優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué) 培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識(shí)

(杭州第十四中學(xué)，浙江 杭州 310000)

1 證據(jù)意識(shí)的重要意義

“證據(jù)”是指材料,泛指支持觀點(diǎn)的理由和依據(jù);科學(xué)探究過(guò)程中的證據(jù)則是科學(xué)探究過(guò)程中材料、數(shù)據(jù)、原有認(rèn)知的總稱(chēng)．[2]“證據(jù)意識(shí)”指的是對(duì)證據(jù)作用價(jià)值的一種覺(jué)醒和知曉的心理狀態(tài),并在探究活動(dòng)中尋求證據(jù)、分析證據(jù)、表達(dá)證據(jù)的一種科學(xué)理性能力．

1.1 科學(xué)的本質(zhì)將證據(jù)置于科學(xué)探究的核心地位

科學(xué)講究證據(jù)．科學(xué)知識(shí)必須經(jīng)常面對(duì)質(zhì)疑、驗(yàn)證,進(jìn)而發(fā)現(xiàn)其錯(cuò)誤的地方,再加以修改,甚至完全推翻,或證實(shí)其合理性從而接受它,都必須以證據(jù)為基礎(chǔ)．這是科學(xué)本質(zhì)的必然反映與要求．當(dāng)科學(xué)家面對(duì)一個(gè)新觀點(diǎn)時(shí),往往首先會(huì)問(wèn): “有什么支持的證據(jù)?” “所提供的證據(jù)可靠嗎?” “如何作出證實(shí)?”而不是無(wú)條件地、不加懷疑地接受．證據(jù)之所以置于科學(xué)探究的核心地位,是因?yàn)榭茖W(xué)最基本的特性是求真,它以實(shí)證為判別的尺度,以事實(shí)為最高的判斷依據(jù)．例如,愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的提出,由于這些假說(shuō)與人們的常識(shí)相距甚遠(yuǎn),開(kāi)始很難接受．只是當(dāng)它們?cè)陔S后大量的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中獲得證實(shí)之后,才被人們廣泛認(rèn)同;相反,如果一個(gè)假說(shuō)始終得不到可觀察到的事實(shí)證據(jù)的支持,即使它看上去無(wú)比美妙,也無(wú)法被人們普遍地接受．例如,1931年英國(guó)著名科學(xué)家狄拉克首先通過(guò)理論論證,預(yù)言在微觀世界中存在著只有一個(gè)磁極的粒子——磁單極子．此后,許多科學(xué)家致力于尋找磁單極子,但始終沒(méi)能成功．科學(xué)家拒絕確認(rèn)磁單極子存在的最重要理由,就是磁單極子存在的現(xiàn)象并沒(méi)有被多次重復(fù)地觀察到．

1.2 強(qiáng)化證據(jù)意識(shí)對(duì)提升核心素養(yǎng)至關(guān)重要

“證據(jù)”除了在科學(xué)中的重要地位之外,還具有特殊的教育功能．讓“證據(jù)”成為一種“意識(shí)”,有利于發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)．《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》2017版在關(guān)于物理核心素養(yǎng)發(fā)展水平要求的表述中,曾有7次提及“證據(jù)”,可見(jiàn)證據(jù)意識(shí)對(duì)提升學(xué)生核心素養(yǎng)的意義非同一般．對(duì)應(yīng)于物理核心素養(yǎng)的四個(gè)方面,具體闡述如表1.[3]

表1

2 培養(yǎng)證據(jù)意識(shí)的方法

楊振寧明確指出:“絕大部分物理學(xué)是從現(xiàn)象中來(lái)的,現(xiàn)象是物理學(xué)的根源．”丁肇中更是斷言:“所有的自然科學(xué)都是實(shí)驗(yàn)科學(xué)．再好的理論如果與實(shí)驗(yàn)不相符,那么理論就不存在．實(shí)驗(yàn)可以推翻理論,而理論永遠(yuǎn)無(wú)法推翻實(shí)驗(yàn)．”他還說(shuō):“曼哈頓下了一場(chǎng)雨,如果在一千滴雨水中,有一滴是有顏色的,我們就要抓住這一滴不放,去研究它的成因．”

物理學(xué)科的特色就在于“物”和“理”:“物”指事實(shí)證據(jù),“理”即理性思維．物理這種講求事實(shí)證據(jù)、崇尚理性思維的學(xué)科特色,正是培育學(xué)生證據(jù)意識(shí)的優(yōu)勢(shì)所在,尤其是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),不失為培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識(shí)的有效途徑．一般而言,物理實(shí)驗(yàn)探究的基本環(huán)節(jié)如圖1所示.

圖1

我們?cè)谖锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué)中,應(yīng)著力引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成基于證據(jù)來(lái)思考、來(lái)對(duì)話的方法與習(xí)慣,不斷提升他們的證據(jù)意識(shí)．下面筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐就其中幾個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)談點(diǎn)體會(huì)．

2.1 基于“證據(jù)”猜想假設(shè)

科學(xué)假說(shuō)是對(duì)觀察現(xiàn)象的一個(gè)假定性的解釋,或是對(duì)所提出的科學(xué)問(wèn)題的一個(gè)推測(cè)性回答,必定要有驗(yàn)證活動(dòng)緊隨其后．教師應(yīng)當(dāng)培養(yǎng)學(xué)生一種習(xí)慣,即每提出一個(gè)主張,就必須有支持該主張的“資料和理由”,認(rèn)識(shí)到自己的主張不能是毫無(wú)根據(jù)的,而需要在一定的理性、邏輯和事實(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行論證．

科學(xué)猜想本質(zhì)上是一種創(chuàng)造性的科學(xué)思維活動(dòng),其顯著特點(diǎn)是發(fā)散性思維與收斂性思維緊密結(jié)合．由此,我們既要鼓勵(lì)學(xué)生大膽的“猜”(發(fā)散思維),提出各種可能性,更要引導(dǎo)學(xué)生縝密地“想”(收斂思維),分析論證合理性．

例如,學(xué)習(xí)“庫(kù)侖定律”一節(jié),在討論電荷間相互作用與哪些因素有關(guān)時(shí),學(xué)生會(huì)提出很多猜想,諸如電荷量、電荷間距離、質(zhì)量、形狀、介質(zhì)、溫度……,等等．但猜想不是胡猜亂想．這里重要的不僅是猜想本身,更是其背后的依據(jù),即需學(xué)生說(shuō)清“如果出現(xiàn)什么樣的情況,證明我的想法是正確的”．教學(xué)中要力戒學(xué)生“猜而不想”、教師“生拉硬拽”的現(xiàn)象．

為此,教學(xué)中就讓學(xué)生對(duì)此展開(kāi)充分的討論與交流．有許多學(xué)生根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)象,比如牛角梳子梳頭發(fā)的例子,來(lái)說(shuō)明電荷相互作用力與電荷量及距離有關(guān),也有同學(xué)通過(guò)與萬(wàn)有引力定律類(lèi)比,對(duì)猜想提供進(jìn)一步的佐證;通過(guò)討論,大家認(rèn)為帶電體的質(zhì)量應(yīng)與萬(wàn)有引力相關(guān),而不是影響電荷間作用力大小的因素;至于帶電體的形狀大小、介質(zhì)、溫度等因素,它們可能會(huì)對(duì)電荷間的作用產(chǎn)生影響,但鑒于以前研究物理問(wèn)題的方法與經(jīng)驗(yàn),同學(xué)們主張從最簡(jiǎn)單的情況入手,他們運(yùn)用理想化的方法,提出以“點(diǎn)電荷”為研究對(duì)象,以“真空中”為介質(zhì)條件,最終形成了合理的猜想,并自主完成了相應(yīng)物理模型的構(gòu)建．顯然,這樣的教學(xué)過(guò)程有利于學(xué)生證據(jù)意識(shí)的培育,其本質(zhì)也是一種“有意義的學(xué)習(xí)”過(guò)程．

2.2 基于“證據(jù)” 設(shè)計(jì)方案

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,教師應(yīng)當(dāng)努力把發(fā)現(xiàn)的任務(wù)交給學(xué)生,讓學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)探究的主人,讓他們充分體驗(yàn)到智力勞動(dòng)的艱辛以及科學(xué)發(fā)現(xiàn)的喜悅,從而激發(fā)其強(qiáng)烈的探索精神,培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力．

但在實(shí)際教學(xué)中,為讓學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)任務(wù),常有教師會(huì)事無(wú)巨細(xì)地做好各種準(zhǔn)備,如實(shí)驗(yàn)器材的選擇、儀器的裝配等,也會(huì)不厭其煩地向?qū)W生告知實(shí)驗(yàn)的步驟、注意事項(xiàng),甚至還要親手操作示范……,留給學(xué)生做的就只需“照方抓藥”、機(jī)械操作了．這樣做看似簡(jiǎn)捷省時(shí),但效果定然不好．實(shí)驗(yàn)教學(xué)中我們不能只關(guān)注實(shí)驗(yàn)結(jié)論的重復(fù)性,更要突出實(shí)驗(yàn)思想的探索性．學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不僅要?jiǎng)邮?也要?jiǎng)幽X,更要?jiǎng)有模處熞朴谧プ?shí)驗(yàn)的“牛鼻子”,引導(dǎo)學(xué)生緊扣實(shí)驗(yàn)原理,自主設(shè)計(jì)方案,并養(yǎng)成“實(shí)驗(yàn)三問(wèn)”的意識(shí)與習(xí)慣:一問(wèn)實(shí)驗(yàn)“怎么做?”(知其然);二問(wèn)實(shí)驗(yàn)“為什么這樣做?”(知其所以然);三問(wèn)實(shí)驗(yàn)“還可以怎么做?”(知其所盡然)．

以測(cè)定本地重力加速度的實(shí)驗(yàn)為例．在明確實(shí)驗(yàn)任務(wù)與要求后,我們就放手讓學(xué)生根據(jù)已學(xué)的知識(shí),自己設(shè)計(jì)并提出實(shí)驗(yàn)方案．由于問(wèn)題的開(kāi)放性和民主性,極大地激發(fā)了學(xué)生的探索欲望．他們通過(guò)充分的討論,設(shè)想出多種方案,例如

(1) 物體豎直懸掛,由T=mg,測(cè)得g;

……

類(lèi)似的方案還可提出很多．從理論上講,凡是涉及重力速度g的物理規(guī)律,都可以作為設(shè)計(jì)測(cè)定g的實(shí)驗(yàn)方案的依據(jù);但從實(shí)踐上看,并非所有方案都是可行的,學(xué)生們還根據(jù)實(shí)際情況,進(jìn)一步予以分析和評(píng)價(jià)．如就上述方案而言,方案(5)裝置復(fù)雜,顯然超出了中學(xué)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)有條件;方案(3)中斜面光滑的要求實(shí)際很難做到;方案(1)、(2)雖然簡(jiǎn)單易行,但懸線拉力、落體時(shí)間等測(cè)量誤差都較大．相比之下,方案(4)不僅操作方便,而且測(cè)量精度高,不失為一種可行的實(shí)驗(yàn)方案．課本也正是采用單擺來(lái)測(cè)定重力加速度的．通過(guò)上述實(shí)例分析,可將實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的基本思路歸納如圖2所示.

即根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?廣泛聯(lián)系和運(yùn)用已學(xué)的知識(shí)與方法,初步設(shè)計(jì)并提出多種可能的實(shí)驗(yàn)方案;再按照可靠、簡(jiǎn)便、精確等原則,同時(shí)結(jié)合實(shí)際提供的條件,從中選擇并確定可行的實(shí)驗(yàn)方案．而所有這些,都離不開(kāi)實(shí)證意識(shí)的引領(lǐng),以及實(shí)證材料的支持．

2.3 基于“證據(jù)”數(shù)據(jù)分析

英國(guó)教育家洛克說(shuō)過(guò),“熱愛(ài)真理的確實(shí)特征,是對(duì)任何一個(gè)命題的接受絕不超過(guò)其證據(jù)所顯示的程度．”真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是事實(shí)和現(xiàn)象的客觀反映,是開(kāi)展科學(xué)探究活動(dòng)的基礎(chǔ)．教師應(yīng)讓學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)真實(shí)的重要性有充分的認(rèn)識(shí),讓學(xué)生養(yǎng)成尊重?cái)?shù)據(jù),客觀、科學(xué)處理數(shù)據(jù)的良好習(xí)慣,這對(duì)學(xué)生證據(jù)意識(shí)的培養(yǎng)有著至關(guān)重要的作用．

圖3

有一次學(xué)生做“驗(yàn)證玻意耳定律”的實(shí)驗(yàn)(如圖3),在批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí),筆者發(fā)現(xiàn)有的學(xué)生隨意涂改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．經(jīng)了解,原來(lái)他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中當(dāng)增加砝碼使活塞下壓時(shí),測(cè)得的p、V乘積偏小,而用彈簧稱(chēng)將活塞上拉時(shí),p、V乘積又偏大．為了湊得與課本相同的結(jié)論,他們就更改了原始數(shù)據(jù)．筆者就抓住這件事例,結(jié)合物理學(xué)史向?qū)W生們講了開(kāi)普勒“八弧分”的故事,進(jìn)行求真務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度的教育,同時(shí)要求大家針對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差全面分析,查找原因．經(jīng)過(guò)分析,最后終于找到了癥結(jié)所在．原來(lái)是該組學(xué)生所用的橡皮帽已嚴(yán)重老化,密閉性很差,加上實(shí)驗(yàn)操作時(shí)動(dòng)作過(guò)快過(guò)猛,造成活塞下壓時(shí)漏氣(氣體質(zhì)量減少)從而pV變小,上拉時(shí)進(jìn)氣(氣體質(zhì)量增加)造成pV變大．找到原因后,原先涂改數(shù)據(jù)的同學(xué)主動(dòng)要求重做實(shí)驗(yàn),終于得出了正確的結(jié)果．通過(guò)這件事,學(xué)生提高的不僅僅是實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能,更多的是對(duì)“證據(jù)意識(shí)”的認(rèn)同,以及實(shí)事求科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)．

令人欣慰的是,教師的這份用心在學(xué)生身上產(chǎn)生了積極的作用．有一次做“描繪等勢(shì)線”的學(xué)生實(shí)驗(yàn),多數(shù)同學(xué)畫(huà)出的等量異種電荷等勢(shì)線都如圖4所示,與書(shū)本上的圖樣基本一致,但也發(fā)現(xiàn)有一位同學(xué)畫(huà)出的等勢(shì)線如圖5所示,與標(biāo)準(zhǔn)圖樣明顯有別．據(jù)了解,這并非是他實(shí)驗(yàn)馬虎、誤差過(guò)大所致,該學(xué)生曾經(jīng)重復(fù)做了好幾次,結(jié)果都是如此．對(duì)于學(xué)生這種尊重實(shí)證的意識(shí)以及實(shí)事求是的態(tài)度,教師表示了充分的肯定與贊賞．鑒于這位學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較好,還建議他參考大學(xué)相關(guān)教材,去進(jìn)一步思考這個(gè)問(wèn)題．幾天過(guò)后,這位學(xué)生興沖沖地找到我,談了他的見(jiàn)解:原來(lái)課本是用“穩(wěn)恒電流場(chǎng)”來(lái)模擬“點(diǎn)電荷靜電場(chǎng)”,進(jìn)而描繪出等勢(shì)線的,這就要求前者的范圍無(wú)限大(或者足夠大),但我們做實(shí)驗(yàn)所用的導(dǎo)電紙尺寸都很小,滿足不了模擬條件,于是會(huì)發(fā)生“邊緣效應(yīng)”,使得導(dǎo)電紙邊緣附近的等勢(shì)線發(fā)生畸變,就如圖5那樣．事后,筆者以此為典型,還讓他向全班學(xué)生匯報(bào)自己的體會(huì)與認(rèn)識(shí)．看著他激動(dòng)地站在講臺(tái)上侃侃而談,筆者想這件事對(duì)于他的意義與價(jià)值,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了實(shí)驗(yàn)本身．

2.4 基于“證據(jù)”推理論證

著名物理學(xué)家密立根說(shuō)過(guò):“科學(xué)是在用理論和實(shí)驗(yàn)這兩只腳前進(jìn)的．有時(shí)是這只腳先邁出一步,有時(shí)是另一只腳先邁出一步,但是前進(jìn)要靠?jī)芍荒_……”．同樣地,物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)也離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)觀察和理性思維,兩者不可偏廢．

例如“曲線運(yùn)動(dòng)速度方向”的教學(xué),一般都是通過(guò)觀察現(xiàn)象,諸如雨傘甩出的水滴、砂輪濺出的火星…,進(jìn)而得出結(jié)論:質(zhì)點(diǎn)在某點(diǎn)的速度沿曲線在這一點(diǎn)的切線方向．如此教學(xué)看起來(lái)似乎順理成章,其實(shí)并不可取,這樣的推理論證更不符合科學(xué)的規(guī)范,因?yàn)樗皇沁~出了“一只腳”．通過(guò)大量現(xiàn)象的觀察,許多學(xué)生都會(huì)由此提出:曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向可能沿曲線的切線方向．但這僅僅是一種猜想,它還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證．首先是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．學(xué)生用蘸有墨水的小球,沿著由幾段拼接而成的軌道做曲線運(yùn)動(dòng)(如圖6),他們發(fā)現(xiàn)無(wú)論小球在何處脫離軌道,它在底板上留下的軌跡都與該點(diǎn)處的切線方向吻合,從而為猜想提供了實(shí)證．接著是邏輯推理．教學(xué)中可引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)如下問(wèn)題的思考,對(duì)上述猜想予以進(jìn)一步的分析論證.

(1) 如圖7,若質(zhì)點(diǎn)在A點(diǎn)脫離軌道沿切線飛出,它做什么運(yùn)動(dòng)?(勻速直線運(yùn)動(dòng))

(2) 勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度方向有何特點(diǎn)?(每一點(diǎn)的速度方向總是沿著直線的方向)

(3) 據(jù)此可以確定質(zhì)點(diǎn)在A點(diǎn)時(shí)的速度方向嗎?(因?yàn)锳點(diǎn)也在這條直線上,所以它的速度方向一定沿此直線方向,也就是沿A點(diǎn)的切線方向．)

通過(guò)上述“實(shí)驗(yàn)觀察+理性思維”的教學(xué)過(guò)程,學(xué)生不僅對(duì)所學(xué)知識(shí)有了更深入的理解,也使他們經(jīng)歷了一次基于證據(jù)進(jìn)行科學(xué)推理論證的有益嘗試．

在科學(xué)共同體中,科學(xué)家總是會(huì)通過(guò)相互交流論辯的方式來(lái)闡明自己的觀點(diǎn),以促進(jìn)對(duì)科學(xué)知識(shí)的認(rèn)同．同樣地,在課堂教學(xué)中也應(yīng)讓學(xué)生如同科學(xué)家一樣參與知識(shí)形成的過(guò)程,鼓勵(lì)他們發(fā)表不同觀點(diǎn),并能尋找、提出相關(guān)證據(jù)來(lái)維護(hù)自己的想法．教師需適時(shí)提供機(jī)會(huì),讓學(xué)生就彼此的想法進(jìn)行對(duì)話,經(jīng)由學(xué)生之間的質(zhì)疑與評(píng)價(jià),達(dá)成對(duì)知識(shí)、概念的理解．

以“光電效應(yīng)”的教學(xué)為例．課本中的演示實(shí)驗(yàn)方案是用紫外線去照射原先帶負(fù)電的鋅板,結(jié)果與鋅板相連的驗(yàn)電器的指針逐漸閉合．課本由此指出:鋅板因光的照射而失去了電子,這就是光電效應(yīng)現(xiàn)象．如此教學(xué)似乎是水到渠成沒(méi)有什么問(wèn)題,其實(shí)有的學(xué)生會(huì)心存疑慮:鋅板負(fù)電荷的消失會(huì)不會(huì)是紫外線的電離作用引起的?也有學(xué)生可能因此而產(chǎn)生誤解,以為光電效應(yīng)就是特指原先多余電子被釋放的現(xiàn)象．針對(duì)這種情況,我們?cè)诮虒W(xué)中就鼓勵(lì)學(xué)生勇于質(zhì)疑,大膽發(fā)表不同的意見(jiàn),并且要求他們能夠?qū)で笞C據(jù)來(lái)支持自己的觀點(diǎn)．例如針對(duì)“鋅板負(fù)電荷消失是否因紫外線電離作用所致”的問(wèn)題,有學(xué)生提出將鋅板帶上正電荷試試,也有學(xué)生建議在鋅板與紫外線燈之間放置一塊玻璃板(普通玻璃能夠隔離紫外線),通過(guò)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明紫外線的電離作用并不是鋅板失去電子的原因．隨著這一問(wèn)題的解決,激起了學(xué)生更大的質(zhì)疑熱情,他們又從不同角度提出了更多新的問(wèn)題,例如，除了紫外線,還可以用其它的光照射嗎?除了鋅板,還可以用其他的材料嗎?讓紫外線照射原先不帶電的鋅板,驗(yàn)電器的指針會(huì)張開(kāi)嗎?…等等．這些問(wèn)題的提出,不僅表明學(xué)生的思維高度活躍,已經(jīng)進(jìn)入深度學(xué)習(xí)狀態(tài),更為后續(xù)的教學(xué)提供了豐富而又鮮活的資源．針對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題,我們?cè)O(shè)計(jì)了如下的實(shí)驗(yàn)變式:① 改變光照條件——不但用紫外光,還用白熾燈光照射;② 改變材料條件——不但用鋅板,還改用鐵板、鋁板等;③ 改變初始條件——不但用紫外光去照射帶負(fù)電的鋅板,也去照帶正電的鋅板,最后還要照不帶電的鋅板，等等．通過(guò)一系列的變式實(shí)驗(yàn),同時(shí)輔以積極的思維活動(dòng),起到了撇開(kāi)次要因素,排除干擾因素,強(qiáng)化本質(zhì)因素的作用,從而將所研究的物理現(xiàn)象以更為簡(jiǎn)化和純化的形態(tài)顯露出來(lái),使學(xué)生準(zhǔn)確把握光電效應(yīng)現(xiàn)象的物理本質(zhì)．這樣的教學(xué),不僅有利于學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解與掌握,對(duì)于他們證據(jù)意識(shí)、能力的培養(yǎng)乃至科學(xué)素養(yǎng)的提升,更是一次有益的歷練．