物理课程中的科学探究.ppt

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1、第五讲 物理课程中的科学探究,科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式之一。全日制义务教育物理课程标准,作为探究的知识是科学教育的根本，是最终组织和选择确定学生科学活动的支配原则。美国国家科学教育标准,导读,阐述科学探究的概念和本质,科学探究过程和相关的技能,介绍几种典型的科学探究评价方式方法,介绍几个有代表性的科学探究的事例,1,2,3,4,目 录,1.科学探究的本质2.科学探究的过程3.课程标准中的科学探究4.科学探究的事例5.科学探究的评价6.科学探究在我国,1.科学探究的本质,1.1 科学探究的概念,科学探究指的是科学家们用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不

2、同途径。指的是学生们用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。学生的科学探究是“对探究的探究”，是对科学家探究工作的“简约复演”。,1.2 科学探究的本质,科学探索需要想象和创造，但严格的逻辑性和实验证据迟早会取而代之；不存在所有科学家都遵循的固定的研究步骤，但通常包括搜集证据、逻辑推理和想象、提出假设、解释和判断；同样的观察会有不同解释，但科学家会进行更多的观察来解释这种差异；,对观察结果的期望会影响观察结果，但对同一问题的不同研究可以避免这种干扰；科学具有预测性:科学研究有不同的传统，但科学家对证据、逻辑和好理论的意义却有着共同的信念。,科学探究是

3、一种认知活动，要经历一定的活动程序或阶段,科学探究的对象是自然界，是对自然现象或问题的一种调查和研究,科学探究中要运用一系列的科学方法来寻求对于自然问题的答案，获得对于自然世界的理解,1.3 科学探究的基本特征,以问题为核心的，具有问题性特征一种主动建构的活动，具有建构性特征一种思维的过程，具有思维性特征重视交流与合作，具有合作性特征,1.4 科学探究的功能,理解科学概念对于我们是如何知道我们所知道的科学事实这一过程有惊羡之感理解科学本质掌握对自然界进行独立探究的必要技能形成运用技能、能力和秉持科学态度的习惯,学生参与科学探究就能够在掌握科学知识、科学技能、科学方法，体验科学的过程，领悟科学本

4、质、科学态度等方面得到发展，科学探究可以涉及到科学素养的方方面面，是提高学生科学素养的有力武器。,2.科学探究的过程,2.1 波普尔的科学发展模式,P1TTEEP2,2.2 杜威思维“五步法”,感觉到的困难；困难的所在和定义；对可能的解决办法的设想；运用推理对设想的意义所作的发挥；进一步的观察和试验，它引导到肯定或否定，就是说得出是可信还是不可信的结论。,2.3 我国物理课程标准中的过程,提出问题猜想和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,3.课程标准中的科学探究,3.1 初中,提出问题,能从日常生活、自然现象或实验观察中发现与物理学有关的问题。能书面或口头表述这些

5、问题。认识发现问题和提出问题对科学探究的意义。,猜想与假设,尝试根据经验和已有知识对问题的成因提出猜想。对探究的方向和可能出现的实验结果进行推测与假设。认识猜想与假设在科学探究中的重要性。,制定计划与设计实验,明确探究目的和已有条件，经历制定计划与设计实验的过程。尝试选择科学探究的方法及所需要的器材。尝试考虑影响问题的主要因素，有控制变量的初步意识。认识制定计划与设计实验在科学探究中的作用。,进行实验与收集证据,能通过公共信息资源收集资料。尝试评估有关信息的科学性。会阅读简单仪器的说明书，能按书面说明操作。会使用简单的实验仪器，能正确记录实验数据。具有安全操作的意识。认识进行实验与收集数据对科

6、学探究的重要性。,分析与论证,能初步描述实验数据或有关信息。能对收集的信息进行简单的比较。能进行简单的因果推理。经历从物理现象和实验中归纳科学规律的过程。尝试对探究结果进行描述和解释。认识分析论证在科学探究中是必不可少的。,评 估,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的差异。能注意探究活动中未解决的矛盾，发现新的问题。尝试改进探究方案。有从评估中吸取经验教训的意识。认识评估对科学探究的意义。,交流与合作,能写出简单的探究报告。有准确表达自己观点的意识。在合作中注意既坚持原则又尊重他人。能思考别人的意见，改进自己的探究方案。有团队精神。认识科学探究中必须有合作精神。,3.1.3

7、 科学探究实例,通过实验探究物态变化过程。观察并探究电冰箱中的物态变化。通过观察，探究自然界中的霜、雪、雨、露等天气现象。通过实验，探究几种金属和塑料的弹性、硬度。通过实验，探究物质的导电性，讨论是否任何物体都具有导电性。自己设计实验方案，探究分子间的引力和斥力。实验探究磁铁可以改变钢球运动的方向。,通过实验探究，理解物体的惯性。能表述牛顿第一定律。通过实验探究，学会使用简单机械改变力的大小和方向。通过实验探究，学习压强的概念。通过实验探究，认识浮力。经历探究浮力大小的过程。通过实验探究，初步了解流体的压强与流速的关系。用弹簧或橡皮筋制作简易测力计，探究弹簧的弹力与橡皮筋伸长量的关系。,通过实

8、验探究，初步认识声产生和传播的条件。通过实验，探究光在同种均匀介质中的传播特点。探究并了解光的反射和折射的规律。通过实验，探究平面镜成像时像与物的关系。探究并知道凸透镜成像的规律。通过实验，探究通电螺线管外部磁场的方向。探究直流电动机换向器的原理。（示例）,31,通过实验，探究导体在磁场中运动时产生感应电流的条件。通过实验探究电流、电压和电阻的关系。通过实验探究，知道在电流一定时，导体消耗的电功率与导体的电阻成正比。通过实验，探究影响金属导体电阻的因素。,3.2 高中,3.2.1 内容标准中的科学探究,通过实验，探究加速度与物体质量、物体受力的关系。通过实验，探究恒力做功与物体动能变化的关系。

9、通过实验，探究决定导线电阻的因素，知道电阻定律。通过探究，理解楞次定律。通过实验，探究变压器电压与匝数的关系。通过实验，探究单摆的周期与摆长的关系。探究物体弹性碰撞的一些特点。,3.2.2 科学探究实例,3.2.3 教学建议中的科学探究,3.科学探究的技能,3.1 SAPA,观察空间/时间关系的使用数字的使用测量分类传达预测推论,下操作性定义控制变量数据解释提出假说实验,3.2 香港初中科学科,仔细观察分类量度仪器操作传意技能,推论预测提出假设解释数据控制变量,3.3 新的研究成果,马丁（D.J.Martin）,观察分类交流测量预测推断,识别与控制变量形成与验证假设解释数据界定变量的操作定义实

10、验建立模型,Karen L.Ostlund,观察交流估计测量搜集数据分类推断预测制作模型,解释数据制作图表形成假设控制变量下可操作性定义探究,4.科学探究的事例,4.1 探究教学课例,任务1：猜想滑动摩擦力的大小可能跟哪些因素有关？学生分组讨论后，小组代表陈述。依据学生回答情况，追问猜想依据，作出适当评价。提问：影响滑动摩擦力大小的因素不止一个，我们应该用什么方法研究？学生回答：控制变量法.,探究滑动摩擦力,任务2：设计、评估实验方案。利用桌子上的器材，设计你认为准确测量木块滑动摩擦力大小的实验方案？（这是本课设计的关键点）。问题交流：对各个实验方案，优、缺点尝或操作时遇到什么困难进行质疑、讨

11、论。用动画模拟学生代表陈述的设计方案，其他学生观察进行评估、补充，教师充当合作者的角色参与讨论。,小灯泡伏安特性的研究,问题与猜想：定值电阻的伏安特性曲线有什么特点？“4V，0.7A”小灯泡的伏安特性曲线可能是什么样的曲线？试画出来。设计实验：为验证猜想，你们打算怎样描绘小灯泡的伏安特性曲线？画出电路图。说明所用的实验器材，设计所需记录数据的表格。,进行实验，记录和处理数据：连接好电路，进行实验，把测量数据填入表格，并在坐标纸上描绘出实验图线。分析、论证和评估：描述实验得到的曲线的特征；实验的结果和你们的猜想一致吗？试定性的解释实验图线的特点。,4.2 科学探究活动案例,钟摆的摆动时间,情节样

12、本 当Dana和Frank参观他们祖父的钟表店，他们注意到所有的钟都是不同的。有些钟有重的摆锤，有些是轻的摆锤，有的摆锤长，有的短，有些摆锤摆动得很快，而有的则比较慢。Dana和Frank的祖父告诉他们，虽然他们有这么多的差异，但是所有的钟都是准时的。,实验室问题,1提出能够改变钟摆摆动时间的某些因素。他们提出：摆锤的质量、摆动的幅度、摆锤的长度。2使用词语“影响”affect或者“效果”effect来改述Dana和Frank的问题。问一件事如何受另一件事影响，或者如何是另一种事的效果。模板：钟摆摆锤的质量、摆动的幅度和摆锤的长度是如何影响钟表的周期的？3被测试的自变量是什么？模板：质量、幅度

13、、长度。,4被影响的因变量是什么？模板：钟摆的周期。5许多条件应该被保持不变以便进行公平实验。一个公平的实验采用科学的方法，每次只改变一个自变量。至少列出3个。模板：条件保持不变：当测试质量的效果时，保持长度和幅度不变。等等,这个实验中应该控制什么？,模板：实验的控制：摆锤的长度0.5m，中等质量，幅度20度。位于某一点。他们两人进行预测。并试图构想验证他们的预测的步骤。7写出验证你的预测的实验步骤。步骤必须逐步地写，以便其他人（p31）能够重复。模板：见指导性以探究为基础的实验步骤样板。8从两人的步骤中，设计一个记录数据的表格。9操作两人的实验，运用样板步骤在表格中记录你的实验结果。,10假

14、设这个步骤重复进行许多次，得到相似的数据。从他们预测的这个实验中，写出一个可能的结论。模板：如果有一个位于某一点的钟摆随着摆锤的质量、摆动的幅度和钟摆的长度改变，那么唯一导致改变钟摆周期的变量是钟摆的长度。当长度增加时，钟摆的周期增大。11得出这个结论的证据是什么？模板：钟摆的周期不随质量、幅度的改变而改变，但是当钟摆的长度增加时，周期变大。12罗列能够影响这个实验结果的三个误差。,如果改变位置，作用在钟摆上的重力改变。必须引入一个新的自变量。（p32）,总结,写出一个运用位置影响钟摆周期来解决两人实验结果的一般理论。在月球上，当重力只有地球的1/6时，你认为对照钟摆周期将会如何变化。,扩展,

15、在一个课程阶段，每个4个连续上课日，学生个别地完成任务的所有组分，除去实验，它是小组完成的。第一天，学生研究枫树种子的运动（观察）。第二、三天，学生按照3、4人一组，设计实验以解释枫树种子的旋转的飞行方式。为了鼓励学生在他们的实验中运用模型，给他们有关构建一个直升飞机纸模型的指导。第四天，学生个别地完成：a）解释枫树种子的运动，b）反思运用模型研究枫树种子运动的优势和劣势，c）评论一个实验报告，评论实验的设计和结论的效度。,掷一粒有翼的枫树种子到空中或者把它从你的手中丢出。观察它如何“飘落”到地板上。尽可能地描述这个壳运动的许多方面（如果你愿意，你可以加一个图）。记录你所进行的所有观察。此时，

16、不要解释有翼的枫树种子的运动。试图解释如何和为什么枫树种子下落。,第一部分：你自己开始,与你的小组讨论有翼的枫树种子的运动。运用整个小组的观察，写出对运动的完整描述（如果你愿意，你可以加一个图）。写出你的小组认为的影响有翼的枫树种子运动的所有因素。设计一系列实验来验证这些因素中的每一个的效果。识别这些实验中你实际上能够做哪个。,第二部分：小组工作,假设你要向你的一位还没有学过高中物理的朋友解释有翼的枫树种子的运动。写出足够清楚的解释，使你的朋友能够理解影响有翼的枫树种子运动的因素和力。详细说明你较确定的方面和较不确定的方面。在这个活动中，你运用简化的模型来帮助解释一个更复杂的现象。,第三部分：

17、自己完成,解释运用模型研究有翼的枫树种子运动所有可能的优势与劣势。包括来自你的小组使用模型的独特例子。给出由一组学生在完成枫树直升机任务时得出的一系列数据。阅读报告，并回答问题。,第三部分：自己完成,讨论给出的信息，以及如何组织它。你认为它是否足够完整以便你重复这个实验？如果不是这样，你还需要知道其它的什么？考虑到这个实验中研究的变量，能否得出任何有根据的结论？如果是这样，完整地解释它们。,第三部分：自己完成,5.科学探究的评价,5.1科学探究理解的评价,对科学探究的理解是对科学探究的性质、功能和要素等的认识和理解。,5.2科学探究能力或者技能的评价,分过程评价科学探究能力评价科学过程技能,科

18、学过程技能评价表,辨别物体运用多种感官运用所有合适的感觉确切地描述性质,进行定性的观察进行定量的观察描述物体的变化描述相似物体的不同点,辨别物体所具有的可用于分类的主要特性辨别总体中所有物体所具有的共性准确地分成两组,准确地按照不同的方法分类形成亚组（subsroups）建立自己的分类标准提供合理的分类原因,准确地描述物体确切描述，以便他人能识别未知物用口头或书写的方式向他人准确地传递信息,用语言表达想法准确和完整地描述事件提供结论的合理解释用合乎逻辑和可以理解的方式描述自己的观点,科学过程技能评价表,选择恰当的测量类型选择恰当的测量单位正确运用测量工具,恰当运用测量技术恰当运用标准和非标准测

19、量通过恰当的测量来探索物体的数量差异,形成相似事件的模式扩展相似事件的模式调查前进行预测进行简单的预测,在恰当的情境中使用预测过程呈现预测的合理原因进行实验以验证预测的正确性,运用所有信息作出推论避免捏造信息以支持推论描述观察到的物体和事件之间的关系从不恰当的信息中分离出正确的信息,呈现出解释推论的合理原因在恰当的情境中运用推断过程正确地解释图和表,科学过程技能评价表,识别可能影响研究结果的因素识别可以控制的变量识别不容易被控制的变量描述使不可控变量保持恒定的程序,建立对某一难题或问题的假设阐明自己的问题假设说明解释假设的合理原因,判定一个变量能否被很容易地测量认识下操作定义的需要确定如何根据

20、操作定义测量变量表述被测量的变量和操作定义之间的逻辑联系,科学过程技能评价表,确定所需要的数据确定测量所需数据的方法收集有用的数据运用数据表,遵循实验的步骤形成研究问题的多种可选方法恰当地操作科学材料,区别模型和实物的不同确定建立模型的适宜需要根据实物解释模型发展适宜的模型,建立自己的数据表建立并解释图表对数据作出合理的解释,进行试误研究确定自己的实验程序形成有效的结论,科学过程技能等级的量规,明确地把疑惑(problem)阐述为一个问题(question)提出相关的疑惑，明确地阐述成一个问题 3提出相关的疑惑，没有明确地阐述成一个问题 2没有提出相关的疑惑，模糊的阐述 1没有明确地阐述疑惑

21、0,科学过程技能等级的量规,识别自变量识别出适合问题中的3个自变量 3识别出适合问题中的2个自变量 2识别出适合问题中的1个自变量 1没有识别出适合问题中的自变量 0,科学过程技能等级的量规,识别出因变量适合问题的因变量 2不适合问题的因变量 1没有识别因变量 0,识别常量识别出3个常量 3识别出2个常量 2识别出1个常量 1没有识别出常量 0,科学过程技能等级的量规,在实验设计中包括合适的控制包括合适的控制 2不包括合适的控制 1不包括控制 0,科学过程技能等级的量规,程序A实验的设计对问题进行了足够的检验 3实验的设计对问题进行了部分的检验 2实验的设计对问题没有进行检验 1没有实验设计

22、0,B完全的设计 2不完全的设计 1没有实验的程序 0,科学过程技能等级的量规,制表设计合适的表格和正确的数据 3设计不合适的表格和数据 2没有表格或者数据 0,识别误差提供3个合理的误差 3提供2个合理的误差 2提供1个合理的误差 1没有提供误差 0,科学过程技能等级的量规,得出结论正确的和完全的结论 3部分正确的和不完全的结论 2错误的结论 1没有结论 0,5.3 纸笔测验评价科学探究,如图所示，把装饭菜的碗加盖后放入一盆中，盆内盛有一定量的水，将一块纱布铺在碗盖上纱布的边缘浸入到水中。南方有的地方夏天用这种方式来延长食物保存的时间。请说明这样做的科学道理。,5.3.1 中考,为探究肉在烹

23、调过程中发生的变化，一位中学生做了如下的实验：取500克新鲜猪肉（瘦肉约占三分之二），切碎后放入台秤上的电热杯中，如图二所示，通电加热，测出不同温度时肉的质量，结果如图三所示。从曲线图中，你能得出什么结论？请写出结论，并作出解释.,5.3.1 中考,5.3.2 高考,5.3.2 高考,从内容上探究实验有以下特点:以力、电实验为主重视用图像法处理实验数据贴近学生生活，联系社会实际,5.3.2 高考,探究实验题的分值2007年,11分；2008年,17分；2009年,19分；2010年,13分。探究题在高考物理题中所占比重平均达12.5%。,5.3.2 高考,针对不同探究要素的考查特点考查“分析与

24、论证”能力平均占48.22%考查“进行实验与收集证据”能力平均占总数的27.14%考查“评估”能力平均比例为13.39%考查“制订计划设计实验”能力占12.50%“提出问题”、“猜想与假设”及“合作与交流”能力的考查没有涉及,5.3.3 其它国家的考题,英国GCE物理考试中的典型试题,斯诺克台球桌边高度的设计，要求当球撞击桌边时，球的动能损失最小。请你设计一个实验，探究球正常撞击桌边时，球与桌边接触点的高度对球的能量损失的影响。要求尽量使用学校实验室常见的器材，并设计一个可以调节桌边高度的机械装置。建议用适当的图帮助说明探究方案。你的探究方案应该包括下列各项：你要测量的量以及如何测量这些量。你

25、打算如何通过测量确定接触点的高度对球的动能损失的影响。将要控制的因素，如何控制。为了得到可靠的结果，你需要努力克服一些什么困难。,碰撞高度,5.3.3 其它国家的考题,一个30分钟的实验探究试题,需要探究一个小钢球在眼镜片内运动的周期，实验装置如图示。A）（1）将小钢球放于镜片边沿然后释放，测量其运动周期。（3分）（2）测量镜片的直径（1分）（3）让小钢球在镜片内运动至少5个周期，观察振幅的变化，大致测量5个运动周期后小球的振幅。（2分）,5.3.3 其它国家的考题,一个30分钟的实验探究试题,需要探究一个小钢球在眼镜片内运动的周期，实验装置如图示。A）（4）以镜片中心为原点，测量小球位移随时

26、间的变化，并用图表呈现数据（4分）,5.3.3 其它国家的考题,一个30分钟的实验探究试题,需要探究一个小钢球在眼镜片内运动的周期，实验装置如图示。B）扩展性探究（1）小球从距离镜片中心某一距离d释放。说明并解释你认为小球运动周期随着d的变化会如何变化（3分）（2）提出一个探究方案，探究小球的运动周期随距离d的变化。本题7分中的2分评价你的描述质量。（7分）,5.4 科学探究活动的评价,探索枫树直升机评分有5个评分项：观察、实验、枫树直升机运动的解释、模型的优势/劣势、样本实验报告的评论。,探索枫树直升飞机：个人的,第一部分：你自己开始1观察“枫树直升飞机”的运动1）两个阶段：自由落体和旋转2

27、）自由落体阶段速度越来越大3）随着种子下降，倾斜4）硬的一边作为翼或螺旋桨之前缘(leading edge)5）围绕着种子的轴旋转6）无论那一边面向上，都旋转7）顺时针或者逆时针旋转8）不同的起始位置，不同的运动其它,探索枫树直升飞机：个人的,第三部分：自己完成1解释“枫树直升飞机”的运动整体的判断建立在如下的：1）参考来自实验的结论，或者与实验得出的结论一致。2）包含被研究的力和因素。3）物理概念的解释是清楚的、适合于特定的受众。4）没有错误概念。,探索枫树直升飞机：个人的,第三部分：自己完成2解释模型的优势和不足解释应该建立在如下的准则上：优势：1）材料是更便宜的或者更容易获取/非破坏性的

28、原型。2）更容易控制和操纵变量/模型的一致性uniformity。劣势：1）模型的参量与“枫树直升机”的不同（比如，形状、材料等）。2）从模型得出结论推广到原型的不确定性。,探索枫树直升飞机：个人的,3a评判一个样本小组报告中给出的信息应该描述如下的不足：1）没有因变量的定义。2）没有方法的描述。3）自变量的描述较差。4）没有模型的描述。5）数据的组织较差,第三部分：自己完成,3b从样本小组报告中的得出结论考虑如下的效应能够得出试探性的结论：1a）翅膀的长度1b）额外的质量1c）翅膀的硬度2）由于测量精度的不确定而使结论是试探性的。,探索枫树直升飞机：个人的,4识别出影响“枫树直升飞机”运动的

29、因素1）种子和翼的质量2）翼的表面积3）质量在种子和翼间的分布4）翼的弯曲,第二部分：小组工作,5）种子和翼的潮湿水平（程度）6）最初下落的位置7）空气（气流、压力、湿度）8）重力其它：,探索枫树直升飞机,5a为“枫树直升飞机”设计完整的实验被设计的实验应该与被研究的因素相匹配，自变量和因变量应该被界定，变量应该被控制和分别地检验5b.收集和组织来自于采用模型的实验的数据。学生的工作应该是合理的和适合于如下的准则：,第二部分：小组工作,探索枫树直升飞机,测量的质量：1）数据的精确性2）实验的重复性数据的处理和呈现：3）清楚和有组织,第二部分：小组工作,4）合适的符号表征数学的使用：5）进行计算6）正确地使用公式来界定新的术语,探索枫树直升飞机,6在使用模型的实验中控制变量是的有学生已经尝试控制变量或者考虑这如何影响他们的结果的迹象不是没有上述的迹象如果学生进行了6个或者更多的这些观察，他或她将归类于杰出的；45个等级为好的23个等级为一般通过平均在不同类目上的表现水平可以给出一个全面的个人等级和一个小组等级。,第二部分：小组工作,6.科学探究在我国,