按照科学本质 优化实验教学 浙江省义乌中学 吴加澍 (浙大华家池 2015.08.05)

优化实验教学的 思路与视角 ◆两条思路—— 软硬兼施 ◆两个视角—— 内外并重 ●改善实验设备，优化实验教学 ●改进实验方案，优化实验教学 ●按照学习规律，优化实验教学 ●按照科学本质，优化实验教学

树立正确的科学本质观 对科学本质的理解，是认识科学的核心！ ●科学究竟是什么 *科学是一种知识体系 *科学是一种思维方式 (英) A. F. 查尔默斯 张红霞著 *科学是一种知识体系 (关于自然、社会与思维的知识体系) *科学是一种思维方式 （客观观察、可重复、可证伪……） *科学是一种价值取向 （求真、严谨、民主、平等……） *科学是一种社会建制 （组织形式、价值准则和行为规范） 对科学本质的理解，是认识科学的核心！

树立正确的科学本质观 ●科学本质是什么 从一个古老的话题说起：轻、重物体谁下落的快？ ◎亚里士多德的结论: 物体下落的快慢由它们的重量决定。 ◎亚里士多德的结论: 物体下落的快慢由它们的重量决定。 ◎伽利略的质疑: 如果将重物和轻物绑在一起下落… *比萨斜塔 *落体佯谬

树立正确的科学本质观 ●科学本质是什么 从一个古老的话题说起：轻、重物体谁下落的快？ ◎亚里士多德的结论: 物体下落的快慢由它们的重量决定。 ◎亚里士多德的结论: 物体下落的快慢由它们的重量决定。 小球沿斜面下滑的加速度与重量无关 ◎伽利略的质疑: *比萨斜塔 *落体佯谬 *斜面实验

树立正确的科学本质观 ●科学本质是什么 从一个古老的话题说起：轻、重物体谁下落的快？ ◎亚里士多德的结论: 物体下落的快慢由它们的重量决定。 ◎亚里士多德的结论: 物体下落的快慢由它们的重量决定。 ◎伽利略的质疑: *比萨斜塔 *落体佯谬 *斜面实验 ◎教室里的实验 *纸片和碟片谁下落的快？ *钱毛管实验 ◎月球上的实验

树立正确的科学本质观 ●科学本质是什么 从一个古老的话题说起：轻、重物体谁下落的快？ ◎亚里士多德的结论: 物体下落的快慢由它们的重量决定。 ◎亚里士多德的结论: 物体下落的快慢由它们的重量决定。 ◎伽利略的质疑: 通过“坠落”原子精确测算出了单个原子所受的重力加速度，并发现这一重力加速度与由数十亿原子组成的宏观尺度物理所受重力加速度相同，即微观原子与宏观物体下落的速度也与其重量无关。 *比萨斜塔 *落体佯谬 朱棣文 *斜面实验 ◎教室里的实验 *纸片和碟片谁下落的快？ *钱毛管实验 ◎月球上的实验 ◎现代版“比萨斜塔”实验

树立正确的科学本质观 ●科学本质是什么 从一个古老的话题说起：轻、重物体谁下落的快？ ◎亚里士多德的结论: 物体下落的快慢由它们的重量决定。 ◎亚里士多德的结论: 物体下落的快慢由它们的重量决定。 ◎伽利略的质疑: 自然界存在 第五种力？ *比萨斜塔 *落体佯谬 *斜面实验 ◎教室里的实验 一个以美国物理学家费希巴赫为首的科研小组，通过实验发现，不同质量的物体，在真空中实际上并不具有相同的重力加速度。 *纸片和碟片谁下落的快？ *钱毛管实验 ◎月球上的实验 ◎现代版“比萨斜塔”实验 ◎探索还在进行……

树立正确的科学本质观 …… ●科学本质是什么 科学是讲求实证的 科学是符合逻辑的 科学是有待发展的 从一个古老的话题说起：轻、重物体谁下落的快？ ◎亚里士多德的结论: 物体下落的快慢由它们的重量决定。 ◎伽利略的质疑: 透过人们对落体运动的探究与认知，你能体会到科学具有怎样的基本特性？ *比萨斜塔 *落体佯谬 *斜面实验 ◎教室里的实验 刚才所说的还是属于传统意义上的科学本质观，随着人们对科学认识的不断加深，科学本质的内涵也越来越丰富…… 科学是讲求实证的 *纸片和碟片谁下落的快？ *钱毛管实验 科学是符合逻辑的 ◎月球上的实验 科学是有待发展的 ◎现代版“比萨斜塔”实验 …… ◎探索还在进行……

树立正确的科学本质观 ●科学本质是什么 对于科学本质，人们常从“科学知识”、“科学探究”以及“科学事业”三个维度进行阐述 ——引自《面向全体美国人的科学》 ◎科学知识的本质 世界是可认识的, 科学知识是可变的, 科学并不能解决所 有问题; ◎科学探究的本质 科学讲究证据, 科学是逻辑和想象的结合体, 科学具有解释和预测的功能, 科学试图确定和避免偏见, 科学反对权威; ◎科学事业的本质 科学是一种复杂的社会活动, 科学分成专门领域并在不同情况下进行研究, 科学必须考虑伦理的原则, 科学家既作为专家又作为公民参与公众事务。

树立正确的科学本质观 ●科学本质是什么 调查结果 说明了什么 中科院曾对中、日、韩三国的中学生进行科学素养的调查，其中的地理题包含三个小问题： 调查结果 说明了什么 【问题1】地球是圆的还是方的? 所有的学生都给出了正确答案: 圆的。 【问题2】你怎么知道地球是圆的而不是方的? 日、韩的中学生回答:“很多生活现象可以证明地球是圆的。如……”而大多数中国学生却回答:“老师告诉我的”、“书上说的”、“电视上演的”等等。 【问题3】你认为知道地球是圆的有何意义? 对此，中国学生的回答更是让人吃惊: “不知道”、“考试用”、“没有用”……

树立正确的科学本质观 ●科学素养的核心 世界各国科学教育界普遍认为—— 理解科学本质是提高学生科学素养的核心。 实验教学是对学生进行科学本质教育的重要阵地。 为此，我们必须遵循科学形成与发展的规律，按照科学的本质来开展实验教学。 ●体现科学本质的物理实验教学 ◇科学源于好奇 ——激发学生的求知欲 ◇科学追求真实 ——增强实验证据意识 ◇科学贵在探究 ——拓展实验的探索性 ◇科学倚重思维 ——观察思维协同递进 ◇科学有待发展 ——融合物理学史教学

科学源于好奇：激发学生的求知欲 ●丁肇中:“好奇心是科学研究的原动力。” （上海交通大学的讲演） 他认为：好奇心是成功的关键，兴趣是产生好奇心的前提。 兴趣+坚持=成功 ●实践表明，科学实验是激发学生学习兴趣和求知欲的最有效的手段。 例如—— ◎展现新奇现象，吸引学生喜爱物理； ◎引发认知冲突，激发学生学习动机； ◎巧做物理实验，引导学生学好物理； ……

科学源于好奇：激发学生的求知欲 ◎展现新奇现象，吸引学生喜爱科学 惠更斯在英国皇家学会表演实验

科学源于好奇：激发学生的求知欲 哪种效果更好 ◎引发认知冲突，激发学生学习动机 【例】“光的全反射”课题引入 *教法1 *教法2 × × 演示实验：逐渐增大入射角…… 教师指出：这就是光的全反射现象。 *教法2 学生思考：一束光线从玻璃（n=√3）射入空气，已知入射角为60°，问：折射角是多少？ × 解1：由 sin60°/sinθ =√3 得 θ=30° 解2：由 sinθ/sin60 °= √3 得 sinθ =1.5 哪种效果更好 × 实验观察：光从玻璃以60°射入空气，没有折射光线！ 提出课题：…… *两种演示策略： 实验—观察—解释 预测—实验—解释 前者只是客观地呈现了物理现象，后者则更有助于引起认知冲突，激发学生的学习动机。

科学源于好奇：激发学生的求知欲 ◎巧做物理实验，引导学生学好物理 * 实验“三做” ——真做、多做、巧做 *“巧做”要求 —— ①选材低成本; ②设计高智慧; ③教学深探究。 【例】内能变化与做功的关系 *课本实验： *学生实验： 双手将一根橡皮筋迅速拉伸，同时将它紧贴在自己的额头上，感觉有点热； 再让橡皮筋迅速缩短，并让它与自己的额头接触，感觉有点凉。 “演示实验使用的材料越简单，学生越熟悉，就越想彻底地获得所验证的结果，实验的教育价值往往与仪器复杂程度成反比。” ——麦克斯韦

科学追求真实：增强实验证据意识 ——真实性 ●真做实验 【例】电荷间相互作用 库仑定律 这样的做法 可取吗? 多媒体技术能够以假乱真，但是不应该以假代真； 过去黑板上做实验不对，现在屏幕上做实验同样不对。

科学追求真实：增强实验证据意识 ●真做实验 ——真实性 ◎德国物理教师做弹性碰撞实验：

科学追求真实：增强实验证据意识 ——真实性 ●真做实验 *例如：学习“力的分解” ◎戴尔的“经验之塔” 学习间接经验，应尽可能从直接经验入手，逐步走向抽象，防止从概念到概念的“言语主义”。 *例如：学习“力的分解” 有目的的直接经验 设计的经验 参与活动 见习旅行 参观展览 案例影像 观摩示范 语言 视觉符号 广播图片 抽象的经 验 观察的经 验 直接的 经 验 美国视听教育家戴尔1946年写了一本书《视听教学法》，其中提出了“经验之塔”的理论，对经验是怎样得来的，认为经验有的是直接方式、有的是间接方式得来的。各种经验，大致可根据他的抽象程度，分为三大类（抽象、观察和做的经验）、十个层次。

科学追求真实：增强实验证据意识 ——真实性 ●真做实验 ◎戴尔的“经验之塔” 学习间接经验，应尽可能从直接经验入手，逐步走向抽象，防止从概念到概念的“言语主义”。 ◎教学媒体的选用次序： 有目的的直接经验 设计的经验 参与活动 见习旅行 参观展览 案例影像 观摩示范 语言 视觉符号 广播图片 抽象的经 验 观察的经 验 直接的 经 验 实验观察 视频播放 美国视听教育家戴尔1946年写了一本书《视听教学法》，其中提出了“经验之塔”的理论，对经验是怎样得来的，认为经验有的是直接方式、有的是间接方式得来的。各种经验，大致可根据他的抽象程度，分为三大类（抽象、观察和做的经验）、十个层次。 动画模拟 图片展示 语言表述

科学追求真实：增强实验证据意识 ——真实性 ●真做实验 【讨论】怎样提高静电实验的成功率？ ◎静电特点：量少压高 ◎实验关键：增加绝缘 *例如：静电计（验电器） 最容易漏电的部位在哪里？ 接触面涂上蜡烛油 ——金属壳与指针之间？ ——金属壳与塑料塞之间！

科学追求真实：增强实验证据意识 ●真做实验 ——真实性 【例】电荷间相互作用 库仑定律 尼龙丝 + 蜡烛 铝箔桶

科学追求真实：增强实验证据意识 ——真实性 ——科学性 ●真做实验 ●做真实验 【例1】白光的色散与复合(棱镜实验) 红光 白光 白光 白光 紫光 白光 白光 白光 红光 紫光

科学追求真实：增强实验证据意识 ——真实性 ——科学性 ●真做实验 ●做真实验 实验假象！ 【例2】磁现象的电本质（罗兰实验） 估算: 感应圈 感应圈 估算: 设I=1mA d=5cm B=KI/r=4×10-9 T, B﹤B地=10-5 T

科学追求真实：增强实验证据意识 ——真实性 ——科学性 ●真做实验 ●做真实验 启示：物理教师应具备扎实的实验基础知识！ 电磁屏蔽 ◎还有更多的“假实验”…… *“音叉转动”演示 声波的干涉 *“金属盒+手机”演示静电屏蔽 *“感应圈+平行板电容器”演示变化电场产生磁场 * …… 启示：物理教师应具备扎实的实验基础知识！

科学贵在探究：拓展实验的探索性 【例1】“静电感应”的教学 问题 改进 （1）现象不够明显； “哇哈哈”枕形导体 + 问题 （1）现象不够明显； （2）单一化的操作，一步到位的教学，不利于学生对物理现象及本质的理解，也难以激发学习的积极性。 改进 （1）采用自制教具(“哇哈哈”枕形导体)； （2）按照科学的本质开展实验教学。尽可能为学生提供一种探究的情景，充分运用实验变式，引导他们通过不同的角度，去认识科学世界的真实面貌。

科学贵在探究：拓展实验的探索性 【例1】“静电感应”的教学 静电感应现象 感应起电原理 1.移近带电棒，箔片为何会张 + 静电感应现象 1.移近带电棒，箔片为何会张 开？导体两端各带何种电？ 2.移走带电棒，箔片为何又重 新闭合？ 3.不通过接触的方法，能使导 体始终带上电吗？ 感应起电原理 + 4.不采用分割的方法，能使导 体始终带上电吗？ + 5.如果手碰触的是导体另一端， 它的带电情况会变化吗？

科学贵在探究：拓展实验的探索性 *这个实验应该怎样做？ *这个实验为什么这样做？ *这个实验还可以怎样做？ ——知其然 ——知其所以然 ●实验须“三问”—— *这个实验应该怎样做？ ——知其然 *这个实验为什么这样做？ ——知其所以然 *这个实验还可以怎样做？ ——知其所尽然 【例2】用单摆测重力加速度 “照方抓药”不可取 (1)悬挂法: T=mg (2)落体法: h=1/2gt2 (3)斜面法: S=1/2gsinαt2 (4)平抛法: S=V0 2h/g (5)单摆法: T=2π L/g …… 可能方案 设计 可行分案 选优 实验要求 (发散) (收敛)

科学依重思维：观察思维协同并进 ●著名物理学家密立根： ●物理教学基本策略: ●物理教学基本过程: 情景 问题 探究 结论 “科学是在用理论和实验这两只脚前进的。有时是这只脚先迈出一步，有时是另一只脚先迈出一步，但是前进要靠两只脚……” ——物理教学，同样离不开实验观察和理性思维 这两只脚。 ●物理教学基本策略: 以实验为基础; 以思维为中心; 以探究为主线 ●物理教学基本过程: 以情景 引问题 以问题 导探究 以探究 促真知 情景 问题 探究 结论

科学依重思维：观察思维协同并进 【例】“共振现象”的教学 ◎教法1： ◎教法2： 播放视频 讲解知识 美国塔柯姆大桥 ◎教法2： 弊端：情境和知识“两张皮” , 观察与思维相分离 播放视频 注意：问题情境并不会自动形成有价值的问题。有效问题不等于“现象+问号”，而是产生于“现象+质疑”。 构建模型 提出猜想 实验探究 总结规律

科学有待发展：融合物理学史教学 ●从科学史的发展可以看出，学生有很多现行概念与科学史是平行的。在实验教学中融合科学史的情境，学生籍此体验科学家思考、探究、解决问题的历程，这是提升学生对科学本质理解的最有效方式之一。

科学有待发展：融合物理学史教学 s v 【例】伽利略对自由落体运动的研究 学生已经学过自由落体运动及其相关知识，为什么新课程教材仍将它单列为一节？ 教材的意图是：通过介绍伽利略研究自由落体运动的科学方法以及巧妙的实验构想，让学生体验科学知识的产生和发展过程，从而进一步加深对于科学本质的理解。 重快轻慢？ µ v t s µ t2 斜面实验 外 推 至 落体运动 现象观察 猜想假设 逻辑推理 实验验证 修正推广 *伽利略的科学方法—— 逻辑 + 数学 + 实验 *亚里士多德的方法—— 现象观察+经验总结

科学有待发展：融合物理学史教学 s µ t2 【例】伽利略对自由落体运动的研究 ◎实验设计：如何验证 ？ 实验验证 ◎实验设计：如何验证 ？ s µ t2 ◎实践体验：测量小球下落的高度与时间（困难？） ◎修正方案：让小球沿斜面运动…… （理由？） ◎实验验证：（学生参与）数节拍、测距离、填表格 （节拍器） （导轨2m，有刻度） X/t2 1 2 3 4 5 t/次 X/cm 6.5 25 59 107 160 6.5 6.2 6.6 6.7 6.4 32 130 298 526 824 1192 1600 2104 32 32.5 33.1 32.9 33.0 33.1 32.7 32.9 伽利略手稿中记录的一组数据 时间单位 距离单位 X/t2 1 2 3 4 5 6 7 8 X/t2 1 2 3 4 5 t/次 X/cm 11 42 102 173 11 10.5 11.3 10.8 通过实验重现历史情境，让学生沿着大师的探索足迹，亲身体验并领悟前辈科学家的科学精神、物理思想和研究方法。

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