例谈科学探究实验与实验报告

例谈科学探究实验与实验报告

山东菏泽曹县第二中学　陈焘

　　摘要：科学探究实验是新课程着重介绍的知识点，同时又是当前基础教育课程改革的热点、亮点和难点。本文对科学探究的六大要素逐一加以解释，并以实例说明如何做好科学探究实验及如何做实验报告。
关键词：科学探究　科学探究实验　实验报告　提出问题　猜想和假设　实验方案　数据处理

作为当前基础教育课程改革的热点、亮点和难点，《普通高中物理课程标准》对科学探究提出了明确要求，并指出：“高中物理课程应促进学生自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勇于实验、勤于思考。通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。”一般来讲，我们进行科学探究都要遵循以下步骤或流程：

一、提出问题

“现代科学之父”爱因斯坦曾指出：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅仅是一个数学上的或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的进步”。

问题是创造的先导，是思维的起点，具有问题意识是一个人有所创新的前提与基础，是否具有问题意识，能否提出有价值的问题，是因循守旧之人与开拓创新之人的分水岭。

我们提出的问题首先应该是科学的，不能反科学或伪科学，而且还必须是有价值的、有意义的、可以探究的、值得探究的。依据学生现有的知识，我们所能提出的问题应根源于生活，但又高于生活，却不能脱离生活和实际经验，提出的问题应在其力所能及范围之内，即有能力应用已有的物理知识，加上部分未知的物理知识，利用科学的方法与思想，或独立或协作地予以解决。

提出问题后我们还必须明确问题，明确问题是为提出假设或大胆猜想奠定基础。从物理学的角度较为明确地阐述该问题。

二、猜想和假设

让学生做假设和猜想，就是根据已有的物理知识和实验经验，对解决问题的方式和问题的答案提出猜想与假设，对实验结果进行预测。

爱因斯坦说过：“想象比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力却概括世上的一切，推动着科技的进步，并且是知识进化的源泉，严格地讲，想象力是科学研究中的实在因素。”郅庭瑾先生认为，高中生业已具备以理论型为主的抽象逻辑思维能力，具体体现在：①学生可以通过假设进行思维。按照提出问题、明确问题、提出假设、验证假设的途径，经过一系列的抽象逻辑过程，达到目的。②学生思维业已具备预设性，在解决问题之前，学生已采取了一定的方式和手段。③学生思维已渐进形式化。中学生开始逐步地由具体运算思维占优势发展为形式思维占优势，不仅能够进行从特殊到一般的归纳，而且能进行从一般到特殊的演绎。高中生在他们的实践与学习中，已能够完成从具体上升到理论，再由理论指导去获得具体知识的完整过程。④高中生思维活动中自我意识或监控能力的明显化。⑤学生思维能跳出旧框框，创造性思维已获得迅速发展，开始追求新颖、独特的东西，形成了自己对事物的独特见解。为此，教师要鼓励学生们大胆猜想，只有想象，才能尽可能多地突破旧有知识的羁索，打破时空的限制，对自己提出的问题尽可能地全方位思考。合理的或大胆的猜想往往闪烁着智慧的火花，无意中的直觉往往可以打开解决问题的大门，激发创造的灵感，发挥自己的想象能力，一种大胆而有根有据的判断往往也可以突破层层迷团，实现探究的目的。

三、制定实验方案

方案是种思想，是个预设，只有经过多次尝试才能完善；方案是盏街灯，是座灯塔，指引着我们有目的有步骤地完成实验或既定目标。方案设计的好坏，直接关系到实验步骤是否井然有序，关系到实验数据是否真实可靠、是否切实可信，关系到实验结论是否有代表性、是否具有普遍性。伽利略理想斜面实验好就好在实验设计的巧妙，设计的合理，设计的浑然天成。为此：①方案中的仪器应选材合理，便于准备，不能要求过高。在确定实验方案之前，应首先学会正确操作和熟练操作，特别要注意应该注意的事项。②探究过程应尽量清晰，各步骤间衔接流畅，表格设计合理，应尽可能多地确定实验方案，尽可能多地进行实验，并由此比较各个方案的优缺点，确定最佳方案，同时若其中某个实验被确认失败的话，也可以尽快选择其他实验方案。

四、进行实验

根据实验方案，按照说明书正规操作，操作时应注意安全（包括仪器安全和人身安全），实验中要如实记录数据和实验现象等，利用观察、实验或其他方式方法，多渠道多形式地收集实验数据和信息。

尽可能地收集实验数据与信息，目的是尽量减少偶然误差的干扰。收集到的信息越多，越有利于我们做定性分析；数据越多，越有利于我们做定量的计算。当然，为了更好地逼近实验结论，我们除了实验手段外，还可以从多种信息源上采集和获取信息，以弥补实验手段的不足。

五、数据处理

整理完所收集到的数据与信息后，就要对数据进行分析和处理，“应用科学的思维方法，通过分析和归纳，找出规律，尝试根据实验现象和数据处理得出结论，并对实验结果予以解释和描述”，通过对实验数据的处理，能得到哪些反馈呢？

用自己的语言去总结实验结论时，需要注意的是实验结论一般应具有以下特征：①条件相当严格，不能任意扩大或缩小；②实验方法相当完善，当然也有需要进一步完善的地方；③表述简洁而严明，应尽量用严密且准确的科学术语来描述，且具有相当严谨的逻辑。

六、心得体会

通过实验，汲取失败的教训，积累成功的经验。实验后要提交实验报告，报告中要科学地表述自己的探究思路、过程、方法和结论。踢过足球比赛的大都知道“我们在比赛中，既要注重自己的积极突破，又要注重团队的团结合作”的道理，同样在科学探究实验中，自我自主探究与交流协作也一样重要。在合作中注意既要坚持自己的原则，有自己的思考、有自己的观点、有自己的实验方案，也要能够积极听取他人的建议，尊重他人的意见和成果。只有我们亲身亲历科学探究，才能收获一种习惯，养成一种意识，养育一种能力，这对我们今后无论是学业还是事业都是极其重要的。

下面以“探究加速度与质量、力之间的关系”的实验为例，简要探讨如何进行科学探究和书写实验报告。

实验原理及实验方案：牛顿第一定律告诉我们，力并不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因。简而言之，物体运动状态的改变体现在速度的改变上，而速度发生变化就表明物体具有加速度，因此可以说力是使物体产生（或具有）加速度的原因。同是一辆静止的汽车，施加的牵引力越大，至某一速度所需要的时间越短。由此我们不妨假设加速度与力成一次函数a＝kf+b，同时假设b＝0。假设成立与否，还需要用实验探究和验证。同时，物体的质量越大即惯性越大，物体的运动状态就越难以发生改变，即加速度越小，由此我们不妨假设a＝b+1/km，同时假设b＝0。由此，我们现在所要探究的加速度是同时与力、质量有关的，那么又有怎样的关系呢？按照哲学上的观点，物体运动状态的变化情况是由合外力（外因）和质量（内因）共同决定的，合外力和质量两个因素统一于影响物体运动状态的改变过程当中，同时又是矛盾的。合外力促使加速度的产生，质量则维持原有状态不变，阻碍加速度的产生。在物理学中我们研究一个物理量同时与两个或多个物理量（或因素）有关的多元问题的基本方法就是控制变量法，即先保持其他物理量（或因素）不变，逐步分析所求物理量与其中某一物理量的关系，而后总结出这几个量之间的关系。因此，我们可以首先固定质量，探究加速度与力之间的关系；而后固定合外力，探究加速度与质量间的关系；最后总结出加速度与合外力、质量的关系。

如果a＝k1f成立，反映在a-f图线上就应该是条过原点的倾斜的直线；如果a＝k2m成立，反映在a-m图线上就应该是条双曲线，然而真实地判断该图线是否是双曲线是比较复杂的，不过我们可以变换角度，将a与m成反比转化为a与1/m成正比，即反映在a-1/m图线上就是一条过原点的倾斜的直线。但加速度是不易测量的，因此我们需将其转化为位移，而且我们所探求的主要是a与f、m间的关系，从另一个角度也说明无须求解a的实际值。设计实验时使小车做初速度为0的匀加速直线运动，同时将小车放在相同的位置，并同时打开和关闭文件夹使两小车运动的时间相等，由s＝at2/2便可得出a1/a2＝s1/s2。这样就将加速度转化为位移，以后做就好的多了。

教材给出了实验装置，但不甚好。一方面严格的光滑水平木板是没有的，普通实验室中的木板大都相当粗糙，不符合实验要求；另一方面，若往小盘中放砝码，好多同学放置的大都不是比较均匀，然而这样做很容易带来相当大的误差。改进后的实验装置如下图：

实验器材：上部有凹槽的小车两个，一端带有定滑轮的长直木板两个，大型文件夹一个，砝码若干，勾码若干，细线若干，刻度尺一把。

为记录小车的加速度，我们可以采用打点纸带，同时为避免小车与定滑轮的碰撞，可以在小车后拴两条较长的细线，细线的另一端加以固定。本实验方案舍弃砝码盘，而采用勾码，可以保证拉力在一条直线上，增减勾码即改变了小车受到的拉力。在小车上增减砝码的质量，即改变了小车的质量。

为得到近似光滑的长直木板，我们通常采用平衡摩擦力的方法：不加砝码，不系细线，试探着移动垫木，使放置在斜面上的小车近似做匀速直线运动，此时物体受g、n、f三个力的作用而处于平衡，合力为0，得gx＝f，两力的作用效果相互抵消，就相当于f不存在。而当小车受到细线的拉力后，就相当于仅受该