Question

如何培养学生科学探究能力

Answer 1

未知是神秘的，未知令人渴望找到答案，探究未知的过程就是追寻美丽梦想的过程，科学家和我们一样，每天都会遇到各种各样的问题，当科学家遇到问题时，他们会试图通过尽可能多的途径去寻找问题的答案和解决问题的方法。其中，有些方法是独特的，不合常规的，有人曾经问爱因斯坦，他的方法和常人有什么不同，爱因斯坦的回答是：“如果你叫常人在干草堆找一根针，他找到一根针就会停下来，而我会翻遍干草堆，找到所有的针。”科学家总是有一种孩童的目光和好奇的心情，一种直觉，超人的毅志，不断地探索未知的世界。学生在科学探究活动中，通过经历与科学工作者进行科学探究时的相似过程，学习科学家的科学探究方法，领悟科学的思想和精神。
科学探究过程包括以下要素：1、提出问题2、猜想与假设3、制定计划和设计实验4、进行实验与收集证据5、分析写论证6、评估7、交流与合作
一、观察、思考并提出问题
科学家对周围的现象和事物都十分留意，一切大的或小的，常见或不常见，他们平时像侦探一样，为了揭示大自然的神秘，仔细观察思考周围的事物，他们不仅是观察，更重要的是以"怀疑"的眼光审视所观察的事物。例如：牛顿思索树上熟透的苹果为何落地？从中得到启发，发现万有引力定律。法拉第通过奥斯特发现电流磁效应反向思考通过磁能否获得电呢？从1821年到1831年，法拉第克服了常人无法克服的困难，花了十年的心血发现了电磁感应现象，建立了电磁感应定律。德国科学家伦琴在1895年在暗室作气体放电实验时，用黑纸把真空放电管密包起来偶然发现：距离真空不远的涂有铂氰酸钡荧光屏上发出微弱的荧光。这一奇特现象，引起伦琴的极大兴趣，他立即进行仔细观察与思考：这种荧火从何而来？是什么物质？偶然现象背后有何必然？为此，他才用未知数X加以命名即X射线。
因此平时鼓励学生从日常生活、学习中、自然现象、实验现象观察中发现与物理学有关问题，如：剪一薄纸条（长约30cm，宽约为5cm），放在嘴边，将纸条一端放在下嘴唇的下方，用嘴沿水平方向吹气，注意观察，发现原来自然下垂的纸条竟然飘然而上，达到接近水平位置并随气流抖动。平放在桌面上的两叠书之间相距7~8cm，书上放一张薄纸，如果你朝两叠书之间用力吹气，随着气流从纸面下方急速流过，你会发现薄纸不仅不会随气流飘起，反而会常常凹陷下来，上述"反常"的现象表明，流体流速大小对流体压强有怎样的影响？要把发现问题演变为一个科学问题需要对现象进行进一步思维加工，信息整合，形成一个与物理学有关科学问题，发现问题和提出问题是科学探究前提，问题是各个探究环节的核心。发现问题和探究问题是极具有创造性过程，这一过程需要通过学生自己体验，体验成功者的喜悦。
二、猜想与假设
为什么科学探究需要假设？因为科学家不可能等待所有资料都收集齐后再去发现，他们必须尽早地提出去指导他们下一步的工作，以加速发现的过程，正如一个在陌生的大地上探险的人，不是等待有关土地的信息都收集齐全后再迈步，而是先猜测某一条路可能会达到目的，然后边走，边观察，边打听逐步调整自己方向和道路，直至达到预定目标。
猜想与假设就是尝试将已有的科学知识与问题相联系，从而对探究的方向和可能出现的实验结果进行推测和假设。
例如一个物体浸在液体中受到浮力可能：①与物体密度有关；②与液体的密度有关；③与物体形状有关；④与浸入的深度有关；⑤与排开液体体积有关？猜想不是胡猜乱想，猜想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全过程。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，这依据就是：一是已有的经验和知识；二是科学事实。
同时，对探究的方向和可能出现实验结果进行推测和假设，如：“探究滑动摩擦力大小与哪些因素有关”问题时，同学们会猜想可能与物体质量、物体重力、物体对斜面压力，接触面粗糙程度，接触面面积大小有关，和猜想一样，推测和假设的结论是探究者自己的经验，知识以及所探究问题的科学事实。推测和假设的结论必须是可检验的，检验结果有两种可能：一是支持假设，即证实；二是否定假设，即证伪。一个无法检验的陈述是没有探究价值的，因而也就不是一个科学假设。猜想与假设在科学探究中的重要作用首先在于它是科学结论的先导，如果猜想与假设一旦能得到实验结果的支持，它就可能发展为科学理论。因此猜想与假设能帮助探究者明确探究内容和方向，指导探究沿着预定目标展开，避免探究的盲目性，而且对解决问题作了一定预见性思考，为收集信息，分析和处理信息提供了一个框架。为制定探究计划，设计实验方案奠定了必要基础。
要使学生获得对猜想与假设的正确认识，应该使学生经历猜想与假设的过程，并据此制定探究计划或设计实验，完成探究活动，使学生体会猜想与假设是科学结论的先导，体验猜想与假设在整个探究活动中所起的引导性作用。
三、制定计划和设计实验
科学探究不能盲目进行，应该选择取得证据的途径和方法，决定收集证据的范围与要求，以及所需要的材料、仪器和技术等，并拟定相应的计划，在制定探究计划或设计实验之前，必须明确探究的目的和已知条件，制定计划和设计实验，就是从操作角度地探究猜想与假设具体化、程序化。
如：设计电流通过导体产生热量与哪些因素有关实验中，通过思考推理得出电流通过导体产生的热量可能与电压、电流、电阻、通电时间有关系，得到这样假设后，分析出实验需解决问题（控制度量法）：①如何知道电流通过导体产生热量多少；②如何改变电压、电流、电阻、通电时间。这时可以发动学生讨论并解决问题的方法，尝试使用观察、实验、资料查询、调查访问等方法进行科学探究，在选择实验器材时，应提倡选用日常生活中常见的器具进行实验。尝试考虑影响问题主要因素，有控制变量法的初步意识。如研究影响动能大小因素时，可以分别控制速度一定及质量一定，具体得出动能与质量及速度之间关系。因此探究计划使探究步骤更加有序，探究过程更加科学如果没有实验方案，则科学探究操作就失去了根据。
四、进行实验与收集数据
科学家不只是提出问题，还会努力找出问题的答案，他们会借助查阅资料，观察和实验等方法来收集有关信息及证据。实验目的是为了检验假设是否成立，检验结果可能被证实，如果最初的假设遭到否定则须修订或做出新的假设，然后继续检验，直至新的假设通过所有实验验证为目。
能通过观察和实验收集数据。如丹麦奥斯特在一次做报告偶尔捕捉到通电导线周围的小磁针发生了偏转，最终成为世上第一个揭示电和磁有联系的人。能通过公共信息资源收集资料。尝试评估有关信息科学性。会阅读简单仪器说明书，能按书面说明操作。会使用简单的实验仪器，能正确的记录实验数据。具有安全操作意识。科学事实是检验科学结论的唯一标准，证据是进行科学分析的根据，如不进行实验，不收集科学数据，实验探究将无法地进行下去，所探究问题的结论也就不可能形成。
五、分析与论证
科学家会对所收集到的有关信息及证据进行分析，并和猜想与假设进行比较，力图得出符合证据的解释，并注意与预想结果不一致现象，他们还会设法收集更多证据支持，能初步描写实验数据或有关信息，实验数据描述需客观、真实准确，能对收集信息进行简单比较。
例如晶体、非晶体熔化前后温度的变化情况，液体沸腾前后温度变化情况进一步分析、归纳、概括，就有可能得出科学结论，能进行简单因果推理，能通过物理现象和实验中归纳科学规律。例如：凸透镜成像规律、串并联电路电阻关系，影响压力作用效果因素，杠杆的平衡条件等，要归纳科学规律，要关注物理条件改变与物理现象变化之间的联系，同时能对探究结果进行描述和解释。实验数据并不等于探究结论，实验数据是对实验事实的客观记录，探究结论是在数据基础上通过分析论证所得出具有普遍意义的规律。六、评估在探究过程中，科学家还需不断地对自己所做的各项工作进行评估。例如：所提出问题是否新的，有价值的，可以探究的问题所做出假设是否有根据？所设计的实验方案是否合理可行？所收集的信息和证据是否真实可靠？对证据分析解释是否合乎逻辑……这种评估贯穿于探究过程始未。
在评估过程中首先应具有评估探究过程和探究结果的意识，能注意假设与探究结果间差异，能注重探究过程中未解决的矛盾，发现新的问题，尝试改进探究方案，同时也应具有从评估中吸取经验教训的意识，通过评估能优化探究方案，可能引出新的发现，有利使学生养成严谨的科学态度，评估是对探究反思过程，评估有利于发展学生的批判性思维。
七、交流与合作
科学家很乐意地将自己的研究成果公布于众，并与同行们交流，他们认为：这种交流是智慧的交换，对得出正确的结论是十分有益的，在交流过程中，他们很注意倾听和尊重他人提出的不同观点和评议，即坚持原则，也勇于放弃或修正自己的观点，牛顿认为：他所以能看得这一些，是因为站在巨人的肩上。许多人都熟知这个典故，但是却忘了问怎样才能找到巨人肩膀，并为"巨人"所接纳。居里夫人将自己在艰苦条件付出巨大辛苦发现镭的过程毫无保留公布于世，被世人所称道。
通过交流与合作能写出简单的探究报告：包括探究问题、探究过程和探究结论，有准确表述自己观点的意识，在交流与合作中既坚持原则又尊重他人，能思考别人意见，改进自己探究方案，合作精神应贯穿在科学探究各个环节中，在科学探究过程中既有分工又有合作，讲究团队精神，运用集体智慧来完成探究过程。