左清平
摘 要:科學評估是實驗設計的一個重要環(huán)節(jié),學生在實驗設計中,教師應該關注設計過程,在師生合作中引導學生學會:正確選擇器材,應用科學的方法、盡可能的減小誤差,設計可操作的方案等。本文論述如何學會評估、學會改進,在評估中改進、在改進中創(chuàng)新,從而設計出優(yōu)秀的實驗方案。
關鍵詞:實驗設計;評估;改進;優(yōu)化
中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A文章編號:1003-6148(2006)12(S)-0056-2
在科學探究中,一個優(yōu)秀的實驗設計,可以讓學生輕松經(jīng)歷真實的科學探究、構建正確的知識體系,提高科學探究的效率。那么,在教學中如何引導學生設計出優(yōu)秀的實驗方案呢?要學會評估、學會改進,在評估中改進、在改進中創(chuàng)新,從而設計出優(yōu)秀的實驗方案。筆者在教學中,對如何引導學生評估、改進實驗設計,有些膚淺的認識和做法,愿與各位同行商榷。
1 器材的選擇是否合理。
即器材的選擇是否符合精度,實驗是否能正常進行,得出科學的結論。
例1 小李想通過實驗探究本地大氣壓究竟有多大,他設計的方案是:將蘸水的塑料掛衣鉤的吸盤按在毛玻璃板上,擠出里面的空氣,用彈簧稱鉤著吸盤掛鉤緩慢向上拉,直到吸盤脫離玻璃板,記錄剛拉脫時的拉力,這就等于大氣壓對吸盤的壓力,然后依據(jù)p=F/S求出大氣壓。他選用的器材是:量程為10N的彈簧秤,底面積為10cm2的吸盤。請評估他選用器材是否合理?
評估分析 從理論上說,該方案的設計是可行的,但所選的器材不能測出本地大氣壓的值。因為據(jù)p=F/S得F=pS≈105Pa×10×10-4m2=100N。超出了測力計的量程,應該更換測力計或換用面積更小的吸盤。另外毛玻璃太粗糙,吸盤內(nèi)的空氣不能排盡,吸盤與玻璃板脫離時的面積可能小于10cm2,都會給實驗帶來很大的誤差,都是設計該實驗時必須考慮到的。
2 是否較好的應用了控制變量法等科學研究方法。
在實驗設計中會用到許多科學方法,其中控制變量法是經(jīng)常用到的方法,學生在設計實驗時常會顧此失彼,因此這是評估改進的一個重要內(nèi)容。
例2 在探究通電螺線管的磁性強弱與哪些因素有關時,小王猜想與,A.電流大小有關;B.線圈的匝數(shù)有關;C.線圈的形狀有關。在驗證猜想B時他設計了這樣的方案:把一長根細漆包銅絲分別在半支鉛筆和新鉛筆上一匝挨一匝繞了50匝和100匝,然后串聯(lián)在兩節(jié)干電池上,閉合開關后,發(fā)現(xiàn)兩個螺線管吸起的大頭針的個數(shù)差不多,因此他說“通電螺線管磁性的強弱與匝數(shù)無關”,在組與組間交流時他發(fā)現(xiàn)與同學們的結論不一樣,你認為他的實驗方案有什么問題?應該怎樣更正?
評估分析 小王沒有控制螺線管的外形一樣。雖然通過串聯(lián)控制了電流一樣,但是由于繞在長短不同的鉛筆上,使其外形長短不同,二螺線管的漏磁情況不同,導致兩端的磁性差不多。更正:將50匝和100匝的細漆包線分別繞在長短一樣的鉛筆上。
3 實驗設計是否盡可能減小了實驗誤差。
實驗設計中選用精度高的儀器,多次測量取平均值以及改進實驗方法等都會有效減小實驗誤差。
例3 為了測量100kg玉米種子的粒數(shù)N,甲的測量方法是:先用分度值是50g的桿秤測量出50g玉米,求出單粒質(zhì)量m,再根據(jù)N=100kg/m求出粒數(shù)N;乙的測量方法是:先用天平測出10粒種子的質(zhì)量M,求出單粒質(zhì)量m=M/10,再據(jù)N=100kg/m求出粒數(shù)N;丙的方法是:先用天平稱出100粒種子的質(zhì)量M,求出單粒質(zhì)量m=M/100,再據(jù)N=100kg/m求出粒數(shù)N,請分析三個人的測量方法誰的最好?
評估分析 甲選用的桿秤精度不夠,乙選用的樣本粒數(shù)太少,都會有很大的誤差,只有 丙的方法最好。
4 實驗方案是否具有可操作性。
有些實驗方案從理論上說是可行的,但實際上不具備可操作性,最終導致科學探究失敗。
例4 小李用電能表(600r/kW.h)測一只“220V 100W”的舊電燈泡的實際功率時,他是這樣設計的:只讓這只燈泡工作,工作一分鐘之后停止計時,記下表盤所轉(zhuǎn)的圈數(shù)n,算出電功率P=n/10(kW),請對該方案進行評估。
評估分析 這個方案理論上說是可行的,但是舊的“220V 100W”的電燈泡的實際功率小于100W,即只有這顆燈泡工作時,電能表1min所轉(zhuǎn)圈數(shù)小于1圈,實際上是不可測量的——不具有可操作性。如果他把測量時間延長到10min或更長時間,并且讓電能表轉(zhuǎn)整數(shù)圈,才可操作。
5 分析論證、處理數(shù)據(jù)的方法是否科學。
例5 下表是小李同學在測量小燈泡電阻的實驗中設計的記錄數(shù)據(jù)的表格
根據(jù)設計的表格可見,他設計的處理數(shù)據(jù)的方法是:①利用歐姆定律求電阻,②通過求平均值減小實驗誤差,請問他設計的處理數(shù)據(jù)的方法科學嗎?
評估分析 由于小燈泡的電阻隨溫度的升高而增大,所以計算它的平均電阻是沒有意義的,相反這一欄的設計,會干擾學生發(fā)現(xiàn)導體的電阻與溫度的關系,所以在表格設計中不應該加這一欄。
6 依據(jù)設計的實驗所得結論是否具有普遍性。
例6 張華同學在探究串聯(lián)電路的電壓規(guī)律時,他選取了兩只完全一樣的燈泡和其它合適的器材,請問他用所選的器材能夠得到科學的結論嗎?
評估分析 用科學探究的方法構建知識體系,必須采用由特殊到一般的思維推理方法,所以在設計實驗時,所選的器材必須具有一般的代表性,才能得到具有普遍性的結論。張華在設計這個實驗時選用了兩個完全一樣的燈泡,這兩個燈泡在電路中的分壓相等,勢必得到“串聯(lián)電路中用電器均分電壓”的錯誤結論,應該換用不同規(guī)格的燈泡來做這個實驗。
7 所設計實驗操作時是否安全。
選擇了有毒有害的器材沒有,實驗過程中是否會有易燃易爆等不安全的現(xiàn)象發(fā)生。
例7 小王同學在設計探究比較不同物質(zhì)的吸熱能力的實驗時,他選擇了兩個完全一樣的電加熱器、廣口保溫杯,老師給他提供的加熱對象中有:水、沙子、細鐵屑、煤油、汽油、濃鹽酸、食用油、陶瓷屑。請你幫他選擇兩種最適合的加熱對象。
評估分析 從安全的角度考慮,煤油、汽油、細鐵屑、濃鹽酸、食用油均不得入選,選
擇水和陶瓷屑是最合適的。
上述實例是在教學中引導學生設計實驗時,常見的典型錯誤,這些錯誤干擾了學生經(jīng)歷真實的探究過程,甚至得出錯誤的結論。筆者認為,教師在引導學生設計實驗時,主導地位體現(xiàn)在積極的參與設計、評估設計,關注學生的學習過程,在師生合作中逐漸引導學生學會評估、改進、創(chuàng)新,提高學生的實驗設計能力,掌握優(yōu)化實驗方案的方法,從而輕松經(jīng)歷科學探究過程、提高科學探究效率、構建正確的知識體系。
參考文獻:
[1]杜敏主編.《教師教學用書.物理》(八年級上、下冊 九年級).人教版
[2]彭前程主編.《義務教育課程標準實驗教科書.物理》(八年級上、下冊 九年級).人教版
(欄目編輯王柏廬)
編后語:2006年即將渡過,在過去的一年中,本刊發(fā)表了幾百篇稿件,論及中學物理教育和教學工作的方方面面,不少文章非常優(yōu)秀。在歲末,我們衷心地感謝廣大作者對我國物理教育事業(yè)的忠誠,對提高教學水平的執(zhí)著,無私的奉獻精神和對本刊的大力支持……因而,我們能向全國物理教師們奉獻豐富多采的教學資源,得到廣大讀者們的厚愛。希望在新的一年中,我們能與物理教育界的同仁們繼續(xù)攜手共進,更上一層樓。順祝朋友們新年快樂。
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