按科学的本质 开展实验教学 浙江省义乌中学 吴加澍 (杭师大 2013.12.16)

树立正确的科学本质观 ●科学究竟是什么 …… 对科学本质的理解，是认识科学的核心！ *科学是一种知识体系 *科学是一种思维方式 (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） …… 科学是人类对认识客体（自然界、人类社会和思维过程等）的知识体系、产生知识的活动、科学方法、科学社会建制、科学思想和科学精神的动态系统。 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: *比萨斜塔 自然界存在 第五种力？ *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 以实证为判别尺度 科学是讲求实证的 科学是符合逻辑的 以逻辑为论辩武器 以怀疑为审视起点 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 以实证为判别尺度 *纸片和碟片谁下落的快？ 以逻辑为论辩武器 *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 以怀疑为审视起点 ◎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 ◎我国“科学课程标准”指出，科学本质包括—— ①自然界是有规律的，科学是认识自然最有效的途径。科学知识对自然现象具有解释和预见功能。科学技术是第一生产力。 ②科学是以多样统一的自然界为研究对象的探究活动。科学探究不仅涉及逻辑推理和实验活动，同时还是充满创造型思维的过程。科学是包括科学家在内的全社会的事业。 ③科学是开放的系统。科学知识具有相对稳定性并不断发展，它不是绝对真理，也不能解决所有问题。可验证性是科学与伪科学的重要区别，科学尊重事实对科学理论的检验。 ④科学活动应当促进社会的进步，并将受到科学道德和社会一般道德的双重约束。

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—— ◎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。 ——引自《面向全体美国人的科学》

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： 【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。 调查结果 说明了什么 【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”…… 科学本质是科学素养的核心内涵。如何提升学生对科学本质的理解已成为国际科学教育关注的焦点话题。

树立正确的科学本质观 ●科学本质与三维目标 ◎高中物理课程标准指出—— 学习科学的知识与技能 *学习终身发展必备的物理基础知识和技能，了解这些知识与技能在生活、生产中的应用，关注科学技术的现状及发展趋势。 *学习科学探究方法，发展自主学习能力，养成良好的思维习惯，能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题。 *发展好奇心与求知欲，发展科学探索兴趣，有坚持真理、勇于创新、实事求是的科学态度与科学精神，有振兴中华，将科学服务于人类的社会责任感。 *了解科学与技术、经济和社会的互动作用，认识人与自然、社会的关系，有可持续发展意识和全球观念。 体验科学的过程与方法 培养科学的情感与态度

树立正确的科学本质观 ●科学本质与三维目标 ◎比较： 科学本质主要体现在“科学知识”、“科学探究”和 “科学价值”三个层面上; 而物理教育的目标是通过物理课程的“知识与技能 ”、“过程与方法 ”、“情感态度与价值观”等方面的学习, 提高学生的科学素养, 促进学生的发展。 ——科学本质的内涵与物理课程的目标完全吻合！ ◎结论： 三维目标全面体现了科学的本质，它是物理教育价值的自然回归； 树立正确的科学本质观，按照科学的本质开展物理教学，这是落实三维目标的关键所在。

体现科学本质的实验教学 ●世界各国科学教育界普遍认为：理解科学的本质是提高学生科学素养的核心，而对学生进行科学本质教育的主阵地之一便是实验教学。 ●科学教育必须遵循科学形成与发展的规律，让学生能够学真正的、有用的科学。因此，按科学的本质开展物理实验教学,就显得格外重要。 ●体现科学本质的物理实验教学，应该是—— ◆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：彰显物理学科特色 ◆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，物理实验是激发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； ◎巧做物理实验，引导学生学好物理； ◎设置认知陷阱，激发学生学习动机； ……

科学源于好奇：激发学生的求知欲 ◎展现新奇现象，吸引学生喜爱物理 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 ◎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1】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2】受迫振动和共振 f受迫=f驱动 *实验:手持纸条前后晃动，使之作受迫振动。 A B C *观察:手动频率与纸条振动频率有何关系？ *实验:调整手动频率，使纸条A的振幅最大； 再依次使纸条B或C的振幅达到最大。 f驱动=f固有 *比较:当振幅最大时，手动频率与纸条自由 振动时的频率（固有频率）有何关系？ *总结:产生共振现象的条件……

科学源于好奇：激发学生的求知欲 ◎设置认知陷阱，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 × × * 观察实验：光从玻璃以60°射入空气，没有折射光线！ * 提出课题：…… 前者只是客观地呈现了物理现象，后者则能引起认知冲突，激发学习动机，因而教学效果更好。

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 ◎戴尔“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 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。 观察的经 验 动画模拟 图片展示 直接的 经 验 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 红光 白光 白光 白光 白光 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 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 ●真做实验 ——真实性 ●做真实验 ——科学性 【例3】变化的电场产生磁场 并非“磁偏” 而是“电偏”

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 这样的设计 方案可行吗 【例4】绘制声波干涉图样（一位教师的设计方案） *问题1： 音频发生器 设:声波频率f=560HZ 波长λ≈0.6m 则△d=λ/2=0.3m …… 白纸 *问题2： 众多反射波的叠加

科学追求真实：增强实验证据意识 ——真实性 ——科学性 启示：物理教师应具备扎实的实验基础知识 ●真做实验 ●做真实验 电磁屏蔽 【例5】用音叉演示声波的干涉 强 弱 强 【例6】用收音机演示静电屏蔽 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 ●“作为探究的科学”是科学的本质特征。拓展物理实验的探索性，有利于学生正确领悟科学的真谛，提升他们的科学素养。 【例1】电能的输送 ◎教法1 *实验演示： ①直接输电 ——灯泡发光暗淡 ②高压输电 ——灯泡正常发光 *解释原理：…… 这种教学的最大问题在于“没有问题”，对于学生来说：实验是既定的，观察是被动的，思维是粗浅的。教学效果自然不好。

科学贵在探究：拓展实验的探索性 ●“作为探究的科学”是科学的本质特征。拓展物理实验的探索性，有利于学生正确领悟科学的真谛，提升他们的科学素养。 【例1】电能的输送 ◎教法2 A B *观察：讲台上的小灯泡A接入学生电源后正常发光。 *思考：怎样使教室最后排的小灯泡B发光？ *观察：用一卷细径导线将小灯泡B接入学生电源，亮度很暗。 *思考：为什么远处的灯泡发光暗淡？你有什么解决的方案？ *观察：换一卷较粗的导线将灯泡接入学生电源，亮度增加。 *思考：怎样才能减少导线中的电流，又保持输送功率不变？ *观察：依次接入升压变压器和降压变压器，灯泡B正常发光。

科学贵在探究：拓展实验的探索性 【例2】“光电效应”实验 ◎课本的演示方法 ——实验为何难以成功？ *分析： h mv 2 1 n - = mv eU m 2 1 = e h U m ) ( n - = 一般紫外线频率为1015～1017 HZ 锌板极限频率约为8×1014 HZ 据此估算，锌板的电势在100 v～102v范围内，不足以使静电计指针张开。

～ ～ ～ 科学贵在探究：拓展实验的探索性 【例2】“光电效应”实验 ◎课本的演示方法 ——实验为何难以成功？ ◎常用的演示方法 ——这些方法有何不足？ ①预带负电法 ②附加电场法 ③电容辅助法 ～ ～ ～ + 方法①:是失去“多余电子”的现象？是否空气电离作用？ 方法②:为什么要附加电场？是光电效应的必要条件吗？ 方法③:为什么要另加一块极板？……

科学贵在探究：拓展实验的探索性 弊端 对策 【例2】“光电效应”实验 ◎课本的演示方法 ——实验为何难以成功？ ◎常用的演示方法 ——这些方法有何不足？ 弊端 这种单一化的操作，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。 对策 我们应按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 度和方法，去认识物理世界的真实面貌。 物理实验应力求做到： 撇开次要因素，排除干扰因素，突出本质因素，使所要研究的物理现象以更为简化和纯化的形态显露出来。

( ) ( ) ( ) 科学贵在探究：拓展实验的探索性 【例2】“光电效应”实验 ◎课本的演示方法 ——实验为何难以成功？ ◎常用的演示方法 ——这些方法有何不足？ ◎改进的演示方法 因空气电离？ ( ) 忽 略 次要因素 紫外线照射 带负电锌板 紫外线照射 带正电锌板 白炽灯光照射锌板表面 说明了什么？ ( ) 突 出 本质因素 紫外线照射 其它金属板 紫外线照射 不带电锌板 为何不张开？ ( ) 排 除 干扰因素 锌板附近设置反向电场

科学贵在探究：拓展实验的探索性 *如果问学生：若 B、S同时都变化，会产生感生电流吗？ *对策：拓展实验，揭示关键 【例3】探究感生电流的产生条件 实验观察 分析论证 ①B不变,S变化时有感生电流； 这样的归纳 有问题吗？ ②S不变,B变化时有感生电流。 归纳结论 ∵φ＝B·S，所以可用磁通量来描述感生电流产生的条件。 *如果问学生：若 B、S同时都变化，会产生感生电流吗？ ——学生一致认定：会！ 可见这样归纳并没有触及问题的核心—— 只是体现了B、S与φ知识之间的相关性， 未突出用φ变化作为产生条件的必要性！ *对策：拓展实验，揭示关键

科学贵在探究：拓展实验的探索性 *实验：使回路的B和S同时变化， *启示：B、S的变化并非是产生 *探究：为什么回路中B和S都变 【例3】探究感生电流的产生条件 *实验：使回路的B和S同时变化， 观察有无感受电流产生。 磁通量 不变！ *启示：B、S的变化并非是产生 感应电流的本质条件。 *探究：为什么回路中B和S都变 化，却没有感生电流产呢？ G *归纳：从磁通量变化的角度， 解释其它的实验现象…… ◎科学的本质观告诉人们： 科学的发展就是不断提出假设，不断经受反驳的过 程。不能被否证的理论是伪科学。 ——科学的可证伪性 因此，在物理教学中我们不仅要做证实性的实验，有时还要做证伪性的实验。

科学依重思维：彰显物理学科特色 ●物理学科的特色 ◎密立根： 物 理 讲求事实证据 崇尚理性思维 ——事实证据 （以实验为基础） 学生问：什么是物理？ 通俗的说，“眼中有物，心中有理”。 物 ——事实证据 （以实验为基础） 物理教学的两条铁律 理 ——理性思维 （以思维为中心） 物理的学科特色，也正是科学本质的生动体现。 ◎密立根： “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……” ——物理实验教学，同样离不开 实验观察和理性思维 这两只脚。

科学依重思维：彰显物理学科特色 ●几点教学的建议 （1）防止两种偏向 只有观察 缺失思维 1.“重物轻理” 只有推理 2.“轻物重理” 问题1：恒力F 沿AC方向拉环D，当两环平衡时，细线上张力等于多少？ B α A C E F D F α T P 只有推理 缺少图景 2.“轻物重理” A B C A B C 问题2：当B点沿竖直墙面缓慢下移时，悬线AC和BC的拉力将如何变化？

x 科学依重思维：彰显物理学科特色 ●几点教学的建议 （2）改变演示策略 策略① 哪种更好？ 策略② 科学发生: 是始于问题，还是始于观察？ 策略②更有利于学生理解科学本质，并且能充分暴露错误概念，引发认知冲突。 （2）改变演示策略 演示—观察—解释 策略① 哪种更好？ 预测—观察—解释 策略② 科学发生: 是始于问题，还是始于观察？ 学生主体: 是具有前概念的个体，还是“白板、容器”？ 【例】如图，当磁铁匀速向下通过水平线圈时，感应电流是怎样变化的？ 又问：若磁铁匀速向上通过水平线圈时，感应电流是怎样变化的？ x

科学依重思维：彰显物理学科特色 ●几点教学的建议 （3）观察思维同步 实验为载体、问题为核心 观察与思维相得益彰 【例】静电感应 静电感应 + 1.移近带电棒，箔片为何会张 开？导体两端各带何种电？ 静电感应 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 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1】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1】伽利略对自由落体运动的研究 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。

科学有待发展：融合物理学史教学 这样的实验教学是有悖于科学本质的 【例2】库仑扭秤实验 ◎一种流行的教法： 演示实验——获得数据——总结规律 由此得出库仑定律的教法有问题吗？ 科学性—— 实验的精确性？ 结论的普遍性？ 教育性—— 淡化了库仑扭秤实验的教育内涵! 这样的实验教学是有悖于科学本质的

科学有待发展：融合物理学史教学 【例2】库仑扭秤实验 2±δ （δ≤6×10-16 ） 巧妙的思想方法 物理学家的 智慧和勇气 r Q K （转化放大、平分电量） 小球间距 游丝扭角 第一次 36 36° 第二次 18 144° 第三次 8.5 575.5° 物理学家的 智慧和勇气 2 1 r Q K F = 2±δ （δ≤6×10-16 ） 科学发展史实一再表明：只靠有限的事实归纳或单纯的逻辑推理，都不会导致科学的发现。科学发现中最活跃的因素是猜想、假设与直觉。 对科学真理 的不懈追求

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