例談科學(xué)探究實驗與實驗報告

時間：2021-04-08 18:36:44 社會實踐范文我要投稿

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例談科學(xué)探究實驗與實驗報告

例談科學(xué)探究實驗與實驗報告山東菏澤曹縣第二中學(xué)　陳燾
　　摘要：科學(xué)探究實驗是新課程著重介紹的知識點，同時又是當(dāng)前基礎(chǔ)教育課程改革的熱點、亮點和難點。本文對科學(xué)探究的六大要素逐一加以解釋，并以實例說明如何做好科學(xué)探究實驗及如何做實驗報告。
關(guān)鍵詞：科學(xué)探究　科學(xué)探究實驗　實驗報告　提出問題　猜想和假設(shè)　實驗方案　數(shù)據(jù)處理作為當(dāng)前基礎(chǔ)教育課程改革的熱點、亮點和難點，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》對科學(xué)探究提出了明確要求，并指出：“高中物理課程應(yīng)促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生積極參與、樂于探究、勇于實驗、勤于思考。通過多樣化的教學(xué)方式，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識與技能，培養(yǎng)其科學(xué)探究能力，使其逐步形成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神�！币话銇碇v，我們進行科學(xué)探究都要遵循以下步驟或流程：
一、提出問題 “現(xiàn)代科學(xué)之父”愛因斯坦曾指出：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決一個問題也許僅僅是一個數(shù)學(xué)上的或?qū)嶒炆系募寄芏�，而提出新的問題，新的可能性，從新的角度去看舊的問題，卻需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)的進步”。問題是創(chuàng)造的先導(dǎo)，是思維的起點，具有問題意識是一個人有所創(chuàng)新的前提與基礎(chǔ)，是否具有問題意識，能否提出有價值的問題，是因循守舊之人與開拓創(chuàng)新之人的分水嶺。我們提出的問題首先應(yīng)該是科學(xué)的，不能反科學(xué)或偽科學(xué)，而且還必須是有價值的、有意義的、可以探究的、值得探究的。依據(jù)學(xué)生現(xiàn)有的知識，我們所能提出的問題應(yīng)根源于生活，但又高于生活，卻不能脫離生活和實際經(jīng)驗，提出的問題應(yīng)在其力所能及范圍之內(nèi)，即有能力應(yīng)用已有的物理知識，加上部分未知的物理知識，利用科學(xué)的方法與思想，或獨立或協(xié)作地予以解決。提出問題后我們還必須明確問題，明確問題是為提出假設(shè)或大膽猜想奠定基礎(chǔ)。從物理學(xué)的角度較為明確地闡述該問題。二、猜想和假設(shè) 讓學(xué)生做假設(shè)和猜想，就是根據(jù)已有的物理知識和實驗經(jīng)驗，對解決問題的方式和問題的答案提出猜想與假設(shè)，對實驗結(jié)果進行預(yù)測。愛因斯坦說過：“想象比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力卻概括世上的一切，推動著科技的進步，并且是知識進化的源泉，嚴(yán)格地講，想象力是科學(xué)研究中的實在因素�！臂ねヨ壬J為，高中生業(yè)已具備以理論型為主的抽象邏輯思維能力，具體體現(xiàn)在：①學(xué)生可以通過假設(shè)進行思維。按照提出問題、明確問題、提出假設(shè)、驗證假設(shè)的途徑，經(jīng)過一系列的抽象邏輯過程，達到目的。②學(xué)生思維業(yè)已具備預(yù)設(shè)性，在解決問題之前，學(xué)生已采取了一定的方式和手段。③學(xué)生思維已漸進形式化。中學(xué)生開始逐步地由具體運算思維占優(yōu)勢發(fā)展為形式思維占優(yōu)勢，不僅能夠進行從特殊到一般的歸納，而且能進行從一般到特殊的演繹。高中生在他們的實踐與學(xué)習(xí)中，已能夠完成從具體上升到理論，再由理論指導(dǎo)去獲得具體知識的完整過程。④高中生思維活動中自我意識或監(jiān)控能力的明顯化。⑤學(xué)生思維能跳出舊框框，創(chuàng)造性思維已獲得迅速發(fā)展，開始追求新穎、獨特的東西，形成了自己對事物的獨特見解。為此，教師要鼓勵學(xué)生們大膽猜想，只有想象，才能盡可能多地突破舊有知識的羈索，打破時空的限制，對自己提出的問題盡可能地全方位思考。合理的或大膽的猜想往往閃爍著智慧的火花，無意中的直覺往往可以打開解決問題的大門，激發(fā)創(chuàng)造的靈感，發(fā)揮自己的想象能力，一種大膽而有根有據(jù)的判斷往往也可以突破層層迷團，實現(xiàn)探究的目的。三、制定實驗方案方案是種思想，是個預(yù)設(shè)，只有經(jīng)過多次嘗試才能完善；方案是盞街燈，是座燈塔，指引著我們有目的有步驟地完成實驗或既定目標(biāo)。方案設(shè)計的好壞，直接關(guān)系到實驗步驟是否井然有序，關(guān)系到實驗數(shù)據(jù)是否真實可靠、是否切實可信，關(guān)系到實驗結(jié)論是否有代表性、是否具有普遍性。伽利略理想斜面實驗好就好在實驗設(shè)計的巧妙，設(shè)計的合理，設(shè)計的渾然天成。為此：①方案中的儀器應(yīng)選材合理，便于準(zhǔn)備，不能要求過高。在確定實驗方案之前，應(yīng)首先學(xué)會正確操作和熟練操作，特別要注意應(yīng)該注意的事項。②探究過程應(yīng)盡量清晰，各步驟間銜接流暢，表格設(shè)計合理，應(yīng)盡可能多地確定實驗方案，盡可能多地進行實驗，并由此比較各個方案的優(yōu)缺點，確定最佳方案，同時若其中某個實驗被確認失敗的話，也可以盡快選擇其他實驗方案。四、進行實驗根據(jù)實驗方案，按照說明書正規(guī)操作，操作時應(yīng)注意安全（包括儀器安全和人身安全），實驗中要如實記錄數(shù)據(jù)和實驗現(xiàn)象等，利用觀察、實驗或其他方式方法，多渠道多形式地收集實驗數(shù)據(jù)和信息。盡可能地收集實驗數(shù)據(jù)與信息，目的是盡量減少偶然誤差的干擾。收集到的信息越多，越有利于我們做定性分析；數(shù)據(jù)越多，越有利于我們做定量的計算。當(dāng)然，為了更好地逼近實驗結(jié)論，我們除了實驗手段外，還可以從多種信息源上采集和獲取信息，以彌補實驗手段的不足。五、數(shù)據(jù)處理整理完所收集到的數(shù)據(jù)與信息后，就要對數(shù)據(jù)進行分析和處理，“應(yīng)用科學(xué)的思維方法，通過分析和歸納，找出規(guī)律，嘗試根據(jù)實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)處理得出結(jié)論，并對實驗結(jié)果予以解釋和描述”，通過對實驗數(shù)據(jù)的處理，能得到哪些反饋呢？用自己的語言去總結(jié)實驗結(jié)論時，需要注意的是實驗結(jié)論一般應(yīng)具有以下特征：①條件相當(dāng)嚴(yán)格，不能任意擴大或縮��；②實驗方法相當(dāng)完善，當(dāng)然也有需要進一步完善的地方；③表述簡潔而嚴(yán)明，應(yīng)盡量用嚴(yán)密且準(zhǔn)確的科學(xué)術(shù)語來描述，且具有相當(dāng)嚴(yán)謹?shù)倪壿嫛?六、心得體會通過實驗，汲取失敗的教訓(xùn)，積累成功的經(jīng)驗。實驗后要提交實驗報告，報告中要科學(xué)地表述自己的探究思路、過程、方法和結(jié)論。踢過足球比賽的大都知道“我們在比賽中，既要注重自己的積極突破，又要注重團隊的`團結(jié)合作”的道理，同樣在科學(xué)探究實驗中，自我自主探究與交流協(xié)作也一樣重要。在合作中注意既要堅持自己的原則，有自己的思考、有自己的觀點、有自己的實驗方案，也要能夠積極聽取他人的建議，尊重他人的意見和成果。只有我們親身親歷科學(xué)探究，才能收獲一種習(xí)慣，養(yǎng)成一種意識，養(yǎng)育一種能力，這對我們今后無論是學(xué)業(yè)還是事業(yè)都是極其重要的。下面以“探究加速度與質(zhì)量、力之間的關(guān)系”的實驗為例，簡要探討如何進行科學(xué)探究和書寫實驗報告。實驗原理及實驗方案：牛頓第一定律告訴我們，力并不是維持物體運動狀態(tài)的原因，而是改變物體運動狀態(tài)的原因。簡而言之，物體運動狀態(tài)的改變體現(xiàn)在速度的改變上，而速度發(fā)生變化就表明物體具有加速度，因此可以說力是使物體產(chǎn)生（或具有）加速度的原因。同是一輛靜止的汽車，施加的牽引力越大，至某一速度所需要的時間越短。由此我們不妨假設(shè)加速度與力成一次函數(shù)a＝kF+b，同時假設(shè)b＝0。假設(shè)成立與否，還需要用實驗探究和驗證。同時，物體的質(zhì)量越大即慣性越大，物體的運動狀態(tài)就越難以發(fā)生改變，即加速度越小，由此我們不妨假設(shè)a＝b+1/km，同時假設(shè)b＝0。由此，我們現(xiàn)在所要探究的加速度是同時與力、質(zhì)量有關(guān)的，那么又有怎樣的關(guān)系呢？按照哲學(xué)上的觀點，物體運動狀態(tài)的變化情況是由合外力（外因）和質(zhì)量（內(nèi)因）共同決定的，合外力和質(zhì)量兩個因素統(tǒng)一于影響物體運動狀態(tài)的改變過程當(dāng)中，同時又是矛盾的。合外力促使加速度的產(chǎn)生，質(zhì)量則維持原有狀態(tài)不變，阻礙加速度的產(chǎn)生。在物理學(xué)中我們研究一個物理量同時與兩個或多個物理量（或因素）有關(guān)的多元問題的基本方法就是控制變量法，即先保持其他物理量（或因素）不變，逐步分析所求物理量與其中某一物理量的關(guān)系，而后總結(jié)出這幾個量之間的關(guān)系。因此，我們可以首先固定質(zhì)量，探究加速度與力之間的關(guān)系；而后固定合外力，探究加速度與質(zhì)量間的關(guān)系；最后總結(jié)出加速度與合外力、質(zhì)量的關(guān)系。如果a＝k1F成立，反映在a-F圖線上就應(yīng)該是條過原點的傾斜的直線；如果a＝k2m成立，反映在a-m圖線上就應(yīng)該是條雙曲線，然而真實地判斷該圖線是否是雙曲線是比較復(fù)雜的，不過我們可以變換角度，將a與m成反比轉(zhuǎn)化為a與1/m成正比，即反映在a-1/m圖線上就是一條過原點的傾斜的直線。但加速度是不易測量的，因此我們需將其轉(zhuǎn)化為位移，而且我們所探求的主要是a與F、m間的關(guān)系，從另一個角度也說明無須求解a的實際值。設(shè)計實驗時使小車做初速度為0的勻加速直線運動，同時將小車放在相同的位置，并同時打開和關(guān)閉文件夾使兩小車運動的時間相等，由s＝at2/2便可得出a1/a2＝s1/s2。這樣就將加速度轉(zhuǎn)化為位移，以后做就好的多了。教材給出了實驗裝置，但不甚好。一方面嚴(yán)格的光滑水平木板是沒有的，普通實驗室中的木板大都相當(dāng)粗糙，不符合實驗要求；另一方面，若往小盤中放砝碼，好多同學(xué)放置的大都不是比較均勻，然而這樣做很容易帶來相當(dāng)大的誤差。改進后的實驗裝置如下圖：實驗器材：上部有凹槽的小車兩個，一端帶有定滑輪的長直木板兩個，大型文件夾一個，砝碼若干，勾碼若干，細線若干，刻度尺一把。為記錄小車的加速度，我們可以采用打點紙帶，同時為避免小車與定滑輪的碰撞，可以在小車后拴兩條較長的細線，細線的另一端加以固定。本實驗方案舍棄砝碼盤，而采用勾碼，可以保證拉力在一條直線上，增減勾碼即改變了小車受到的拉力。在小車上增減砝碼的質(zhì)量，即改變了小車的質(zhì)量。為得到近似光滑的長直木板，我們通常采用平衡摩擦力的方法：不加砝碼，不系細線，試探著移動墊木，使放置在斜面上的小車近似做勻速直線運動，此時物體受G、N、f三個力的作用而處于平衡，合力為0，得Gx＝f，兩力的作用效果相互抵消，就相當(dāng)于f不存在。而當(dāng)小車受到細線的拉力后，就相當(dāng)于僅受該拉力的作用。我們判斷小車是否近似做勻速直線運動時，可以在長直木板有刻度尺的一側(cè)，選擇相距較遠的相等的兩段位移，輕推使小車使其具有某一速度，若發(fā)生兩段位移所需時間大致相等，就表明小車近似做勻速直線運動。
實驗步驟： 1．平衡摩擦力。 2．按照實驗將各器材有機組合起來，并檢驗是否正確。 3．保證兩小車所掛勾碼的質(zhì)量不變（勾碼質(zhì)量均為40．0g），按照表格中的數(shù)據(jù)依次改變小車上砝碼的質(zhì)量，即保證小車所受合外力不變而改變小車的質(zhì)量，開啟文件夾，兩小車同時運動，后關(guān)閉文件夾，兩小車同時停止運動。測量兩小車各自發(fā)生的位移，并記錄到表格中。 4．保證兩小車所置砝碼的質(zhì)量相等（兩小車的質(zhì)量均為200g+100g（砝碼）），按照表格中的數(shù)據(jù)依次改變小車所掛勾碼的質(zhì)量，即保證小車質(zhì)量不變而改變小車所受合外力，開啟文件夾，兩小車同時運動，后關(guān)閉文件夾，兩小車同時停止運動。測量兩小車各自發(fā)生的位移，并記錄到表格中。 5．拆除實驗裝置。

實驗數(shù)據(jù)：

小車1

小車2

勾碼質(zhì)量m₁/g

位移x₁/cm

勾碼質(zhì)量m₂/g

位移x₂/cm

20.0

16.0

30.0

25.0

20.0

15.5

40.0

37.0

20.0

13.0

50.0

42.0

20.0

12.0

60.0

18.0

20.0

10.0

70.0

53.0

小車1

小車2

小車質(zhì)量m₁/g

位移x₁/cm

小車質(zhì)量m₂/g

位移x₂/cm

200g+100g

46.0

200g+100g

61.5

200g+100g

51.5

200g+200g

39.5

200g+100g

60.0

200g+300g

34.0

200g+100g

59.8

200g+400g

27.0

200g+100g

52.6

200g+500g

19.2

實驗數(shù)據(jù)處理：圖像的坐標(biāo)軸，橫軸是兩車?yán)χ菷₁/F₂ ，縱軸是兩車位移比s₁/s₂，如果a₁/a₂＝s₁/s₂，則F₁/F₂＝s₁/s₂，描繪a-F圖像。圖像的坐標(biāo)軸，橫軸用兩車?yán)χ萴₁/m₂，縱軸用兩車位移比s₁/s₂，如果a₁/a₂＝m₂/m₁，則m₂/m₁＝s₁/s₂，描繪a-1/m圖像。s₁/s₂＝k₁F₁/F₂， a₁/a₂＝k₁F₁/F₂，s₁/s₂＝k₂m₂/m₁，a₁/a₂＝k₂m₂/m₁，以上數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明我們的假設(shè)是成立的。a＝k₁F（M一定），a＝k₂/m（F一定）。所以a＝k₃·k₁F·k₂/m＝k₁k₂k₃F/m＝kF/m （k＝k₁k₂k₃），此式的物理含義：加速度與合外力F成正比，與質(zhì)量m成反比。