科学思维缺失导致实验能力下降

夏季云

摘 要：现在物理高考实验的走向表明：一方面重视“操作”的考查，另一方面重视原理的应用考查及数据处理。对于前者主要体现在有没有动手练习过，后者主要体现对原理的理解及应用数学处理物理问题的能力。某些中学对实验教学普遍不够重视，导致学生科学思维得不到很好的训练，实验能力当然得不到应有的发展，需要认真的改进。

关键词：科学思维；实验能力；操作；数据处理

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）9-0059-3

科学思维，也叫科学逻辑，即形成并运用于科学认识活动、对感性认识材料进行加工处理的方式与途径的理论体系；它是真理在认识的统一过程中，对各种科学的思维方法的有机整合，它是人类实践活动的产物。在科学认识活动中，科学思维必须遵守3个基本原则：在逻辑上要求严密的逻辑性，达到归纳和演绎的统一；在方法上要求辩证地分析和综合两种思维方法；在体系上，实现逻辑与历史的一致，达到理论与实践的具体的、历史的统一。

从核心素养的视角来看，物理学科科学思维包括：建模意识和能力、科学推理、寻找规律、形成结论，解释和解决实际问题；证据意识，证据能力（对研究的问题描述、解释和预测；批判思维、基于证据质疑、创新）。

关于实验典型操作（教材提供）的考查是过去高考中的主要形式，但随着高考时间的积累，命题人员受课程标准、教材、考试说明要求的种种限制，命题思路也发生了根本变化，现在的实验考查几乎找不到与教材一样的迹象，当然本质上肯定不会脱离教材，超越考试要求。

关于实验能力的考查，现在物理高考实验的走向表明：一方面重视“操作”的考查，另一方面重视原理的应用考查及数据处理。对于前者主要体现在有没有动手练习过，后者主要体现对原理的理解及应用数学处理物理问题的能力。现在的实验考查体现了科学素养中的科学推理、寻找规律、形成结论，解释和解决实际问题；证据意识，证据能力。

当下中学对实验教学普遍不够重视，主要有以下表现：

一是实验教学中实验操作的简单化、形式化。学生看教师实验，然后简单模仿，实验报告人为编造或干脆不写。

二是实验练习（试题）编制笼统化。如“实验：探究加速度与力、质量的关系”中不分情况总是认为一定要满足m<

三是学生实验学习的机械化。由于学时限制，高考录取制度等因素，学生实验学习更多的以记忆为主，对原理、过程不去理解。

四是实验教学重形式轻思维。教师要么不做实验，要么应付实验，对实验的变式训练非常欠缺，对实验结果缺少理性思考。

以上问题的存在导致学生科学思维得不到很好的训练，实验能力当然得不到应有的发展。

下面以江苏2016高考物理实验题为例作一说明。

10.（8分）小明同学通过实验探究某一金属电阻的阻值R随温度t的变化关系。已知该金属电阻在常温下的阻值约为10 Ω，R随t的升高而增大。实验电路如图1所示，控温箱用以调节金属电阻的温值。

实验时闭合S，先将开关K与1端闭合，调节金属电阻的温度，分别记下温度t1，t2，……和电流表的相应示数I1，I2，……。然后，将开关K与2端闭合，调节电阻箱使电流表的实数再次为I1，I2，……，分别记下电阻箱相应的示数R1，R2，……。

（1）有以下两电流表，实验电路中应选用

A.量程为0～100 mA，内阻约为2 Ω

B.量程为0～0.6 A，内阻可忽略

（2）实验过程中，要将电阻箱的阻值由9.9 Ω调节至10.0 Ω，需旋转图中电阻箱的旋钮“a”“b”“c”，正确的操作顺序是_______________

①将旋钮a由“0”旋转至“1”

②将旋钮b由“9”旋转至“0”

③将旋钮c由“9”旋转至“0”

（3）实验记录的t和R数据见表1

请根据表中数据，在答题卡的方格纸上作出R-t图像（如图2）。

由图线求得R随t的变化关系为R=_____。

考后学生反映：（1）学生选B的理由主要有两条，一是电表内阻可忽略，二是量程大；（2）学生不知所然，找不到判据；（3）不习惯从图像中直接找，总是想去推导出R随t的变化关系。

问题解决出错的根源是缺少对电学实验原则的深度理解：（1）电表量程选择的依据是安全前提下利于读数，尽管电表内阻一般对测量结果带来误差，但绝不能认为是全部，一定要从电路连接实际和电路的规律综合考虑后判断；（2）电阻箱本质上也是变阻器的一种，电路连接的安全性要求连入电路的电阻在电路闭合前要尽可能大；（3）在坐标纸上作图时如何描绘平滑曲线，对不合理的测量值大胆舍弃。

对本题作一具体分析，电阻的测量采用的是等效替代法，电表的内阻对测量结果不构成影响，滑动变阻器采用的是限流接法，电源电动势为1.5 V，金属电阻在常温下的阻值约为10 Ω，R随t的升高而增大，滑动变阻器的阻值为0～10 Ω，根据欧姆定律知，电流至少可控制在75 mA以下，考虑电表内阻不影响结果及安全因素两表均可使用，考虑有利于读数，量程选0～100 mA更好。

11.（10分）某同学用如题11-1图所示的装置验证机械能守恒定律（图3）。一根细线系住钢球，悬挂着铁架台上，钢球静止于A点，光电门固定在A的正下方。在钢球底部竖直地粘住一片宽带为d的遮光条。将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间t由计时器测出，取v=作为钢球经过A点时的速度。记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t，计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小ΔEp与动能变化大小ΔEk，就能验证机械能是否守恒。

（1）ΔEp=mgh计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到_______________之间的竖直距离

A.钢球在A点时的顶端

B.钢球在A点时的球心

C.钢球到A点时的底端

（2）用ΔEk=mv2计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测量遮光条的宽度，示数如题11-2图所示（图4），其读数为_____cm。某次测量中，计时器的示数为0.0100 s，则钢球的速度v=___m/s。

（3）表2为该同学的实验结果：

他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的。你是否同意他的观点？请说明理由。

（4）请你提出一条减小上述差异的改进建议。

考后学生反映：（1）略；（2）略；（3）类型一：一定存在的，空气阻力是重要原因，所以同意题述观点；类型二：动能增加怎么可能超过势能减少，实验数据是否有误。

从宏观上看，问题解决出错的根源是缺少对实验原理及物理概念的深度理解：（1）略；（2）略；（3）实验目的是验证机械能守恒定律。动能变化量的确定，速度如何测量；势能变化量的确定，高度变化如何测量。实验装置及操作中哪些因素可能对测量结果产生影响。

对本题作一具体分析，研究的对象是钢球。钢球高度的变化用重心位置的变化来表示，学生易于接受；用遮光条的速度等效替代钢球的速度，遮光条速度的测量采用的是平均速度等效替代瞬时速度，学生自然会意识到遮光条与钢球离圆心位置的不同存在差异，导致线速度不一样，这一差异是造成动能增加超过势能减少的根本原因；从运动过程看空气阻力对实验结果的影响客观存在；平均速度代替瞬时速度会带来误差；遮光条动能对实验结果会带来影响；钢球中心高度变化给测量带来误差……

以上分析表明，造成错误的原因体现在以下几个方面：学生实验学习满足于简单操作，不求甚解，对实验原理不深度理解，对实验操作过程不深入分析，对数据处理及实验结果不科学对待。总之，对实验教学的不重视和实验学习的不当造成了学生的科学思维欠缺，结果影响了学生实验能力的发展。

（栏目编辑 王柏庐）