试论中学物理实验探究的基本技能，本文主要内容关键词为：试论论文,基本技能论文,物理实验论文,中学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在新课程理念中，科学探究已作为物理课程的教学目标和内容。因此，我们在进行物理实验教学和评价时，需要更多地从科学探究角度进行思索和运作。无论对教师还是学生，这是一种基本要求，也是一种基本技能。据此，下面就实验探究过程的基本要求和基本技能，谈谈我们的一些看法。
一、提出问题
首先应该知道，不是每一个问题都适合于实验探究的。实验探究最重要的基本技能之一就是能够提出可以探究的问题。选择研究问题要遵循两个基本标准：研究问题的目的是检验两个或多个变量之间的关系，研究的问题是可检验的。
关于某种因果关系的可验证的问题可以以这样的方式描述：
“什么导致了一些变量的变化？”
“如果我们改变某个变量，会对另一个变量产生什么效果？”
变量就是在研究中能够改变的因素。
我们以气球和头发的摩擦实验为例，增加气球与头发的摩擦次数就是改变自变量，结果变量叫做因变量，就是在实验中测量的变量（如时间，距离等），因变量的变化依赖于学生所控制的变量（自变量）的变化。气球贴在墙上的时间就是因变量。
判断表1所列的问题中，哪些是可检验的，哪些是不可能被检验的。
表1 判断问题是否可被检验
可检验情况 可检验的不可检验的
问题自变量 因变量
（原因）（结果）
增加气球与头发的摩 气球与头气球贴在 ？
擦次数会对气球贴在 发摩擦 墙上的时间
墙上的效果产生什么
听大声的音乐会影响 ？ ？？
青少年的听力吗？
石头会思考吗？ ？ ？？
网球受潮后的弹跳会 ？ ？？
宇宙中有外星生命吗？？ ？？
新手容易出现的问题：
（1）所选择的问题不能由所要进行的研究来回答，两者相脱离或有出入。
（2）没有使研究的问题具体化。
（3）对问题的陈述不准确，过于宽泛，以至于任何结果都可以被解释成与问题有关或无关。
二、形成假设
提出问题的答案或指出一个变量以某种方式影响另一个变量的原因可称做假设。在上例中，当学生注意到把气球与头发摩擦一段时间，它就能够贴到墙壁上，学生可能会预测摩擦的次数越多，气球贴在墙上的时间越长。这就形成了一种猜想或是初步的假设。
或许学生预测错了，当然学生往往根据以往的观察或经验，以及学生所理解的科学原理有逻辑地推理出来。把学生所知道的组合后然后表达出来，就形成他们的假设。例如，学生可能预测气球贴在墙上是因为静电的吸引作用，那么摩擦的次数越多，气球所带的静电荷就会越多。
预测和假设总是密不可分的（表2）。假设是解释预测的基础。预测需要做实验去验证它。
表2 假设和预测的关系
预测
假设（可能的解释或因果
可能的原因可能的结果
关系） （自变量） （因变量）
糖果中含有的糖分是口 当一个人吃的 牙齿的龋洞就
腔中的细菌生存的能
糖增加时…… 会增加
量，这些细菌会产生一
种酸，能腐蚀牙齿
船帆裹住的空气越多， 当船帆的尺寸 船的最大速度
给船提供的动力越大
增大时……就会增多
盐能促进自行车的金属 当路面上的盐 自行车的金属
中铁和氧的结合，从而 量增加时…… 的生锈程度会
导致生锈
增加
表3 假设和预测的因果关系
假设（可能的解释或因果关可能的原因
可能的结果
系，一个推导出来的猜想）（自变量）
（因变量）
？？
？
？？
？
假设本身并不能说明变量之间的关系，而必须经过研究验证，才能确定其真伪。因此，假设不能作为进行推理的依据。
形成假设应满足以下三个基本条件：
（1）可检验，即假设能以操作的形式叙述出来；
（2）以定量的或可定量的方式提出；
（3）用文字确切表达出来。
这既可使自己更加深思熟虑，也便于别人理解所提出的假设，并对假设进行评价性的分析。
新手容易出现的问题：
（1）提出的研究假设不能检验；
（2）研究假设提出的形式不恰当，不能定量化。
三、设计实验
为了验证假设，需要设计相应的实验。设计时应明确哪些是要观察、测量的变量，哪些是要改变的变量，明确观察、测量和记录的方法，以及所需的各种材料和设备等。在实际设计中，还需要掌握相关的基本技能、方法和策略。
1.识别变量
确定并标记自变量、控制变量、因变量。
自变量是可能的原因，因变量是可能的结果。实验中需处理好与研究目的无关的控制变量。例如，为了保证晾晒湿衣服实验的可靠性，必须维持很多因素不变。这个实验中的自变量是什么？因变量是什么？我们又必须控制哪些变量以保证实验的可靠性？
为使研究者能够观察到假设的变量之间的关系是否存在，所用的变量、术语必须明确定义。定义过程一般是指从问题和所假设的变量开始。而且，对包含于假设之中的概念和研究变量，必须给予操作性定义。
所谓操作性定义，就是按照某事物被测量的方式来定义该事物，即以该事物的可观测的特征为基础进行定义。例如，气球粘在墙上的牢固程度可以定义为气球粘在墙上的时间，电磁铁的磁性强弱可以定义为电磁铁吸引小铁钉的多少，等等。
新手容易出现的问题：
（1）没有对术语或变量给出操作性定义；
（2）定义的术语或变量与科学概念不一致；
（3）变量与研究中用的测量方法不一致。
2.选择控制技术
对不同的变量所用的控制技术或方法不同。对自变量可通过操作或选择（有目的的改变）得到控制，对因变量的控制则主要依靠精确的、有效的测量，对无关变量的控制包括消除、恒定条件等。消除指通过消除变量在研究中的影响而加以控制；恒定条件指保持变量稳定，使其影响在整个过程中保持不变。当变量既不能保持恒定又不能消除时，采用平衡法。这种方法要求无关变量的效应平衡或对所有实验条件的影响是等量的。
3.设计实验步骤
根据实验的需要，确定实验所需的材料、设备或替代物。设计并列出实验步骤，这是实验设计中最关键的一步。具体方法是：写出实验步骤并解释将得出实验结论的过程，还要保证符合安全规程。画出实验步骤图表，给学生要用的材料和步骤贴上标签，用数字为实验步骤编号。
4.设计数据记录
明确哪些变量是要改变的变量、哪些变量是要观察测量的变量。还要明确观察和测量的方法以及怎样记录。设计适当的数据表是分析实验数据的基础。
设计数据记录表应注意：
（1）在表的顶部列出因变量（结果）；
（2）沿表的一侧列出自变量（原因）；
（3）保证每一个数据都有位置填；
（4）要包含每一个变量的每一次测量值；
（5）如果表中有计算结果，在数据分析中列出计算公式，至少有一个示例。
四、操作实验
正确使用基本仪器和测量工具，是进行科学探究的必备技能。
1.数据的获取
作为定性的观察，根据所描述的事物的特征：如物质的状态、颜色、嗅味、味道、质地、光亮度、透明度等；如物体的形状、硬度、脆性（容易被破坏的程度），延展性（能被改变形状的程度）、粘度（阻碍液体流动的特性）等。
在观察过程中，通常可以把自己观察到的先粗略地记在笔记本上，然后按照科学期刊或科学日志的方法描述整理数据，完成研究。
作为定量的观测，为了使测量结果更准确，至少要重复测三次。如果测量结果接近，就取平均值。如果需要保证更高程度的准确性，则要用不同的测量工具多次测量，取平均值。
2.数据的表征
科学绘图是数据的表征方式之一。科学的绘图意味着准确，清楚，容易理解。为了尽可能准确地记录我们所观察到的，同时也为了能更好的交流，应把握科学绘图的一些要点，如在开始之前材料、样本的准备，绘图中样本的选取，草图、表、比例等。
五、分析结果
1.理解图像
根据需要，利用计算机创建点线图、柱形图、饼图等。
当一个研究的数据以合适的图像表达出来时，变量之间的关系就很容易看出来，也就很容易判断得到的数据是否支持已有的假设，而且读图像中的数据还有可能产生新的假设。
这里列出一些问题能帮助学生理解图像中的数据：
（1）各种变量在图中分别怎么表示的？
（2）自变量是什么？因变量是什么？
（3）图中变量是定性研究还是定量研究？
（4）如果数据是定量的，那么测量单位是什么？
（5）有几个样本？
（6）图上的最大值和最小值分别代表什么？
（7）每个数轴的取值范围（最大值与最小值之间的差）是什么？
（8）两个变量之间的关系是什么？
（9）如果是线性关系，直线的斜率是多少，斜率值能告诉我们什么？
（10）这是表示这些数据最合适的图像吗？
图像能告诉我们某些关于变量的模式或规律，可以使用它做预测。通常在做推断时都是根据一般的共同规律，但有时某些规律只在一定的范围内适用。
2.得出结论
结论是解释研究结果的陈述。这个陈述要针对最初的假设，陈述研究结果支持假设，部分支持还是否定假设。如果假设是错的也没关系，科学家为了得到他们想要的答案经常反复实验很多次。想想为了找到治疗癌症的方法，我们已经做了多少次实验了？
在科学研究中得出结论需要学生使用逻辑判断，全面综合理解实验结果，批判的分析结果，当然这需要耐心和思考。
3.反思结论
当完成一个研究之后，反思你所做的是大有好处的。哪些地方做得好？哪些地方做得不好？哪些地方需要改善？哪些地方出了差错？如果学生再做一次这个研究，学生会在哪些地方做改动？正是通过反思，才能提高理解能力，提高学习研究的能力。
在反思已完成的研究时，想一想实验过程中可能出现的误差的类型，这些问题要在结论中和对结果的讨论中说明。在陈述实验误差时，最好不要只简单地说一句“由于认为误差因素......”
实验的误差会降低实验的效度。不过，重要的是，我们可以根据这次的误差修正下一次的实验步骤，以使下一次的实验效度提高。只有通过反复试验，学生才能修正完善自己的观点，提高研究的技能。
六、表达交流
实验报告是表达交流的方式之一。为了能使研究可重复可验证，通常把实验设计、数据分析以及评价等都在实验报告中详细的描述出来。研究者都采用一个大致相同的格式写出最终的研究报告，报告中都采用通用的国际单位制单位，尽管标题和顺序可能会稍有区别。学生的实验报告应该能反映学生的研究过程，一般是按以下格式写。
如题目、目的、问题、预测和假设、实验设计、实验材料、实验步骤、数据、分析、评价等。
为了体验这样一个过程，下面我们借助乔治亚大学米哈依J.帕蒂拉（Michael J.Padilla）关于电磁学部分的科学活动过程的案例（注：ShawnM·Glynn etal.科学学习心理学.王磊等编译.海口：海南出版社，2000）略做描述。
实验的第一步是提出适当的问题。针对电磁学这个主题可以提出一系列的问题：
（1）线圈的匝数如何影响电磁感应强度？
（2）线圈中的铁芯如何影响电磁感应强度？
（3）线圈中的电流如何影响电磁感应强度？
提出一个问题后就提出一个假设，如“电磁感应强度随着线圈匝数增加而增加”。
识别变量可以通过学生发表意见来收集。必须选择操作变量即自变量（如线圈匝数）、结果变量即因变量（如电磁感应强度），这些变量要确立操作性定义以使它们能够被测量。这一步也可用学生讨论的方式完成。一个对电磁感应强度合适的定义是这个磁场能吸起的回形针的个数。线圈匝数不需要定义因为它已经是可计算的。如有可能，所有的其他变量都要控制，如使用的线圈和铁芯、电池的强度、磁场在何种情况下吸起回形针都要定义标准。
变量被识别和定义后，必须展开实验设计：要进行多少次实验？按怎样的顺序安排？要记录哪些数据？在数据被收集整理之前要先回答这些问题。五次实验对这个问题是合适的，因为它考虑到实验误差和在不同条件下的比较。实验设计完成以后就可以实施了。
开始数据收集之前让学生讨论并设计一个表格以使数据整理变得更快。对于新生，教师可以推荐一个合适的表格。数据进行进一步的整理是用一组图表将所有的实验结果反映出来，这样的归纳是很有帮助的。这一步的重要意义在于归纳可以各种形式进行。
有些结论较简洁明了，如“线圈匝数的增加使得电磁感应强度增强”；另一些归纳还将提出更深入的问题，如“若每次实验后都将回形针消磁，结果仍然是这样吗？”后一种归纳对于学生开始理解科学是至关重要的。教师应当鼓励这种做法，而不只是允许学生提出问题。