吴加澍 按照科学本质优化实验教学

1、( (浙大华家池浙大华家池 2014.09.21)2014.09.21)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

2、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

3、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

4、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

5、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 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。

6、 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”实验实验探索还在进行探索还在进行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

7、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：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

8、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

9、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

10、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体现科学本质的实验教学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：理解科学的本质是提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。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，让学生能科学教育必须遵循科

11、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理实验教学, ,就显得格外重要。就显得格外重要。体现科学本质的物理实验教学，应该是体现科学本质的物理实验教学，应该是: :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）

12、 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；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

13、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。 麦克斯韦：“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，。” 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

14、“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】受迫振动和共振受迫振动和共振实验实验: :手持纸条前后晃动，使之作受迫振动。手持纸条前后晃动，使之作受迫振动。观察观察: :手动频率与纸条振动频率有何关系？手动频率与纸条振动频率有何关系？实验实验: :调整手动频率，使纸条调整手动频率，使纸条A A的振幅最大；的振幅最大； 再依次使纸条再依次使纸条B B或或C C的振幅达到最大。的振幅达到最大。比较比较: :当当振幅最大时，手动频率与纸条自由振幅最大时，手动频率与纸条自由 振动时的频率（固有频率）有何关系？振动时的频率（固有频率）有何

15、关系？总结总结: :产生共振现象的条件产生共振现象的条件f f受迫受迫= =f f驱动驱动f f驱动驱动= =f f固有固有【例【例】“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/s

16、in60 /sin60 = 3 = 3 得得 sinsin =1.5=1.5观察实验：光从玻璃以观察实验：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： 前者只是客观地呈现了物理现象，后者则能引起认知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。冲突，激发学习动机，因而教学效果更好。科学源于好奇：激发学生的求知欲科学源于好奇：激发学生的求知欲设置认知陷阱，激发学生学习动机科学追求真实：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

17、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。这样的做法可取吗？这样的做法可取吗？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 验验戴尔戴尔“经验之塔经验之塔”做实验真

18、实性科学追求真实：增强实验证据意识科学追求真实：增强实验证据意识戴尔戴尔“经验之塔经验之塔”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：增强实验证据意识教学媒体的选用次序教学媒体的选用次序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

19、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1 1】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【例【例2 2】磁现象的电本质磁

20、现象的电本质感应圈B=KI/r=B=KI/r=4 41010-9-9 T,T,B BB B地地= =1010-5-5 T T 设设I=1mA d=5cm I=1mA d=5cm 估算估算: :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【例【例3 3】用音叉演示声波的干涉用音叉演示声波的干涉弱弱弱弱弱弱弱弱强强强强强强强强【例【例4 4】用收音机演示静电屏蔽用收音机演示静电屏蔽【例【例】探究感生电流的产生条件探究感生电流的产生条件实验观察实验观察B B不变不变,S,S变化时有感生电流；变化时有感

21、生电流；S S不变不变,B,B变化时有感生电流。变化时有感生电流。B BS S，所以，所以可用磁通量可用磁通量来描述感生电流产生的条件。来描述感生电流产生的条件。问题：若问题：若 B B、S S同时都同时都变化，会产生感生电流吗？变化，会产生感生电流吗？学生一致认定：会！学生一致认定：会！这样的归纳 有问题吗只是体现了只是体现了B B、S S与与知识之间的知识之间的，未突出用未突出用变化作为产生条件的变化作为产生条件的！可见这样归纳并没有触及问题的核心可见这样归纳并没有触及问题的核心科学贵在探究：拓展实验的探索性科学贵在探究：拓展实验的探索性对策：拓展实验，揭示关键对策：拓展实验，揭示关键分析

22、论证分析论证归纳结论归纳结论【例【例】探究感生电流的产生条件探究感生电流的产生条件科学贵在探究：拓展实验的探索性科学贵在探究：拓展实验的探索性实验：使回路的实验：使回路的B B和和S S同时变化，同时变化， 观察有无感受电流产生观察有无感受电流产生。启示启示：B B、S S的变化并非是产生的变化并非是产生 感应电流的本质条件。感应电流的本质条件。探究探究：为什么回路中为什么回路中B B和和S S都变都变 化，却没有感生电流产呢化，却没有感生电流产呢？G G 科学的发展就是不断提出假设，不断经受反驳的过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。程。不能被否证的理

23、论是伪科学。 因此，在物理教学中我们不仅要做证实性的实验，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。有时还要做证伪性的实验。科学的科学的科学的本质观告诉人们：科学的本质观告诉人们：归纳归纳：从磁通量变化的角度，从磁通量变化的角度， 解释其它的实验现象解释其它的实验现象科学依重思维：观察思维协同并进科学依重思维：观察思维协同并进 物理教学，同样离不开物理教学，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

24、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; ;物理教学的基本策略:物理教学的基本过程: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】“自感现象自感现象”实验实验传统演示方法传统演示方法L LA AB BS S( (甲甲 通电自感通电自感) )L LA AS S( (乙乙 断电自感断电自感) )L LA AS SB BR R( (组合电路组合电路) )R=RLR灯 硬件（电路设计）软件（教法改进）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】“自感现象自感现象”实验实验传统演示方法传统演

25、示方法改进演示方法改进演示方法S SA AB B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。【十大最美丽的实验】【十大最美丽的实验】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【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