆盘越大，陀螺旋转的时间越长。 老师追问：你的理由是什么？ 生：因为大的圆盘比较重，我以前玩的陀螺是金属的，比较重，重的物体惯性较大，所以陀螺旋转的时间越长。,“结论”中的“解释”：学