例談科學探究實驗與實驗報告

例談科學探究實驗與實驗報告  

山東菏澤曹縣第二中學　陳燾  


摘要：科學探究實驗是新課程著重介紹的知識點，同時又是當前基礎教育課程改革的熱點、亮點和難點。本文對科學探究的六大要素逐一加以解釋，並以實例說明如何做好科學探究實驗及如何做實驗報告。  
關鍵字：科學探究　科學探究實驗　實驗報告　提出問題　猜想和假設　實驗方案　資料處理 

作為當前基礎教育課程改革的熱點、亮點和難點，《普通高中物理課程標準》對科學探究提出了明確要求，並指出：「高中物理課程應促進學生自主學習，讓學生積極參與、樂於探究、勇於實驗、勤于思考。通過多樣化的教學方式，幫助學生學習物理知識與技能，培養其科學探究能力，使其逐步形成科學態度與科學精神。」一般來講，我們進行科學探究都要遵循以下步驟或流程： 


一、提出問題 

「現代科學之父」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學上的或實驗上的技能而已，而提出新的問題，新的可能性，從新的角度去看舊的問題，卻需要有創造性的想像力，而且標志著科學的進步」。 

問題是創造的先導，是思維的起點，具有問題意識是一個人有所創新的前提與基礎，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新之人的分水嶺。 

我們提出的問題首先應該是科學的，不能反科學或偽科學，而且還必須是有價值的、有意義的、可以探究的、值得探究的。依據學生現有的知識，我們所能提出的問題應根源於生活，但又高於生活，卻不能脫離生活和實際經驗，提出的問題應在其力所能及範圍之內，即有能力套用已有的物理知識，加上部分未知的物理知識，利用科學的方法與思想，或獨立或協作地予以解決。 

提出問題後我們還必須明確問題，明確問題是為提出假設或大膽猜想奠定基礎。從物理學的角度較為明確地闡述該問題。 

二、猜想和假設 

讓學生做假設和猜想，就是根據已有的物理知識和實驗經驗，對解決問題的方式和問題的答案提出猜想與假設，對實驗結果進行預測。 

愛因斯坦說過：「想像比知識更重要，因為知識是有限的，而想像力卻概括世上的一切，推動著科技的進步，並且是知識進化的源泉，嚴格地講，想像力是科學研究中的實在因素。」郅庭瑾先生認為，高中生業已具備以理論型為主的抽象邏輯思維能力，具體體現在：①學生可以通過假設進行思維。按照提出問題、明確問題、提出假設、驗證假設的途徑，經過一系列的抽象邏輯過程，達到目的。②學生思維業已具備預設性，在解決問題之前，學生已採取了一定的方式和手段。③學生思維已漸進形式化。中學生開始逐步地由具體運算思維佔優勢發展為形式思維佔優勢，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習中，已能夠完成從具體上升到理論，再由理論指導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控能力的明顯化。⑤學生思維能跳出舊框框，創造性思維已獲得迅速發展，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，教師要鼓勵學生們大膽猜想，隻有想像，才能盡可能多地突破舊有知識的羈索，打破時空的限製，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開啟解決問題的大門，激發創造的靈感，發揮自己的想像能力，一種大膽而有根有據的判斷往往也可以突破層層迷團，實現探究的目的。 

三、製定實驗方案 

方案是種思想，是個預設，隻有經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。方案設計的好壞，直接關繫到實驗步驟是否井然有序，關繫到實驗資料是否真實可靠、是否切實可信，關繫到實驗結論是否有代表性、是否具有普遍性。伽利略理想斜面實驗好就好在實驗設計的巧妙，設計的合理，設計的渾然天成。為此：①方案中的儀器應選材合理，便於準備，不能要求過高。在確定實驗方案之前，應首先學會正確操作和熟練操作，特別要註意應該註意的事項。②探究過程應盡量清晰，各步驟間銜接流暢，表格設計合理，應盡可能多地確定實驗方案，盡可能多地進行實驗，並由此比較各個方案的優缺點，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 

根據實驗方案，按照說明書正規操作，操作時應註意安全，實驗中要如實記錄資料和實驗現象等，利用觀察、實驗或其他方式方法，多渠道多形式地收集實驗資料和信息。 

盡可能地收集實驗資料與信息，目的是盡量減少偶然誤差的幹擾。收集到的信息越多，越有利於我們做定性分析；資料越多，越有利於我們做定量的計算。當然，為了更好地逼近實驗結論，我們除了實驗手段外，還可以從多種信息源上採集和獲取信息，以彌補實驗手段的不足。 

五、資料處理 

整理完所收集到的資料與信息後，就要對資料進行分析和處理，「套用科學的思維方法，通過分析和歸納，找出規律，嘗試根據實驗現象和資料處理得出結論，並對實驗結果予以解釋和描述」，通過對實驗資料的處理，能得到哪些反饋呢？ 

用自己的語言去總結實驗結論時，需要註意的是實驗結論一般應具有以下特徵：①條件相當嚴格，不能任意擴大或縮小；②實驗方法相當完善，當然也有需要進一步完善的地方；③表述簡潔而嚴明，應盡量用嚴密且準確的科學術語來描述，且具有相當嚴謹的邏輯。 

六、心得體會 

通過實驗，汲取失敗的教訓，積累成功的經驗。實驗後要提交實驗報告，報告中要科學地表述自己的探究思路、過程、方法和結論。踢過足球比賽的大都知道「我們在比賽中，既要註重自己的積極突破，又要註重團隊的團結合作」的道理，同樣在科學探究實驗中，自我自主探究與交流協作也一樣重要。在合作中註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。隻有我們親身親歷科學探究，才能收獲一種習慣，養成一種意識，養育一種能力，這對我們今後無論是學業還是事業都是極其重要的。 

下面以「探究加速度與質量、力之間的關系」的實驗為例，簡要探討如何進行科學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，力並不是維持物體運動狀態的原因，而是改變物體運動狀態的原因。簡而言之，物體運動狀態的改變體現在速度的改變上，而速度發生變化就表明物體具有加速度，因此可以說力是使物體產生加速度的原因。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。由此我們不妨假設加速度與力成一次函式a＝kf+b，同時假設b＝0。假設成立與否，還需要用實驗探究和驗證。同時，物體的質量越大即慣性越大，物體的運動狀態就越難以發生改變，即加速度越小，由此我們不妨假設a＝b+1/km，同時假設b＝0。由此，我們現在所要探究的加速度是同時與力、質量有關的，那麽又有怎樣的關系呢？按照哲學上的觀點，物體運動狀態的變化情況是由合外力和質量共同決定的，合外力和質量兩個因素統一於影響物體運動狀態的改變過程當中，同時又是矛盾的。合外力促使加速度的產生，質量則維持原有狀態不變，阻礙加速度的產生。在物理學中我們研究一個物理量同時與兩個或多個物理量有關的多元問題的基本方法就是控製變數法，即先保持其他物理量不變，逐步分析所求物理量與其中某一物理量的關系，而後總結出這幾個量之間的關系。因此，我們可以首先固定質量，探究加速度與力之間的關系；而後固定合外力，探究加速度與質量間的關系；最後總結出加速度與合外力、質量的關系。 

如果a＝k1f成立，反映在a-f圖線上就應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雜的，不過我們可以變換角度，將a與m成反比轉化為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，因此我們需將其轉化為位移，而且我們所探求的主要是a與f、m間的關系，從另一個角度也說明無須求解a的實際值。設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，並同時開啟和關閉資料夾使兩小車運動的時間相等，由s＝at2/2便可得出a1/a2＝s1/s2。這樣就將加速度轉化為位移，以後做就好的多了。 

教材給出了實驗裝置，但不甚好。一方面嚴格的光滑水準木板是沒有的，普通實驗室中的木板大都相當粗糙，不符合實驗要求；另一方面，若往小盤中放砝碼，好多同學放置的大都不是比較均勻，然而這樣做很容易帶來相當大的誤差。改進後的實驗裝置如下圖： 

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，大型資料夾一個，砝碼若幹，勾碼若幹，細線若幹，刻度尺一把。 

為記錄小車的加速度，我們可以採用打點紙帶，同時為避免小車與定滑輪的碰撞，可以在小車後拴兩條較長的細線，細線的另一端加以固定。本實驗方案舍棄砝碼盤，而採用勾碼，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量，即改變了小車的質量。 

為得到近似光滑的長直木板，我們通常採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三個力的作用而處於平衡，合力為0，得gx＝f，兩力的作用效果相互抵消，就相當於f不存在。而當小車受到細線的拉力後，就相當於僅受該