淺談從實驗評估的角度引導學生設計實驗

曾 敏

(廣東省中山火炬高技術產業開發區第一中學 廣東 中山 528437)

2022年頒布的《義務教育物理課程標準》中明確指出,核心素養是課程育人價值的集中體現,是學生通過課程學習逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力[1].其中的“終身”“發展”等關鍵詞都說明核心素養是指向過程,指向未來的;是一個伴隨終身,與時俱進的動態優化的過程.在OECD(Organization for Economic Co-operation and Development,經濟合作與發展組織)的2005年報告當中,也曾提出核心素養是個體面對復雜的、不確定的現實生活情境的時候表現出來的.也就是說核心素養并不是個體在面對他相對熟悉的、確定的生活情景當中表現出來的.

物理學科核心素養的形成要經歷物理教育的過程.物理課程要培養的核心素養,主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任[2].其中在培養學生科學探究能力的時候,我們要求學生:通過學習,形成科學探究的意識,能在學習和日常生活當中發現問題,并提出合理的猜想和假設;具有設計探究方案,還有獲取證據的能力,能夠正確地實施探究方案,并且利用各種手段和方法收集信息;具有分析論證的能力,會處理一些信息,還要學會交流與合作.能夠正確地表述、評估和反思探究過程與結果.

1 被忽視的實驗評估

在實際的科學探究過程中,最后階段的實驗評估,往往會被教師和學生們忽視,很多教師和學生認為物理實驗操作完成后,實驗就結束了.其實不然,物理實驗還需要評估,沒有評估的物理實驗是盲目的,是不完整的[3].對評估不重視的原因有以下幾個方面.

1.1 重結論輕過程

對科學探究的教育作用認識不足,認為探究的目的只是為了得到某個結論和規律,而且結論可以用在將來的考試解題中.既然結論都得到了,就不必花時間和精力評估了.

1.2 重繼承輕創新

思維狹窄,只探究教材中的實驗項目,只沿用舊的實驗方案,認為只要是教材給出的實驗方案就是最好的,這些實驗項目和方案都是經過教師多年的實踐一直沿用的,思維上形成了路徑依賴.

為了保證實驗成功,即使有引導學生設計實驗的環節,教師也會努力把學生引導到舊的實驗方案中來.既然實驗項目和方案都被證明是最優化的,所以評估也就不重要了.

1.3 重驗證輕探究

很多教師把本應是探究型的實驗改成了驗證型的實驗.結論先讓學生了解了,再做實驗驗證一下,不同的結論就意味著錯誤,學生也沒有信心表達錯誤的觀點,分析論證得到的結論都是一致的、正確的.沒有了評估的素材,評估也就變得空心化了.

2 實驗評估案例

2.1 實驗評估之選擇合適的實驗器材

在筆者指導學生開展“測量校園內的大氣壓”的課外探究活動中,學生準備根據托里拆利實驗,利用水柱的高度測量校園內的大氣壓.實驗前,學生進行了精心的準備,花了很多時間搜集器材,并利用周六的時間返回校園進行實驗,結果沒有測量出水柱高度.學生沮喪地向筆者求助,筆者召集參與實驗的學生們對實驗進行評估,結合學生拍攝的實驗視頻,發現實驗中使用的透明軟管變扁了(圖1),軟管上端并沒有形成期望的真空,實驗最終失敗了.導致失敗的原因是學生們為這次實驗準備的一條11 m長的透明塑料軟管(圖2).

圖1 透明軟管變扁了

圖2 透明塑料軟管

筆者提示學生們思考:是什么力讓軟管變扁的?為了使塑料管內水柱的上端形成真空,應該選擇什么樣的軟管?學生很快意識到需要更堅固的可以抵抗外界大氣壓的透明管道.經過一個星期的尋找,學生們找到了一種內嵌鋼絲的可以抵抗負壓的透明軟管(圖3).在接下來的另一個周六,學生們用新的軟管成功測量出水柱高度并計算出校園內的大氣壓(圖4).從對第一次失敗實驗的評估中,學生們懂得了真空容器是需要承受外界巨大的氣壓的,今后選擇與真空相關的實驗儀器時,就需要考慮儀器承受負壓的能力.另外也明白了很多實驗不是一次成功的,實驗器材的選擇經常都需要不斷嘗試.

圖3 抗負壓透明軟管

圖4 測量水柱高度

2.2 實驗評估之完善實驗方案

在學生們學習了聲音的特性后,有學生想探究“弦樂器的音調與什么因素有關”,學生自主設計實驗并完成了探究,學生們向筆者介紹探究的結果,并給筆者看了他們的實驗報告(圖5).

圖5 第一次實驗的數據表格

在對學生們的實驗進行評估時,筆者提示學生:物理世界紛繁復雜,影響因素很多,我們有沒有可能漏掉什么影響因素呢?接下來給學生們看了一張吉他琴頭的圖片(圖6),請學生們思考.學生們很快想到,原來設計的實驗步驟中缺少了對琴弦松緊與弦發聲音調關系的探究,所以學生們完善了實驗方案后又補充進行了一組探究(圖7).從這次的實驗評估中,學生們知道了人們對自然的認識是逐漸推進逐漸深入的,我們今天認識的規律可能并不是客觀現實的全貌,隨時都會有新發現新收獲.

圖6 吉他琴頭

2.3 實驗評估之調整實驗裝置

在筆者講授“比熱容”一節時,組織學生進行了“比較不同物質吸熱的情況”的課內探究,我們按照教材上推薦的器材(圖8)進行實驗,測溫方式改進為利用溫度傳感器測量,利用手機自動收集數據并自動繪制溫度與時間關系圖像.

圖8 教材推薦的器材

這個實驗采用了兩個相同的電加熱器,我們能在市場買到的功率最小的電加熱器是500 W的,采用這樣的器材優勢明顯,既保證了水和食用油在相同的時間內吸收相同的熱量,也縮短了加熱時間.經過實驗,學生們得出了水和食用油的溫度與時間關系圖像,圖像大致分兩類(圖9和圖10).

圖9 第一類圖像

圖10 第二類圖像

得到第一類圖像的學生很迷惑,觀察之后發現大約1.5 min之前,水升溫比食用油快,但后面又呈現出食用油升溫比水快的現象,難道是測量出錯了嗎?經過反復實驗都是一樣的結果,確認溫度測量是沒問題的.筆者組織學生們對實驗進行了仔細評估,因為不同小組的器材是完全相同的,區別只可能出現在器材的組裝上,仔細觀察發現,得到第一類圖像的小組,溫度傳感器放置于液體內接近底部的位置,且離電加熱器較遠(圖11),而得到第二類圖像的小組,溫度傳感器則放置于液體內接近電加熱器上部的位置(圖12).

圖11 溫度傳感器離電加熱器較遠

圖12 溫度傳感器離電加熱器較近

我們知道液體傳導熱量的方式是熱傳遞和對流,特別是食用油這種導熱性不好的物質,傳遞熱量主要依靠對流,當溫度傳感器離電加熱器較遠時,測量的溫度會出現明顯滯后.然后引導得出第一類圖像的學生們調整傳感器位置后再進行實驗,果然也得到了第二類圖像.

令人高興的是,有學生問了另一個問題:測量水的溫度時,傳感器放在不同的位置為什么影響不大呢?筆者思考了一會兒,拿來了玻璃棒讓學生們攪拌一下水和食用油,問大家感覺上有什么不同?關于這個問題的答案筆者讓學生們回家查資料后再告訴大家.后來的討論就引出了食用油的粘滯系數大于水的問題,學生們還查到了30 ℃時水的粘滯系數μ=0.8 mPa·s,30 ℃時食用花生油的粘滯系數約為μ = 35 mPa·s,水的粘滯系數小對流快,升溫更均勻.更進一步讓學生們思考,為什么有些教材上是通過加熱水和煤油(30 ℃時煤油的粘滯系數μ=2 mPa·s)來做這個實驗?使用煤油有缺點嗎?為什么有些還要配攪拌器?經過這次對實驗異常數據的評估,學生領略了物理世界的復雜,意識到今后在設計實驗時,考慮問題需要更加全面.也懂得了實驗設計在很多情況下沒有完美方案,只有相對較優的方案.

2.4 實驗評估之誤差分析

在學習了“長度和時間的測量”之后,筆者想起物理教材人教版八年級上冊第7頁的小故事“伽利略對擺動的研究”,于是指導學生們開展了一次“單擺擺動的快慢和什么因素有關?”的課外探究活動.一方面讓學生熟悉秒表的使用,另一方面也讓學生了解物理探究的方法和過程.當探究到 “單擺擺動的快慢與擺球質量大小有什么關系?”時,我們采用了在同一根繩子底端掛不同數量鉤碼的方法,然后記錄單擺擺動30次的時間.某小組測量的時間如圖13和圖14所示,計算出:同一條細繩,掛一個鉤碼時,單擺擺動一次的時間是2.75 s,掛3個鉤碼時,單擺擺動一次的時間是2.78 s.

圖13 掛1個鉤碼擺動30次的時間

圖14 掛3個鉤碼擺動30次時間

經過多個小組多次的測量,計算出單擺擺動一次的時間差異都是微乎其微的,考慮到按秒表時手的動作有快有慢,所以大家都可以理解誤差的原因.實驗的最后學生們得出了“單擺擺動的快慢和擺球質量、擺動幅度無關.與擺長有關,擺長越長,擺動越慢”的結論.

在實驗的評估階段,筆者把各小組記錄的,同一條細繩掛1個鉤碼和3個鉤碼擺動30次的時間羅列出來,讓學生們觀察.學生們發現10個小組中,掛3個鉤碼時擺動的時間略長的數據有8個.提問學生們:“手按秒表的動作有時快有時慢,偏快偏慢的可能性應該是一樣的,為什么我們絕大多數小組測量的掛3個鉤碼時單擺擺動會慢一點呢?”筆者拿出一根橡皮筋,掛上1個鉤碼和3個鉤碼,讓學生們觀察有什么不同.此時有學生想到了,因為3個鉤碼更重,所以繩子長度可能變長了.接下來讓學生們通過實驗證明,如圖15和圖16所示,同一條細繩掛3個鉤碼時長度確實略微變長了.這恰恰符合了擺長越長,擺動越慢的結論.通過這次的實驗評估,學生們知道了無處不在的形變,也知道了誤差是不可避免的,而且不一定是由于讀數或操作等偶然因素造成的,器材也是誤差的來源之一.有時新發現就隱藏在這些不起眼的小小誤差中.

圖15 掛1個鉤碼時繩子的長度

圖16 掛3個鉤碼時繩子的長度

2.5 實驗評估之拓展新實驗項目

在探究“影響電阻大小的因素”時,學生們依次研究了導體的材料、長度、橫截面積對電阻大小的影響.最后研究溫度對電阻的影響時,采用的方法是我們常見的,把日光燈燈絲和小燈泡串聯,加熱燈絲的同時觀察小燈泡亮度的變化.當看到燈絲被加熱后小燈泡亮度變暗了,學生們發出驚嘆并立刻得出了:“溫度越高,導體的電阻越大”的結論.這里筆者并沒有立刻作出糾正,因為空洞的說教是不能讓學生內心里真正信服的,而且印象也不深刻.所以在實驗評估時提問學生們,僅僅根據日光燈燈絲的電阻隨溫度升高而變大,就得出了“溫度越高,導體的電阻越大”的結論,可靠嗎?除了金屬,生活中還有什么常見的其他導體?最后筆者推薦學生們探究一下溫度對食鹽水的導電性的影響.在筆者提供了部分器材的幫助下,學生們比較順利地完成了這個實驗(圖17).

圖17 溫度對食鹽水導電性的影響裝置圖

實驗中使用的是學生穩壓電源,通過調節電壓旋鈕,可以穩定輸出6 V電壓.為了觀察更準確,使用電流表測電流,同時對食鹽水進行加熱.從30 ℃開始記錄電流(圖18)并繪制圖像(圖19).學生們發現,電壓不變的情況下,食鹽水的溫度越高,通過的電流越大.即溫度越高,食鹽水的電阻越小.至此,學生們明白了溫度對導體電阻的影響不能片面地說溫度越高電阻越大或溫度越高電阻越小,有時物理規律是很復雜的,原來的結論只能表達為:“導體的電阻受溫度的影響”.通過對前面探究的結論的評估,學生們拓展出了下一個探究的新實驗項目,使知識面不斷拓寬,能力不斷增強.

圖19 溫度對食鹽水導電性的影響電流與溫度關系圖像

3 實驗評估的作用

在整個探究流程里,評估是排在最后的,從評估的角度引導設計實驗,看似矛盾實則統一,因為評估也是對前面探究過程的總結和反思.很多時候不是想清楚了再做,而是做了以后才能發現問題,才能想清楚.愛因斯坦曾說已知是一個圓的內部,未知是圓的外部,知道越多,圓的周長越長,遇到的問題就越多.筆者認為科學探究的目的并不是終結所有問題,探究不應帶著句號結束,而應帶著問號面向將來.實驗評估是承前啟后,打開未來的鑰匙之一.評估本身就可能包含了提出問題和猜想,可以衍生出下一輪探究的設計實驗……

獲得實驗結論無疑是很重要的,通過結論不僅讓我們認識了新的自然規律,而且結論對于學生也是解題的工具.但是科學是發展的,我們認識的物理規律隨著人類對自然探索的深入有可能是會變化的.相對來講,科學探究過程中培養學生的探究能力就顯得更為重要和珍貴了,它可以為學生終身發展和社會發展提供源源不斷的動力.

失敗是成功之母,真正的探究經常會面對失敗,要讓學生勇于試錯,大膽創新,培養學生開放的思維.不僅在探究課內實驗中嘗試新方法新工具,也要善于觀察和提問,根據生活情境設計和開展新的課外探究.遇到失敗能正確對待,學會評估和反思,改進后反復實驗.這才是學生將來進行科學研究時面對的真實情境.

要讓學生經歷真正的探究過程,允許表達不同的觀點,深入探尋不同現象背后的原因,在評估的過程中發現問題,尋找答案,改進實驗設計.讓不同的思想碰撞出創意的火花,形成物理觀念,培養科學思維.