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如何理解探究七要素?
作者:罗国忠    文章来源:中国物理课程网    点击数:    更新时间:2006-12-18


科学探究七要素实际上反映了科学探究过程中要经历的基本环节,这七要素是:提出问题;猜想与假设;制定计划与设计实验;进行实验与收集证据;分析与论证;评估;交流与合作。

●提出问题:要求学生能从日常生活、自然现象或实验现象的观察中发现与物理学有关的问题,并能书面或口头表述这些问题。

案例27:提出问题

学生1发现晾晒衣服或湿地面很快会干,由此他想:衣服上或地板上的水哪里去了?

学生2将冷水浇在盛有热水的烧瓶底部,发现热水又重新沸腾起来。从而提出问题:为什么会出现这一现象?

简评:学生1从平时熟视无睹的生活现象中发现了问题,而学生2通过实验过程中出现的现象提出了问题。

●猜想与假设:首先是尝试根据经验和已有知识对问题的成因提出猜想,这里的猜想不是胡猜乱想,而是应用现有的经验和知识对问题中的事实寻求可能解释的过程,尽管所提出的猜想不一定是最终的科学结论,但对问题成因的猜想仍需要有一定的依据。

案例28:猜想与假设

在研究电阻大小的决定因素时,可采用如下方法促使学生进行猜想与假设:过走廊过道时,什么因素可能影响学生顺利地通过?学生通过讨论,得出结论:过道的长度、宽度、路面是否平坦等主要因素影响顺利地通行。然后,将上面的结论与导体的电阻相类比,把导体比作过道,学生比作自由电子,从而提出猜想与假设:决定电阻的大小的因素可能有导体的长度、导体的横截面、导体的材料等。

简评:这个例子就是根据生活经验进行的猜测。

案例29:猜想与假设

在探究“电磁铁磁性的强弱与什么因素有关”问题时,老师问学生:如果改变通过电磁铁的电流或者改变电磁铁的匝数,它的磁性强弱会改变吗?

学生相互议论:假设通过电磁铁的电流由1A增加到2A,电磁铁的磁性会怎样?是否可以这样推测:导线中的2A电流是两股1A电流汇合而成的,每股电流都产生一个磁场,两个相同磁场合在一起,电磁铁的磁性增强了。

如果电磁铁的电流不变,线圈由100匝增加到200匝,它的磁性又会怎样?是否可以这样推测:200匝线圈是由两组100匝线圈组合而成的,每组线圈都产生一个磁场,两个相同磁场合在一起,电磁铁的磁性增强了。

通过以上推测可以想到:电磁铁的线圈匝数越多,通过的电流越大,电磁铁的磁性将越强。

简评:上面的例子就是根据自己的经验、知识以及所探究问题的科学事实进行推测和假设。

●制定计划与设计实验:在制定探究计划或设计探究实验之前,必须明确探究的目的和已知条件,然后制定计划,设计实验,从操作的角度把探究的猜想和假设具体化、程序化。

案例30:制定计划与设计实验

设计“影响电磁铁的磁性强弱的因素”实验方案时,通过推理得出电磁铁的线圈匝数越多,通过的电流越大,电磁铁的磁性将越强的假设之后,分析出实验需解决的问题有三个:怎样测量磁性强弱,怎样改变和测量电流,怎样改变线圈匝数。然后引导学生来讨论解决这些问题的方法,如:

1. 怎样测量电磁铁磁性的强弱?

1:看它能吸起多少根大头针或小铁钉。

2:看它能吸起多少铁屑(用天平称)。

3:看它对某一铁块的吸引力(用弹簧测力计把被电磁铁吸住的铁块拉开时弹簧计的读数)有多大。

2. 怎样改变和测量通过电磁铁线圈的电流?

4:用滑动变阻器改变线圈中的电流,用电流表测量电流的大小。

5:用增减电池来改变线圈中的电流,用串联小灯泡的亮度来比较电流的大小。

3. 怎样改变电磁铁线圈的匝数?

6:使用中间有抽头、能改变线圈匝数的现成电磁铁产品。

7:临时制作电磁铁线圈,边实验、边绕制。”

简评:实验方案是否可行,要考虑实验是否精确、器材是否普及、操作是否简便等因素,发动学生对这些因素进行具体分析,根据不同的学习条件,可采用346,或者用147以及其它方法组成探究方案。

●进行实验与收集数据:收集实验数据时要先明确收集信息的内容,知道应该记录的数据和现象;收集数据不局限于实验,还可通过互联网、图书馆等公共信息资源,但需要尝试辨别信息的科学性。

案例31:进行实验与收集数据

在研究铁块所受的重力是否与其温度有关时,将铁块吊在弹簧秤下,并记录这时弹簧秤的读数;用酒精灯给铁块加热一段时间,记录这时弹簧秤的示数;继续加热一段时间,记录弹簧秤的示数;分析实验数据,找出其中的关系。

简评:在这个实验中,铁块的温度是无法直接用温度计直接测量的,因此将这块铁块的温度转转成加热时间的长短,对实验研究并不妨碍。

 

案例32:实验数据能改动吗?

在做测定小灯泡电功率的实验时,老师发现有个学生的实验数据记录如下表:

实验次数

电压(U

电流(A

电功率(W

1

6.0

2.0

12.0

2

4.8

1.2

5.76

3

4.0

0.8

3.2

 

 

 

 

 

 

 

粗看起来这个实验记录符合电功率随电压的变化的规律:电压减少,电功率也减少。可是只要根据欧姆定律R=U/I计算,不难得出三次的电阻依次是3.0欧、 4.0欧、 5.0欧。这个结果与功率减少时,灯丝温度降低、电阻减少这一事实是相违背的。因此,这个记录的结果是不合理的,存在着较大的误差。

老师认为:这看起来是件小事,但是传达了该学生这样的价值观“实验数据是可以改动的,为了达到某个目的可以修改客观的数据。”王教师根据这个机会,教育学生要尊重客观事实,认识到测量就是有误差的,要尽量减少误差。并且教会该生学会减少误差两种方法:一是尽可能认真、仔细地观察;二是多次测量,取平均值。

简评:能否实事求是地收集数据,反映了科学态度问题。

●分析与论证:要求学生认识到,不能带着对实验结果的预期来影响对实验数据的描述,而要对收集的信息进行简单的比较,在对信息分析比较的基础上,进行简单的因果推理。

案例33:分析与论证

在研究蒸发快慢的因素时,通过大量的实验,学生发现了如下的一些证据:湿衣服放在阳光下干得快,粮食摊晾在阳光下,炒菜前将锅放在火上可使锅中的水很快变干,用电吹风很快将头发吹干……

引导学生分析上述证据的共性:温度升高。学生进一步得出结论:液体温度越高,蒸发得就越快。

●评估:有评估探究过程的意识,即对探究的行为和所收集信息的科学性、可靠性有进行评估的愿望,能注意假设与探究结果间的差异,并注意探究过程中未解决的矛盾,发现新的问题。

案例34:评估

探究了蒸发快慢的有关因素后,让学生讨论、回顾刚才的探究:

1)是否真正控制了变量?有那些干扰因素?如扇扇子的同时也使液面变大等。

2)通过分析这些干扰因素,你认为刚才的结论还是合理的吗?

3)面对上述的干扰因素,你如何去改进实验方法?

●交流与合作:首先要求学生具有准确表述的意识,学生在探究过程中所获取的信息并不完全相同,对信息的处理、分析和解释也会有所不同,这就要求学生明确表述自己的观点。在合作中既坚持原则有尊重他人,既能独立思考又能注意倾听别人的意见,取长补短完善自己的理解。

案例35:交流与合作

观察水的沸腾时,学生的观察结果可能不同,有10IºC100ºC99ºC98ºC等,学生既不能轻易放弃自己的结果,也要讨论结果不同的原因:究竟是温度计、读数不准,还是操作有问题等,通过交流讨论,得出结论。

 简评:以上所介绍的科学探究七要素是一般要求,在实际科学探究活动时,并不一定严格按上面的排列顺序进行,也不一定经历全部的环节,探究的环节可以是其中的某几个甚至一个,根据需要也可增加环节。另外,课程标准提倡探究教学,并不意味着探究教学是唯一的教学方式,由于探究过程一般需要较长时间,教师可选择部分教学内容采用探究教学。

案例36 研究成像的基本环节

教学环节

教学内容

教师活动

学生活动

1.  用透镜观察课本上的字,观察大屏幕等。

2.  学生回答看到的现象。

3.  在教师引导下,讨论凸透镜的作用。

4.  结论,凸透镜能成放大或缩小的像。

引导

 

板书

实验并观察

集体讨论

总结得出结论

 

 

 

 

一、            提出问题

1.  根据观察到的现象,你想知道那些问题?

2.  学生经过讨论提出各个不同问题

3.  提炼学生提出的问题中的知识点,确定本节探究的题目:像的大小、正倒跟物距间的关系

二、            猜想与假设

1.  学生分组讨论:物体到凸透镜的距离与像的大小、倒正的具体关系。

2.  教师板书学生猜想的各种可能:物体离透镜越远,成的像越------;物体离透镜越近成的象越--------

三、            设计实验

1.  学生利用学具盒中的器材自己设计实验。

2.  设计自己的实验数据表。

四、            实验探究

1.  学生用自己组装的仪器进行实验,使蜡烛在光具座上某一位置,调节光屏至出现清晰的像,观察像的大小、倒正,并记入表格;改变蜡烛位置,重复上面的观察并记录。

2.  分析数据,交流讨论物距和焦距的关系,得出成放大、倒立像的条件和缩小、倒立像的条件。(如果学生实验数据出现错误,教师可与学生一起讨论原因)

五、            得出结论,物距大于两倍焦距时,成倒立、缩小的像;物距大于一倍焦距小于两倍焦距时,成倒立、放大的像。

提问

 

指导并板书各个问题

 

 

 

组织

 

 

 

 

展示部分表格

 

 

 

必要的指导

 

 

 

引导讨论

 

展示各组的结论

 

分组讨论

 

 

 

 

 

讨论

 

 

猜想

 

参考其他同学的实验设计,决定是否改进自己的实验

实验并记录数据

 

 

 

交流讨论

应用

五、应用

哪些仪器需要缩小的像,怎样使用透镜;哪些仪器需要放大的像。

展示各种应用

思考并回答

小结

通过这节课你知道了什么

总结评价

总结

简评:上面的设计没有完全按科学探究的七要素进行,而是将分析与论证、评估、交流与合作三个环节合成为一个环节,在课堂教学中教师可以根据情况,灵活应用。

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