按照科学本质优化实验教学

(德清德清 2015.02.072015.02.07)两条思路两个视角按照按照学习规律学习规律，优化实验教学，优化实验教学按照按照科学本质科学本质，优化实验教学，优化实验教学改善改善实验设备实验设备，优化实验教学，优化实验教学改进改进实验方案实验方案，优化实验教学，优化实验教学树立正确的科学本质观科学究竟是什么科学是一种科学是一种社会建制社会建制科学是一种科学是一种知识体系知识体系科学是一种科学是一种思维方式思维方式（求真、严谨、民主、平等（求真、严谨、民主、平等）科学是一种科学是一种价值取向价值取向（组织形式、价值准则和行为规范）（组织形式、价值准则和行为规范）(关于自然、社会与思维的知识体系关于自然、社会与思维的知识体系)（客观观察、可重复、可证伪（客观观察、可重复、可证伪）对的理解，是认识科学的核心！(英英)A.F.)A.F.查尔默斯查尔默斯 张红霞著张红霞著树立正确的科学本质观科学本质是什么亚里士多德的结论亚里士多德的结论:物体下落的快慢由它们的重量决定。物体下落的快慢由它们的重量决定。伽利略的质疑伽利略的质疑:比萨斜塔比萨斜塔落体佯谬落体佯谬从一个古老的话题说起：从一个古老的话题说起：轻、重物体谁下落的快？如果将重物和轻物绑在一起下落树立正确的科学本质观科学本质是什么亚里士多德的结论亚里士多德的结论:物体下落的快慢由它们的重量决定。物体下落的快慢由它们的重量决定。伽利略的质疑伽利略的质疑:比萨斜塔比萨斜塔落体佯谬落体佯谬斜面实验斜面实验从一个古老的话题说起：从一个古老的话题说起：轻、重物体谁下落的快？小球沿斜面下滑的加速度与重量无关树立正确的科学本质观科学本质是什么亚里士多德的结论亚里士多德的结论:物体下落的快慢由它们的重量决定。物体下落的快慢由它们的重量决定。伽利略的质疑伽利略的质疑:比萨斜塔比萨斜塔落体佯谬落体佯谬斜面实验斜面实验教室里的实验教室里的实验纸片和碟片谁下落的快？纸片和碟片谁下落的快？钱毛管实验钱毛管实验月球上的实验月球上的实验从一个古老的话题说起：从一个古老的话题说起：轻、重物体谁下落的快？树立正确的科学本质观科学本质是什么亚里士多德的结论亚里士多德的结论:物体下落的快慢由它们的重量决定。物体下落的快慢由它们的重量决定。伽利略的质疑伽利略的质疑:比萨斜塔比萨斜塔落体佯谬落体佯谬斜面实验斜面实验教室里的实验教室里的实验纸片和碟片谁下落的快？纸片和碟片谁下落的快？钱毛管实验钱毛管实验月球上的实验月球上的实验现代版现代版“比萨斜塔比萨斜塔”实验实验从一个古老的话题说起：从一个古老的话题说起：轻、重物体谁下落的快？朱棣文 通过通过“坠落坠落”原子原子精确测算出了单个原精确测算出了单个原子所受的重力加速度子所受的重力加速度，并发现这一重力加，并发现这一重力加速度与由数十亿原子速度与由数十亿原子组成的宏观尺度物理组成的宏观尺度物理所受重力加速度相同所受重力加速度相同，即微观原子与宏观，即微观原子与宏观物体下落的速度也与物体下落的速度也与其重量无关。其重量无关。树立正确的科学本质观科学本质是什么亚里士多德的结论亚里士多德的结论:物体下落的快慢由它们的重量决定。物体下落的快慢由它们的重量决定。伽利略的质疑伽利略的质疑:比萨斜塔比萨斜塔落体佯谬落体佯谬斜面实验斜面实验教室里的实验教室里的实验纸片和碟片谁下落的快？纸片和碟片谁下落的快？钱毛管实验钱毛管实验月球上的实验月球上的实验现代版现代版“比萨斜塔比萨斜塔”实验实验探索还在进行探索还在进行从一个古老的话题说起：从一个古老的话题说起：轻、重物体谁下落的快？一个以美国物理学家费希巴赫为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。不具有相同的重力加速度。树立正确的科学本质观科学本质是什么亚里士多德的结论亚里士多德的结论:物体下落的快慢由它们的重量决定。物体下落的快慢由它们的重量决定。伽利略的质疑伽利略的质疑:比萨斜塔比萨斜塔落体佯谬落体佯谬斜面实验斜面实验教室里的实验教室里的实验纸片和碟片谁下落的快？纸片和碟片谁下落的快？钱毛管实验钱毛管实验月球上的实验月球上的实验现代版现代版“比萨斜塔比萨斜塔”实验实验探索还在进行探索还在进行从一个古老的话题说起：从一个古老的话题说起：轻、重物体谁下落的快？透过人们对落体运动的探透过人们对落体运动的探究与认知，你能体会到科究与认知，你能体会到科学具有怎样的基本特性？学具有怎样的基本特性？科学是讲求实证的科学是符合逻辑的科学是有待发展的树立正确的科学本质观科学事业科学事业的本质的本质 科学是一种复杂的社会活动科学是一种复杂的社会活动,科学分成专门领域并在不同科学分成专门领域并在不同情况下进行研究情况下进行研究,科学必须考虑伦理的原则科学必须考虑伦理的原则,科学家既作为科学家既作为专家又作为公民参与公众事务。专家又作为公民参与公众事务。对于科学本质，人们常从对于科学本质，人们常从“科学知识科学知识”、“科学探科学探究究”以及以及“科学事业科学事业”三个维度进行阐述三个维度进行阐述 引自引自面向全体美国人的科学面向全体美国人的科学科学知识科学知识的本质的本质 世界是可认识的世界是可认识的,科学知识是可变的科学知识是可变的,科学并不能解决所科学并不能解决所 有问题有问题;科学探究科学探究的本质的本质 科学讲究证据科学讲究证据,科学是逻辑和想象的结合体科学是逻辑和想象的结合体,科学具有解科学具有解释和预测的功能释和预测的功能,科学试图确定和避免偏见科学试图确定和避免偏见,科学反对权威科学反对权威;科学本质是什么树立正确的科学本质观科学本质是什么【问题【问题1 1】地球是圆的还是方的地球是圆的还是方的?所有的学生都给出了正确答案所有的学生都给出了正确答案:圆的。圆的。日、韩的中学生回答日、韩的中学生回答:“很多生活现象可以证明地球是圆的。很多生活现象可以证明地球是圆的。如如”而大多数中国学生却回答而大多数中国学生却回答:“老师告诉我的老师告诉我的”、“书书上说的上说的”、“电视上演的电视上演的”等等。等等。对此，中国学生的回答更是让人吃惊对此，中国学生的回答更是让人吃惊:“不知道不知道”、“考试考试用用”、“没有用没有用”【问题【问题2 2】你怎么知道地球是圆的而不是方的你怎么知道地球是圆的而不是方的?【问题【问题3 3】你认为知道地球是圆的有何意义你认为知道地球是圆的有何意义?中科院曾对中、日、韩三国的中学生进行科学素养的中科院曾对中、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，其中的地理题包含三个小问题：调查结果说明了什么科学源于好奇科学源于好奇科学贵在探究科学贵在探究科学追求真实科学追求真实科学倚重思维科学倚重思维科学有待发展科学有待发展世界各国科学教育界普遍认为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。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。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。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激发学生的求知欲激发学生的求知欲增强实验证据意识增强实验证据意识拓展实验的探索性拓展实验的探索性观察思维协同递进观察思维协同递进融合物理学史教学融合物理学史教学树立正确的科学本质观科学素养的核心科学源于好奇：激发学生的求知欲科学源于好奇：激发学生的求知欲丁肇中丁肇中:“:“好奇心是科学研究好奇心是科学研究的原动力。的原动力。”（上海交通大学的讲（上海交通大学的讲演）演）他认为：好奇心是成功的关键，他认为：好奇心是成功的关键，兴趣是产生好奇心的前提。兴趣是产生好奇心的前提。实践表明，物理实验是激发学习兴趣和求知欲的最有实践表明，物理实验是激发学习兴趣和求知欲的最有效的手段。效的手段。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；展现新奇现象，吸引学生喜爱物理科学源于好奇：激发学生的求知欲科学源于好奇：激发学生的求知欲【例【例1 1】超重与失重现象超重与失重现象教法教法1 1引发认知冲突，激发学生学习动机科学源于好奇：激发学生的求知欲科学源于好奇：激发学生的求知欲教师演示：磁铁从静止开始突然向下教师演示：磁铁从静止开始突然向下（或突然向上（或突然向上)运动运动学生分别观察并解释所见现象。学生分别观察并解释所见现象。教法教法2 2教师提问：当磁铁从静止开始突然向下（或向上教师提问：当磁铁从静止开始突然向下（或向上)运动时，运动时，会发生怎样的现象？会发生怎样的现象？学生先作预测，而后演示实验，再观察并解释所见现象。学生先作预测，而后演示实验，再观察并解释所见现象。两种演示策略：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。起认知冲突，激发学生的学习动机。【例【例2 2】“光的全反射光的全反射”课题引入课题引入教法教法1 1教法教法2 2 演示实验：逐渐增大入射角演示实验：逐渐增大入射角教师指出：这就是光的全反射现象。教师指出：这就是光的全反射现象。学生思考：一束光线从玻璃（学生思考：一束光线从玻璃（n=3n=3）射入空气，已知）射入空气，已知入射角为入射角为6060，问：折射角是多少？，问：折射角是多少？解解1 1：由：由 sin60sin60/sin/sin =3 =3 得得 =30=30解解2 2：由：由 sinsin/sin60/sin60=3 =3 得得 sinsin =1.5=1.5实验观察：光从玻璃以实验观察：光从玻璃以6060射入空气，没有折射光线！射入空气，没有折射光线！提出课题：提出课题：引发认知冲突，激发学生学习动机科学源于好奇：激发学生的求知欲科学源于好奇：激发学生的求知欲巧做物理实验，引导学生学好物理实验实验“三做三做”做、做、做、做、做做“巧做巧做”要求要求 选材选材低成本低成本;设计设计高智慧高智慧;教学教学深探究深探究。【例【例1 1】内能变化与做功的关系内能变化与做功的关系学生实验：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，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；感觉有点热；课本实验：课本实验：再让橡皮筋迅速缩短，并让它与自己的额头接触，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。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，。”麦克斯韦科学源于好奇：激发学生的求知欲科学源于好奇：激发学生的求知欲巧做物理实验，引导学生学好物理实验实验“三做三做”做、做、做、做、做做“巧做巧做”要求要求 选材选材低成本低成本;设计设计高智慧高智慧;教学教学深探究深探究。【例【例2 2】弹簧的弹性限度弹簧的弹性限度某老师的某老师的“破坏性实验破坏性实验”科学源于好奇：激发学生的求知欲科学源于好奇：激发学生的求知欲另一种演示方法（铁丝弹簧）另一种演示方法（铁丝弹簧）学生的感受？科学追求真实：增强实验证据意识科学追求真实：增强实验证据意识做实验【例【例】电荷间相互作用电荷间相互作用 库仑定律库仑定律多媒体技术能够多媒体技术能够以假乱真以假乱真，但是不应该，但是不应该以假代真以假代真；过去黑板上做实验不对，现在屏幕上做实验同样不对。过去黑板上做实验不对，现在屏幕上做实验同样不对。真实性这样的做法 可取吗?科学追求真实：增强实验证据意识科学追求真实：增强实验证据意识做实验真实性德国物理教师做弹性碰撞实验：德国物理教师做弹性碰撞实验：有目的的直接经验有目的的直接经验设计的经验设计的经验参与活动参与活动见习旅行见习旅行参观展览参观展览案例影像案例影像观摩示范观摩示范语言语言视觉符号视觉符号广播图片广播图片抽象的抽象的经经 验验观察的观察的经经 验验直接的直接的经经 验验 学习间接经验，应尽可能从直接经验入手，逐步走向学习间接经验，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抽象，防止从概念到概念的“言语主义言语主义”。戴尔的戴尔的“经验之塔经验之塔”教学媒体的选用次序：教学媒体的选用次序：做实验真实性科学追求真实：增强实验证据意识科学追求真实：增强实验证据意识做实验真实性【讨论【讨论】怎样提高静电实验的成功率？怎样提高静电实验的成功率？静电特点：静电特点：量少压高量少压高 实验关键：实验关键：增加绝缘增加绝缘最容易漏电的部位在哪里？最容易漏电的部位在哪里？金属壳与指针之间？金属壳与指针之间？金属壳与塑料塞之间！金属壳与塑料塞之间！例如：例如：静电计（验电器）静电计（验电器）科学追求真实：增强实验证据意识科学追求真实：增强实验证据意识做实验【例【例】电荷间相互作用电荷间相互作用 库仑定律库仑定律真实性尼龙丝尼龙丝+蜡烛蜡烛铝箔桶铝箔桶科学追求真实：增强实验证据意识科学追求真实：增强实验证据意识做实验真实性做实验科学性【例】【例】白光的色散与复合白光的色散与复合白光白光红光紫光白光白光红光紫光科学追求真实：增强实验证据意识科学追求真实：增强实验证据意识做实验真实性做实验科学性科学追求真实：增强实验证据意识科学追求真实：增强实验证据意识还有更多的还有更多的“假实验假实验”“感应圈感应圈+阴极射线管阴极射线管”演示演示磁现象的电本质磁现象的电本质“感应圈感应圈+平行板电容器平行板电容器”演示演示变化电场产生磁场变化电场产生磁场“音叉转动音叉转动”演示演示 声波的干涉声波的干涉“金属盒金属盒+手机手机”演示演示静电屏蔽静电屏蔽科学贵在探究：拓展实验的探索性科学贵在探究：拓展实验的探索性【例例1 1】“静电感应静电感应”的教学的教学（2 2）按照科学的本质开展实验教学。尽可能为学生提供一种）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，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。去认识科学世界的真实面貌。（1 1）现象不够明显；）现象不够明显；（2 2）单一化的操作，一步到位的教学，不利于学生对物理现）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。象及本质的理解，也难以激发学习的积极性。（1 1）采用自制教具）采用自制教具(“哇哈哈哇哈哈”枕形导体枕形导体)；“哇哈哈哇哈哈”枕形导体枕形导体【例例1 1】“静电感应静电感应”的教学的教学1.1.移近带电棒，箔片为何会张移近带电棒，箔片为何会张 开？导体两端各带何种电？开？导体两端各带何种电？2.2.移走带电棒，箔片为何又重移走带电棒，箔片为何又重 新闭合？新闭合？3.3.不通过接触的方法，能使导不通过接触的方法，能使导 体始终带上电吗？体始终带上电吗？4.4.不采用分割的方法，能使导不采用分割的方法，能使导 体始终带上电吗？体始终带上电吗？+5.5.如果手碰触的是导体另一端，如果手碰触的是导体另一端，它的带电情况会变化吗？它的带电情况会变化吗？静电感应现象感应起电原理+科学贵在探究：拓展实验的探索性科学贵在探究：拓展实验的探索性【例例2 2】用单摆测重力加速度用单摆测重力加速度科学贵在探究：拓展实验的探索性科学贵在探究：拓展实验的探索性(1)(1)悬挂法悬挂法:T=mT=mg g(2)(2)落体法落体法:h=1/2gt2(3)(3)斜面法斜面法:S=1/2gsint2(4)(4)平抛法平抛法:S=:S=V V0 0 2h/2h/g g(5)(5)单摆法单摆法:T=2:T=2L/L/g g实验要求可能方案设计可行分案 选优(发散)(收敛)实验须“三问”*这个实验应该怎样做？这个实验应该怎样做？*这个实验为什么这样做？这个实验为什么这样做？*这个实验还可以怎样做？这个实验还可以怎样做？知其然知其所以然知其所尽然“照方抓药”不可取科学依重思维：观察思维协同并进科学依重思维：观察思维协同并进 科学教学，同样离不开科学教学，同样离不开和和 这两只脚。这两只脚。“科学是在用理论和实验这两只脚前进科学是在用理论和实验这两只脚前进的的。有时是这只脚先迈出一步，有时是有时是这只脚先迈出一步，有时是另一只脚先迈出一步，另一只脚先迈出一步，但是前进要靠两但是前进要靠两只脚只脚”著名物理学家密立根：以以为主线为主线以以为中心为中心;以以为基础为基础;科学教学基本策略:科学教学基本过程:科学依重思维：观察思维协同并进科学依重思维：观察思维协同并进【例例1 1】“共振现象共振现象”的教学的教学教法教法1 1：教法教法2 2：播放视频播放视频播放视频播放视频构建模型构建模型提出猜想提出猜想实验探究实验探究总结规律总结规律演示实验演示实验讲解知识讲解知识现象现象+问号问号现象现象+质疑质疑科学依重思维：观察思维协同并进科学依重思维：观察思维协同并进【例例2 2】电流表改装电流表改装教材：教材：当作例题来做当作例题来做“电流表电流表G G的内阻的内阻R Rg g=30=30，满偏电流，满偏电流I Ig g=1mA=1mA。现要把它改装成量程为。现要把它改装成量程为0.6A0.6A的的安培表，需要并联多大的电阻？安培表，需要并联多大的电阻？”AGR改进：改进：创设实验情境创设实验情境G_+GGGGGGGR学生有相应的知识背景学生有相应的知识背景但缺乏鲜明的物理图景但缺乏鲜明的物理图景科学有待发展：融合物理学史教学科学有待发展：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。升学生对科学本质理解的最有效方式之一。【例】【例】伽利略对自由落体运动的研究伽利略对自由落体运动的研究现象观察逻辑推理猜想假设实验验证修正推广 学生已经学过自由落体运动及其相关知识，为什么新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？课程教材仍将它单列为一节？重快轻慢？重快轻慢？斜面实验斜面实验 外外 推推 至至 落体运动落体运动 s t2 vt伽利略的科学方法伽利略的科学方法亚里士多德的方法亚里士多德的方法逻辑+数学+实验现象观察+经验总结 教材的意图是：通过介绍伽利略研究自由落体运动的教材的意图是：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。产生和发展过程，从而进一步加深对于科学本质的理解。科学有待发展：融合物理学史教学科学有待发展：融合物理学史教学实验验证 通过实验重现历史情境，让学生沿着大师的探索足迹，亲身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。体验并领悟前辈科学家的科学精神、物理思想和研究方法。实验设计：实验设计：如何验证如何验证？s t2实践体验：实践体验：测量小球下落的高度与时间（困难？）测量小球下落的高度与时间（困难？）修正方案：修正方案：让小球沿斜面运动让小球沿斜面运动 （理由？）（理由？）实验验证：实验验证：（学生参与）数节拍、测距离、填表格（学生参与）数节拍、测距离、填表格（节拍器）（节拍器）（导轨（导轨2m2m，有刻度），有刻度）32 130 298 526 824 1192 1600 210432 130 298 526 824 1192 1600 2104 32 32.5 33.1 32.9 33.0 33.1 32.7 32.932 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时间单位距离单位距离单位X/X/t t2 2 1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8X X/t t2 2 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 t/t/次次X/X/cmcmX X/t t2 2 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 t/t/次次X/X/cmcm6.56.525255959107107 1601606.5 6.2 6.6 6.7 6.46.5 6.2 6.6 6.7 6.411 42 102 173 11 42 102 173 11 10.5 11.3 10.811 10.5 11.3 10.8【例】【例】伽利略对自由落体运动的研究伽利略对自由落体运动的研究科学有待发展：融合物理学史教学科学有待发展：融合物理学史教学欢迎指正com