浅谈从实验评估的角度引导学生设计实验

曾 敏

(广东省中山火炬高技术产业开发区第一中学 广东 中山 528437)

2022年颁布的《义务教育物理课程标准》中明确指出,核心素养是课程育人价值的集中体现,是学生通过课程学习逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的正确价值观、必备品格和关键能力[1].其中的“终身”“发展”等关键词都说明核心素养是指向过程,指向未来的;是一个伴随终身,与时俱进的动态优化的过程.在OECD(Organization for Economic Co-operation and Development,经济合作与发展组织)的2005年报告当中,也曾提出核心素养是个体面对复杂的、不确定的现实生活情境的时候表现出来的.也就是说核心素养并不是个体在面对他相对熟悉的、确定的生活情景当中表现出来的.

物理学科核心素养的形成要经历物理教育的过程.物理课程要培养的核心素养,主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任[2].其中在培养学生科学探究能力的时候,我们要求学生:通过学习,形成科学探究的意识,能在学习和日常生活当中发现问题,并提出合理的猜想和假设;具有设计探究方案,还有获取证据的能力,能够正确地实施探究方案,并且利用各种手段和方法收集信息;具有分析论证的能力,会处理一些信息,还要学会交流与合作.能够正确地表述、评估和反思探究过程与结果.

1 被忽视的实验评估

在实际的科学探究过程中,最后阶段的实验评估,往往会被教师和学生们忽视,很多教师和学生认为物理实验操作完成后,实验就结束了.其实不然,物理实验还需要评估,没有评估的物理实验是盲目的,是不完整的[3].对评估不重视的原因有以下几个方面.

1.1 重结论轻过程

对科学探究的教育作用认识不足,认为探究的目的只是为了得到某个结论和规律,而且结论可以用在将来的考试解题中.既然结论都得到了,就不必花时间和精力评估了.

1.2 重继承轻创新

思维狭窄,只探究教材中的实验项目,只沿用旧的实验方案,认为只要是教材给出的实验方案就是最好的,这些实验项目和方案都是经过教师多年的实践一直沿用的,思维上形成了路径依赖.

为了保证实验成功,即使有引导学生设计实验的环节,教师也会努力把学生引导到旧的实验方案中来.既然实验项目和方案都被证明是最优化的,所以评估也就不重要了.

1.3 重验证轻探究

很多教师把本应是探究型的实验改成了验证型的实验.结论先让学生了解了,再做实验验证一下,不同的结论就意味着错误,学生也没有信心表达错误的观点,分析论证得到的结论都是一致的、正确的.没有了评估的素材,评估也就变得空心化了.

2 实验评估案例

2.1 实验评估之选择合适的实验器材

在笔者指导学生开展“测量校园内的大气压”的课外探究活动中,学生准备根据托里拆利实验,利用水柱的高度测量校园内的大气压.实验前,学生进行了精心的准备,花了很多时间搜集器材,并利用周六的时间返回校园进行实验,结果没有测量出水柱高度.学生沮丧地向笔者求助,笔者召集参与实验的学生们对实验进行评估,结合学生拍摄的实验视频,发现实验中使用的透明软管变扁了(图1),软管上端并没有形成期望的真空,实验最终失败了.导致失败的原因是学生们为这次实验准备的一条11 m长的透明塑料软管(图2).

图1 透明软管变扁了

图2 透明塑料软管

笔者提示学生们思考:是什么力让软管变扁的?为了使塑料管内水柱的上端形成真空,应该选择什么样的软管?学生很快意识到需要更坚固的可以抵抗外界大气压的透明管道.经过一个星期的寻找,学生们找到了一种内嵌钢丝的可以抵抗负压的透明软管(图3).在接下来的另一个周六,学生们用新的软管成功测量出水柱高度并计算出校园内的大气压(图4).从对第一次失败实验的评估中,学生们懂得了真空容器是需要承受外界巨大的气压的,今后选择与真空相关的实验仪器时,就需要考虑仪器承受负压的能力.另外也明白了很多实验不是一次成功的,实验器材的选择经常都需要不断尝试.

图3 抗负压透明软管

图4 测量水柱高度

2.2 实验评估之完善实验方案

在学生们学习了声音的特性后,有学生想探究“弦乐器的音调与什么因素有关”,学生自主设计实验并完成了探究,学生们向笔者介绍探究的结果,并给笔者看了他们的实验报告(图5).

图5 第一次实验的数据表格

在对学生们的实验进行评估时,笔者提示学生:物理世界纷繁复杂,影响因素很多,我们有没有可能漏掉什么影响因素呢?接下来给学生们看了一张吉他琴头的图片(图6),请学生们思考.学生们很快想到,原来设计的实验步骤中缺少了对琴弦松紧与弦发声音调关系的探究,所以学生们完善了实验方案后又补充进行了一组探究(图7).从这次的实验评估中,学生们知道了人们对自然的认识是逐渐推进逐渐深入的,我们今天认识的规律可能并不是客观现实的全貌,随时都会有新发现新收获.

图6 吉他琴头

2.3 实验评估之调整实验装置

在笔者讲授“比热容”一节时,组织学生进行了“比较不同物质吸热的情况”的课内探究,我们按照教材上推荐的器材(图8)进行实验,测温方式改进为利用温度传感器测量,利用手机自动收集数据并自动绘制温度与时间关系图像.

图8 教材推荐的器材

这个实验采用了两个相同的电加热器,我们能在市场买到的功率最小的电加热器是500 W的,采用这样的器材优势明显,既保证了水和食用油在相同的时间内吸收相同的热量,也缩短了加热时间.经过实验,学生们得出了水和食用油的温度与时间关系图像,图像大致分两类(图9和图10).

图9 第一类图像

图10 第二类图像

得到第一类图像的学生很迷惑,观察之后发现大约1.5 min之前,水升温比食用油快,但后面又呈现出食用油升温比水快的现象,难道是测量出错了吗?经过反复实验都是一样的结果,确认温度测量是没问题的.笔者组织学生们对实验进行了仔细评估,因为不同小组的器材是完全相同的,区别只可能出现在器材的组装上,仔细观察发现,得到第一类图像的小组,温度传感器放置于液体内接近底部的位置,且离电加热器较远(图11),而得到第二类图像的小组,温度传感器则放置于液体内接近电加热器上部的位置(图12).

图11 温度传感器离电加热器较远

图12 温度传感器离电加热器较近

我们知道液体传导热量的方式是热传递和对流,特别是食用油这种导热性不好的物质,传递热量主要依靠对流,当温度传感器离电加热器较远时,测量的温度会出现明显滞后.然后引导得出第一类图像的学生们调整传感器位置后再进行实验,果然也得到了第二类图像.

令人高兴的是,有学生问了另一个问题:测量水的温度时,传感器放在不同的位置为什么影响不大呢?笔者思考了一会儿,拿来了玻璃棒让学生们搅拌一下水和食用油,问大家感觉上有什么不同?关于这个问题的答案笔者让学生们回家查资料后再告诉大家.后来的讨论就引出了食用油的粘滞系数大于水的问题,学生们还查到了30 ℃时水的粘滞系数μ=0.8 mPa·s,30 ℃时食用花生油的粘滞系数约为μ = 35 mPa·s,水的粘滞系数小对流快,升温更均匀.更进一步让学生们思考,为什么有些教材上是通过加热水和煤油(30 ℃时煤油的粘滞系数μ=2 mPa·s)来做这个实验?使用煤油有缺点吗?为什么有些还要配搅拌器?经过这次对实验异常数据的评估,学生领略了物理世界的复杂,意识到今后在设计实验时,考虑问题需要更加全面.也懂得了实验设计在很多情况下没有完美方案,只有相对较优的方案.

2.4 实验评估之误差分析

在学习了“长度和时间的测量”之后,笔者想起物理教材人教版八年级上册第7页的小故事“伽利略对摆动的研究”,于是指导学生们开展了一次“单摆摆动的快慢和什么因素有关?”的课外探究活动.一方面让学生熟悉秒表的使用,另一方面也让学生了解物理探究的方法和过程.当探究到 “单摆摆动的快慢与摆球质量大小有什么关系?”时,我们采用了在同一根绳子底端挂不同数量钩码的方法,然后记录单摆摆动30次的时间.某小组测量的时间如图13和图14所示,计算出:同一条细绳,挂一个钩码时,单摆摆动一次的时间是2.75 s,挂3个钩码时,单摆摆动一次的时间是2.78 s.

图13 挂1个钩码摆动30次的时间

图14 挂3个钩码摆动30次时间

经过多个小组多次的测量,计算出单摆摆动一次的时间差异都是微乎其微的,考虑到按秒表时手的动作有快有慢,所以大家都可以理解误差的原因.实验的最后学生们得出了“单摆摆动的快慢和摆球质量、摆动幅度无关.与摆长有关,摆长越长,摆动越慢”的结论.

在实验的评估阶段,笔者把各小组记录的,同一条细绳挂1个钩码和3个钩码摆动30次的时间罗列出来,让学生们观察.学生们发现10个小组中,挂3个钩码时摆动的时间略长的数据有8个.提问学生们:“手按秒表的动作有时快有时慢,偏快偏慢的可能性应该是一样的,为什么我们绝大多数小组测量的挂3个钩码时单摆摆动会慢一点呢?”笔者拿出一根橡皮筋,挂上1个钩码和3个钩码,让学生们观察有什么不同.此时有学生想到了,因为3个钩码更重,所以绳子长度可能变长了.接下来让学生们通过实验证明,如图15和图16所示,同一条细绳挂3个钩码时长度确实略微变长了.这恰恰符合了摆长越长,摆动越慢的结论.通过这次的实验评估,学生们知道了无处不在的形变,也知道了误差是不可避免的,而且不一定是由于读数或操作等偶然因素造成的,器材也是误差的来源之一.有时新发现就隐藏在这些不起眼的小小误差中.

图15 挂1个钩码时绳子的长度

图16 挂3个钩码时绳子的长度

2.5 实验评估之拓展新实验项目

在探究“影响电阻大小的因素”时,学生们依次研究了导体的材料、长度、横截面积对电阻大小的影响.最后研究温度对电阻的影响时,采用的方法是我们常见的,把日光灯灯丝和小灯泡串联,加热灯丝的同时观察小灯泡亮度的变化.当看到灯丝被加热后小灯泡亮度变暗了,学生们发出惊叹并立刻得出了:“温度越高,导体的电阻越大”的结论.这里笔者并没有立刻作出纠正,因为空洞的说教是不能让学生内心里真正信服的,而且印象也不深刻.所以在实验评估时提问学生们,仅仅根据日光灯灯丝的电阻随温度升高而变大,就得出了“温度越高,导体的电阻越大”的结论,可靠吗?除了金属,生活中还有什么常见的其他导体?最后笔者推荐学生们探究一下温度对食盐水的导电性的影响.在笔者提供了部分器材的帮助下,学生们比较顺利地完成了这个实验(图17).

图17 温度对食盐水导电性的影响装置图

实验中使用的是学生稳压电源,通过调节电压旋钮,可以稳定输出6 V电压.为了观察更准确,使用电流表测电流,同时对食盐水进行加热.从30 ℃开始记录电流(图18)并绘制图像(图19).学生们发现,电压不变的情况下,食盐水的温度越高,通过的电流越大.即温度越高,食盐水的电阻越小.至此,学生们明白了温度对导体电阻的影响不能片面地说温度越高电阻越大或温度越高电阻越小,有时物理规律是很复杂的,原来的结论只能表达为:“导体的电阻受温度的影响”.通过对前面探究的结论的评估,学生们拓展出了下一个探究的新实验项目,使知识面不断拓宽,能力不断增强.

图19 温度对食盐水导电性的影响电流与温度关系图像

3 实验评估的作用

在整个探究流程里,评估是排在最后的,从评估的角度引导设计实验,看似矛盾实则统一,因为评估也是对前面探究过程的总结和反思.很多时候不是想清楚了再做,而是做了以后才能发现问题,才能想清楚.爱因斯坦曾说已知是一个圆的内部,未知是圆的外部,知道越多,圆的周长越长,遇到的问题就越多.笔者认为科学探究的目的并不是终结所有问题,探究不应带着句号结束,而应带着问号面向将来.实验评估是承前启后,打开未来的钥匙之一.评估本身就可能包含了提出问题和猜想,可以衍生出下一轮探究的设计实验……

获得实验结论无疑是很重要的,通过结论不仅让我们认识了新的自然规律,而且结论对于学生也是解题的工具.但是科学是发展的,我们认识的物理规律随着人类对自然探索的深入有可能是会变化的.相对来讲,科学探究过程中培养学生的探究能力就显得更为重要和珍贵了,它可以为学生终身发展和社会发展提供源源不断的动力.

失败是成功之母,真正的探究经常会面对失败,要让学生勇于试错,大胆创新,培养学生开放的思维.不仅在探究课内实验中尝试新方法新工具,也要善于观察和提问,根据生活情境设计和开展新的课外探究.遇到失败能正确对待,学会评估和反思,改进后反复实验.这才是学生将来进行科学研究时面对的真实情境.

要让学生经历真正的探究过程,允许表达不同的观点,深入探寻不同现象背后的原因,在评估的过程中发现问题,寻找答案,改进实验设计.让不同的思想碰撞出创意的火花,形成物理观念,培养科学思维.