例談科學探究實驗與實驗報告
例談科學探究實驗與實驗報告 山東菏澤曹縣第二中學 陳燾
摘要：科學探究實驗是新課程著重介紹的知識點，同時又是當前基礎教育課程改革的熱點、亮點和難點。本文對科學探究的六大要素逐一加以解釋，并以實例說明如何做好科學探究實驗及如何做實驗報告。
關鍵詞：科學探究 科學探究實驗 實驗報告 提出問題 猜想和假設 實驗方案 數據處理 作為當前基礎教育課程改革的熱點、亮點和難點，《普通高中物理課程標準》對科學探究提出了明確要求，并指出：“高中物理課程應促進學生自主學習，讓學生積極參與、樂于探究、勇于實驗、勤于思考。通過多樣化的教學方式，幫助學生學習物理知識與技能，培養其科學探究能力，使其逐步形成科學態度與科學精神。”一般來講，我們進行科學探究都要遵循以下步驟或流程：
一、提出問題 “現代科學之父”愛因斯坦曾指出：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決一個問題也許僅僅是一個數學上的或實驗上的技能而已，而提出新的問題，新的可能性，從新的角度去看舊的問題，卻需要有創造性的想象力，而且標志著科學的進步”。 問題是創造的先導，是思維的起點，具有問題意識是一個人有所創新的前提與基礎，是否具有問題意識，能否提出有價值的問題，是因循守舊之人與開拓創新之人的分水嶺。 我們提出的問題首先應該是科學的，不能反科學或偽科學，而且還必須是有價值的、有意義的、可以探究的、值得探究的。依據學生現有的知識，我們所能提出的問題應根源于生活，但又高于生活，卻不能脫離生活和實際經驗，提出的問題應在其力所能及范圍之內，即有能力應用已有的物理知識，加上部分未知的物理知識，利用科學的方法與思想，或獨立或協作地予以解決。 提出問題后我們還必須明確問題，明確問題是為提出假設或大膽猜想奠定基礎。從物理學的角度較為明確地闡述該問題。 二、猜想和假設 讓學生做假設和猜想，就是根據已有的物理知識和實驗經驗，對解決問題的方式和問題的答案提出猜想與假設，對實驗結果進行預測。 愛因斯坦說過：“想象比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力卻概括世上的一切，推動著科技的進步，并且是知識進化的源泉，嚴格地講，想象力是科學研究中的實在因素。”郅庭瑾先生認為，高中生業已具備以理論型為主的抽象邏輯思維能力，具體體現在：①學生可以通過假設進行思維。按照提出問題、明確問題、提出假設、驗證假設的途徑，經過一系列的抽象邏輯過程，達到目的。②學生思維業已具備預設性，在解決問題之前，學生已采取了一定的方式和手段。③學生思維已漸進形式化。中學生開始逐步地由具體運算思維占優勢發展為形式思維占優勢，不僅能夠進行從特殊到一般的歸納，而且能進行從一般到特殊的演繹。高中生在他們的實踐與學習中，已能夠完成從具體上升到理論，再由理論指導去獲得具體知識的完整過程。④高中生思維活動中自我意識或監控能力的明顯化。⑤學生思維能跳出舊框框，創造性思維已獲得迅速發展，開始追求新穎、獨特的東西，形成了自己對事物的獨特見解。為此，教師要鼓勵學生們大膽猜想，只有想象，才能盡可能多地突破舊有知識的羈索，打破時空的限制，對自己提出的問題盡可能地全方位思考。合理的或大膽的猜想往往閃爍著智慧的火花，無意中的直覺往往可以打開解決問題的大門，激發創造的靈感，發揮自己的想象能力，一種大膽而有根有據的判斷往往也可以突破層層迷團，實現探究的目的。 三、制定實驗方案 方案是種思想，是個預設，只有經過多次嘗試才能完善；方案是盞街燈，是座燈塔，指引著我們有目的有步驟地完成實驗或既定目標。方案設計的好壞，直接關系到實驗步驟是否井然有序，關系到實驗數據是否真實可靠、是否切實可信，關系到實驗結論是否有代表性、是否具有普遍性。伽利略理想斜面實驗好就好在實驗設計的巧妙，設計的合理，設計的渾然天成。為此：①方案中的儀器應選材合理，便于準備，不能要求過高。在確定實驗方案之前，應首先學會正確操作和熟練操作，特別要注意應該注意的事項。②探究過程應盡量清晰，各步驟間銜接流暢，表格設計合理，應盡可能多地確定實驗方案，盡可能多地進行實驗，并由此比較各個方案的優缺點，確定最佳方案，同時若其中某個實驗被確認失敗的話，也可以盡快選擇其他實驗方案。 四、進行實驗 根據實驗方案，按照說明書正規操作，操作時應注意安全（包括儀器安全和人身安全），實驗中要如實記錄數據和實驗現象等，利用觀察、實驗或其他方式方法，多渠道多形式地收集實驗數據和信息。 盡可能地收集實驗數據與信息，目的是盡量減少偶然誤差的干擾。收集到的信息越多，越有利于我們做定性分析；數據越多，越有利于我們做定量的計算。當然，為了更好地逼近實驗結論，我們除了實驗手段外，還可以從多種信息源上采集和獲取信息，以彌補實驗手段的不足。 五、數據處理 整理完所收集到的數據與信息后，就要對數據進行分析和處理，“應用科學的思維方法，通過分析和歸納，找出規律，嘗試根據實驗現象和數據處理得出結論，并對實驗結果予以解釋和描述”，通過對實驗數據的處理，能得到哪些反饋呢？ 用自己的語言去總結實驗結論時，需要注意的是實驗結論一般應具有以下特征：①條件相當嚴格，不能任意擴大或縮小；②實驗方法相當完善，當然也有需要進一步完善的地方；③表述簡潔而嚴明，應盡量用嚴密且準確的科學術語來描述，且具有相當嚴謹的邏輯。 六、心得體會 通過實驗，汲取失敗的教訓，積累成功的經驗。實驗后要提交實驗報告，報告中要科學地表述自己的探究思路、過程、方法和結論。踢過足球比賽的大都知道“我們在比賽中，既要注重自己的積極突破，又要注重團隊的團結合作”的道理，同樣在科學探究實驗中，自我自主探究與交流協作也一樣重要。在合作中注意既要堅持自己的原則，有自己的思考、有自己的觀點、有自己的實驗方案，也要能夠積極聽取他人的建議，尊重他人的意見和成果。只有我們親身親歷科學探究，才能收獲一種習慣，養成一種意識，養育一種能力，這對我們今后無論是學業還是事業都是極其重要的。 下面以“探究加速度與質量、力之間的關系”的實驗為例，簡要探討如何進行科學探究和書寫實驗報告。 實驗原理及實驗方案：牛頓第一定律告訴我們，力并不是維持物體運動狀態的原因，而是改變物體運動狀態的原因。簡而言之，物體運動狀態的改變體現在速度的改變上，而速度發生變化就表明物體具有加速度，因此可以說力是使物體產生（或具有）加速度的原因。同是一輛靜止的汽車，施加的牽引力越大，至某一速度所需要的時間越短。由此我們不妨假設加速度與力成一次函數a＝kF+b，同時假設b＝0。假設成立與否，還需要用實驗探究和驗證。同時，物體的質量越大即慣性越大，物體的運動狀態就越難以發生改變，即加速度越小，由此我們不妨假設a＝b+1/km，同時假設b＝0。由此，我們現在所要探究的加速度是同時與力、質量有關的，那么又有怎樣的關系呢？按照哲學上的觀點，物體運動狀態的變化情況是由合外力（外因）和質量（內因）共同決定的，合外力和質量兩個因素統一于影響物體運動狀態的改變過程當中，同時又是矛盾的。合外力促使加速度的產生，質量則維持原有狀態不變，阻礙加速度的產生。在物理學中我們研究一個物理量同時與兩個或多個物理量（或因素）有關的多元問題的基本方法就是控制變量法，即先保持其他物理量（或因素）不變，逐步分析所求物理量與其中某一物理量的關系，而后總結出這幾個量之間的關系。因此，我們可以首先固定質量，探究加速度與力之間的關系；而后固定合外力，探究加速度與質量間的關系；最后總結出加速度與合外力、質量的關系。 如果a＝k1F成立，反映在a-F圖線上就應該是條過原點的傾斜的直線；如果a＝k2m成立，反映在a-m圖線上就應該是條雙曲線，然而真實地判斷該圖線是否是雙曲線是比較復雜的，不過我們可以變換角度，將a與m成反比轉化為a與1/m成正比，即反映在a-1/m圖線上就是一條過原點的傾斜的直線。但加速度是不易測量的，因此我們需將其轉化為位移，而且我們所探求的主要是a與F、m間的關系，從另一個角度也說明無須求解a的實際值。設計實驗時使小車做初速度為0的勻加速直線運動，同時將小車放在相同的位置，并同時打開和關閉文件夾使兩小車運動的時間相等，由s＝at2/2便可得出a1/a2＝s1/s2。這樣就將加速度轉化為位移，以后做就好的多了。 教材給出了實驗裝置，但不甚好。一方面嚴格的光滑水平木板是沒有的，普通實驗室中的木板大都相當粗糙，不符合實驗要求；另一方面，若往小盤中放砝碼，好多同學放置的大都不是比較均勻，然而這樣做很容易帶來相當大的誤差。改進后的實驗裝置如下圖： 實驗器材：上部有凹槽的小車兩個，一端帶有定滑輪的長直木板兩個，大型文件夾一個，砝碼若干，勾碼若干，細線若干，刻度尺一把。 為記錄小車的加速度，我們可以采用打點紙帶，同時為避免小車與定滑輪的碰撞，可以在小車后拴兩條較長的細線，細線的另一端加以固定。本實驗方案舍棄砝碼盤，而采用勾碼，可以保證拉力在一條直線上，增減勾碼即改變了小車受到的拉力。在小車上增減砝碼的質量，即改變了小車的質量。 為得到近似光滑的長直木板，我們通常采用平衡摩擦力的方法：不加砝碼，不系細線，試探著移動墊木，使放置在斜面上的小車近似做勻速直線運動，此時物體受G、N、f三個力的作用而處于平衡，合力為0，得Gx＝f，兩力的作用效果相互抵消，就相當于f不存在。而當小車受到細線的拉力后，就相當于僅受該拉力的作用。我們判斷小車是否近似做勻速直線運動時，可以在長直木板有刻度尺的一側，選擇相距較遠的相等的兩段位移，輕推使小車使其具有某一速度，若發生兩段位移所需時間大致相等，就表明小車近似做勻速直線運動。
實驗步驟： 1．平衡摩擦力。 2．按照實驗將各器材有機組合起來，并檢驗是否正確。 3．保證兩小車所掛勾碼的質量不變（勾碼質量均為40．0g），按照表格中的數據依次改變小車上砝碼的質量，即保證小車所受合外力不變而改變小車的質量，開啟文件夾，兩小車同時運動，后關閉文件夾，兩小車同時停止運動。測量兩小車各自發生的位移，并記錄到表格中。 4．保證兩小車所置砝碼的質量相等（兩小車的質量均為200g+100g（砝碼）），按照表格中的數據依次改變小車所掛勾碼的質量，即保證小車質量不變而改變小車所受合外力，開啟文件夾，兩小車同時運動，后關閉文件夾，兩小車同時停止運動。測量兩小車各自發生的位移，并記錄到表格中。 5．拆除實驗裝置。
實驗數據：
小車1
小車2
勾碼質量m1/g
位移x1/cm
勾碼質量m2/g
位移x2/cm
20.0
16.0
30.0
25.0
20.0
15.5
40.0
37.0
20.0
13.0
50.0
42.0
20.0
12.0
60.0
18.0
20.0
10.0
70.0
53.0
小車1
小車2
小車質量m1/g
位移x1/cm
小車質量m2/g
位 移x2/cm
200g+100g
46.0
200g+100g
61.5
200g+100g
51.5
200g+200g
39.5
200g+100g
60.0
200g+300g
34.0
200g+100g
59.8
200g+400g
27.0
200g+100g
52.6
200g+500g
19.2
實驗數據處理：圖像的坐標軸，橫軸是兩車拉力之比F1/F2 ，縱軸是兩車位移比s1/s2，如果a1/a2＝s1/s2，則F1/F2＝s1/s2，描繪a-F圖像。圖像的坐標軸，橫軸用兩車拉力之比m1/m2，縱軸用兩車位移比s1/s2，如果a1/a2＝m2/m1，則m2/m1＝s1/s2，描繪a-1/m圖像。s1/s2＝k1F1/F2， a1/a2＝k1F1/F2，s1/s2＝k2m2/m1，a1/a2＝k2m2/m1，以上數據及數據處理結果表明我們的假設是成立的。a＝k1F（M一定），a＝k2/m（F一定）。所以a＝k3·k1F·k2/m＝k1k2k3F/m＝kF/m （k＝k1k2k3），此式的物理含義：加速度與合外力F成正比，與質量m成反比。
實驗結論：物體具有的加速度與作用在物體上的合外力成正比，與自身的質量成反比。
實驗探究報告格式示例：（不要求格式完全一致）
實驗探究報告
題目：探究加速度與合外力、質量間的關系
作者：
合作者：
時間：
實驗目的
探究加速度a與合外力F、質量m間的關系
實驗原理
探究方案
數據記錄
數據處理
實驗結論
心得體會
參考文獻：
[1]李尚仁主編．高中物理課程標準教師讀本[M]．華中師范大學出版社．2003．
[2]郅庭瑾．教會學生思維[M]．教育科學出版社．2002．P55．
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