优化物理实验教学 培养学生证据意识

(杭州第十四中学，浙江 杭州 310000)

1 证据意识的重要意义

“证据”是指材料,泛指支持观点的理由和依据;科学探究过程中的证据则是科学探究过程中材料、数据、原有认知的总称．[2]“证据意识”指的是对证据作用价值的一种觉醒和知晓的心理状态,并在探究活动中寻求证据、分析证据、表达证据的一种科学理性能力．

1.1 科学的本质将证据置于科学探究的核心地位

科学讲究证据．科学知识必须经常面对质疑、验证,进而发现其错误的地方,再加以修改,甚至完全推翻,或证实其合理性从而接受它,都必须以证据为基础．这是科学本质的必然反映与要求．当科学家面对一个新观点时,往往首先会问: “有什么支持的证据?” “所提供的证据可靠吗?” “如何作出证实?”而不是无条件地、不加怀疑地接受．证据之所以置于科学探究的核心地位,是因为科学最基本的特性是求真,它以实证为判别的尺度,以事实为最高的判断依据．例如,爱因斯坦狭义相对论的提出,由于这些假说与人们的常识相距甚远,开始很难接受．只是当它们在随后大量的观测实验中获得证实之后,才被人们广泛认同;相反,如果一个假说始终得不到可观察到的事实证据的支持,即使它看上去无比美妙,也无法被人们普遍地接受．例如,1931年英国著名科学家狄拉克首先通过理论论证,预言在微观世界中存在着只有一个磁极的粒子——磁单极子．此后,许多科学家致力于寻找磁单极子,但始终没能成功．科学家拒绝确认磁单极子存在的最重要理由,就是磁单极子存在的现象并没有被多次重复地观察到．

1.2 强化证据意识对提升核心素养至关重要

“证据”除了在科学中的重要地位之外,还具有特殊的教育功能．让“证据”成为一种“意识”,有利于发展学生的核心素养．《普通高中物理课程标准》2017版在关于物理核心素养发展水平要求的表述中,曾有7次提及“证据”,可见证据意识对提升学生核心素养的意义非同一般．对应于物理核心素养的四个方面,具体阐述如表1.[3]

表1

2 培养证据意识的方法

杨振宁明确指出:“绝大部分物理学是从现象中来的,现象是物理学的根源．”丁肇中更是断言:“所有的自然科学都是实验科学．再好的理论如果与实验不相符,那么理论就不存在．实验可以推翻理论,而理论永远无法推翻实验．”他还说:“曼哈顿下了一场雨,如果在一千滴雨水中,有一滴是有颜色的,我们就要抓住这一滴不放,去研究它的成因．”

物理学科的特色就在于“物”和“理”:“物”指事实证据,“理”即理性思维．物理这种讲求事实证据、崇尚理性思维的学科特色,正是培育学生证据意识的优势所在,尤其是物理实验教学,不失为培养学生证据意识的有效途径．一般而言,物理实验探究的基本环节如图1所示.

图1

我们在物理实验教学中,应着力引导学生养成基于证据来思考、来对话的方法与习惯,不断提升他们的证据意识．下面笔者结合教学实践就其中几个环节来谈点体会．

2.1 基于“证据”猜想假设

科学假说是对观察现象的一个假定性的解释,或是对所提出的科学问题的一个推测性回答,必定要有验证活动紧随其后．教师应当培养学生一种习惯,即每提出一个主张,就必须有支持该主张的“资料和理由”,认识到自己的主张不能是毫无根据的,而需要在一定的理性、逻辑和事实的基础上进行论证．

科学猜想本质上是一种创造性的科学思维活动,其显著特点是发散性思维与收敛性思维紧密结合．由此,我们既要鼓励学生大胆的“猜”(发散思维),提出各种可能性,更要引导学生缜密地“想”(收敛思维),分析论证合理性．

例如,学习“库仑定律”一节,在讨论电荷间相互作用与哪些因素有关时,学生会提出很多猜想,诸如电荷量、电荷间距离、质量、形状、介质、温度……,等等．但猜想不是胡猜乱想．这里重要的不仅是猜想本身,更是其背后的依据,即需学生说清“如果出现什么样的情况,证明我的想法是正确的”．教学中要力戒学生“猜而不想”、教师“生拉硬拽”的现象．

为此,教学中就让学生对此展开充分的讨论与交流．有许多学生根据日常生活经验或现象,比如牛角梳子梳头发的例子,来说明电荷相互作用力与电荷量及距离有关,也有同学通过与万有引力定律类比,对猜想提供进一步的佐证;通过讨论,大家认为带电体的质量应与万有引力相关,而不是影响电荷间作用力大小的因素;至于带电体的形状大小、介质、温度等因素,它们可能会对电荷间的作用产生影响,但鉴于以前研究物理问题的方法与经验,同学们主张从最简单的情况入手,他们运用理想化的方法,提出以“点电荷”为研究对象,以“真空中”为介质条件,最终形成了合理的猜想,并自主完成了相应物理模型的构建．显然,这样的教学过程有利于学生证据意识的培育,其本质也是一种“有意义的学习”过程．

2.2 基于“证据” 设计方案

实验教学中,教师应当努力把发现的任务交给学生,让学生成为实验探究的主人,让他们充分体验到智力劳动的艰辛以及科学发现的喜悦,从而激发其强烈的探索精神,培养创新思维能力．

但在实际教学中,为让学生顺利完成实验任务,常有教师会事无巨细地做好各种准备,如实验器材的选择、仪器的装配等,也会不厌其烦地向学生告知实验的步骤、注意事项,甚至还要亲手操作示范……,留给学生做的就只需“照方抓药”、机械操作了．这样做看似简捷省时,但效果定然不好．实验教学中我们不能只关注实验结论的重复性,更要突出实验思想的探索性．学生在实验过程中不仅要动手,也要动脑,更要动心．教师要善于抓住实验的“牛鼻子”,引导学生紧扣实验原理,自主设计方案,并养成“实验三问”的意识与习惯:一问实验“怎么做?”(知其然);二问实验“为什么这样做?”(知其所以然);三问实验“还可以怎么做?”(知其所尽然)．

以测定本地重力加速度的实验为例．在明确实验任务与要求后,我们就放手让学生根据已学的知识,自己设计并提出实验方案．由于问题的开放性和民主性,极大地激发了学生的探索欲望．他们通过充分的讨论,设想出多种方案,例如

(1) 物体竖直悬挂,由T=mg,测得g;

……

类似的方案还可提出很多．从理论上讲,凡是涉及重力速度g的物理规律,都可以作为设计测定g的实验方案的依据;但从实践上看,并非所有方案都是可行的,学生们还根据实际情况,进一步予以分析和评价．如就上述方案而言,方案(5)装置复杂,显然超出了中学实验的现有条件;方案(3)中斜面光滑的要求实际很难做到;方案(1)、(2)虽然简单易行,但悬线拉力、落体时间等测量误差都较大．相比之下,方案(4)不仅操作方便,而且测量精度高,不失为一种可行的实验方案．课本也正是采用单摆来测定重力加速度的．通过上述实例分析,可将实验方案设计的基本思路归纳如图2所示.

即根据实验目的要求,广泛联系和运用已学的知识与方法,初步设计并提出多种可能的实验方案;再按照可靠、简便、精确等原则,同时结合实际提供的条件,从中选择并确定可行的实验方案．而所有这些,都离不开实证意识的引领,以及实证材料的支持．

2.3 基于“证据”数据分析

英国教育家洛克说过,“热爱真理的确实特征,是对任何一个命题的接受绝不超过其证据所显示的程度．”真实的实验数据是事实和现象的客观反映,是开展科学探究活动的基础．教师应让学生对数据真实的重要性有充分的认识,让学生养成尊重数据,客观、科学处理数据的良好习惯,这对学生证据意识的培养有着至关重要的作用．

图3

有一次学生做“验证玻意耳定律”的实验(如图3),在批阅实验报告时,笔者发现有的学生随意涂改实验数据．经了解,原来他们在实验中当增加砝码使活塞下压时,测得的p、V乘积偏小,而用弹簧称将活塞上拉时,p、V乘积又偏大．为了凑得与课本相同的结论,他们就更改了原始数据．笔者就抓住这件事例,结合物理学史向学生们讲了开普勒“八弧分”的故事,进行求真务实的科学态度的教育,同时要求大家针对实验误差全面分析,查找原因．经过分析,最后终于找到了症结所在．原来是该组学生所用的橡皮帽已严重老化,密闭性很差,加上实验操作时动作过快过猛,造成活塞下压时漏气(气体质量减少)从而pV变小,上拉时进气(气体质量增加)造成pV变大．找到原因后,原先涂改数据的同学主动要求重做实验,终于得出了正确的结果．通过这件事,学生提高的不仅仅是实验知识和技能,更多的是对“证据意识”的认同,以及实事求科学态度的培养．

令人欣慰的是,教师的这份用心在学生身上产生了积极的作用．有一次做“描绘等势线”的学生实验,多数同学画出的等量异种电荷等势线都如图4所示,与书本上的图样基本一致,但也发现有一位同学画出的等势线如图5所示,与标准图样明显有别．据了解,这并非是他实验马虎、误差过大所致,该学生曾经重复做了好几次,结果都是如此．对于学生这种尊重实证的意识以及实事求是的态度,教师表示了充分的肯定与赞赏．鉴于这位学生的学习基础较好,还建议他参考大学相关教材,去进一步思考这个问题．几天过后,这位学生兴冲冲地找到我,谈了他的见解:原来课本是用“稳恒电流场”来模拟“点电荷静电场”,进而描绘出等势线的,这就要求前者的范围无限大(或者足够大),但我们做实验所用的导电纸尺寸都很小,满足不了模拟条件,于是会发生“边缘效应”,使得导电纸边缘附近的等势线发生畸变,就如图5那样．事后,笔者以此为典型,还让他向全班学生汇报自己的体会与认识．看着他激动地站在讲台上侃侃而谈,笔者想这件事对于他的意义与价值,已经远远超越了实验本身．

2.4 基于“证据”推理论证

著名物理学家密立根说过:“科学是在用理论和实验这两只脚前进的．有时是这只脚先迈出一步,有时是另一只脚先迈出一步,但是前进要靠两只脚……”．同样地,物理实验教学也离不开实验观察和理性思维,两者不可偏废．

例如“曲线运动速度方向”的教学,一般都是通过观察现象,诸如雨伞甩出的水滴、砂轮溅出的火星…,进而得出结论:质点在某点的速度沿曲线在这一点的切线方向．如此教学看起来似乎顺理成章,其实并不可取,这样的推理论证更不符合科学的规范,因为它只是迈出了“一只脚”．通过大量现象的观察,许多学生都会由此提出:曲线运动的速度方向可能沿曲线的切线方向．但这仅仅是一种猜想,它还有待进一步的验证．首先是实验验证．学生用蘸有墨水的小球,沿着由几段拼接而成的轨道做曲线运动(如图6),他们发现无论小球在何处脱离轨道,它在底板上留下的轨迹都与该点处的切线方向吻合,从而为猜想提供了实证．接着是逻辑推理．教学中可引导学生通过如下问题的思考,对上述猜想予以进一步的分析论证.

(1) 如图7,若质点在A点脱离轨道沿切线飞出,它做什么运动?(匀速直线运动)

(2) 匀速直线运动的速度方向有何特点?(每一点的速度方向总是沿着直线的方向)

(3) 据此可以确定质点在A点时的速度方向吗?(因为A点也在这条直线上,所以它的速度方向一定沿此直线方向,也就是沿A点的切线方向．)

通过上述“实验观察+理性思维”的教学过程,学生不仅对所学知识有了更深入的理解,也使他们经历了一次基于证据进行科学推理论证的有益尝试．

在科学共同体中,科学家总是会通过相互交流论辩的方式来阐明自己的观点,以促进对科学知识的认同．同样地,在课堂教学中也应让学生如同科学家一样参与知识形成的过程,鼓励他们发表不同观点,并能寻找、提出相关证据来维护自己的想法．教师需适时提供机会,让学生就彼此的想法进行对话,经由学生之间的质疑与评价,达成对知识、概念的理解．

以“光电效应”的教学为例．课本中的演示实验方案是用紫外线去照射原先带负电的锌板,结果与锌板相连的验电器的指针逐渐闭合．课本由此指出:锌板因光的照射而失去了电子,这就是光电效应现象．如此教学似乎是水到渠成没有什么问题,其实有的学生会心存疑虑:锌板负电荷的消失会不会是紫外线的电离作用引起的?也有学生可能因此而产生误解,以为光电效应就是特指原先多余电子被释放的现象．针对这种情况,我们在教学中就鼓励学生勇于质疑,大胆发表不同的意见,并且要求他们能够寻求证据来支持自己的观点．例如针对“锌板负电荷消失是否因紫外线电离作用所致”的问题,有学生提出将锌板带上正电荷试试,也有学生建议在锌板与紫外线灯之间放置一块玻璃板(普通玻璃能够隔离紫外线),通过实验,结果表明紫外线的电离作用并不是锌板失去电子的原因．随着这一问题的解决,激起了学生更大的质疑热情,他们又从不同角度提出了更多新的问题,例如，除了紫外线,还可以用其它的光照射吗?除了锌板,还可以用其他的材料吗?让紫外线照射原先不带电的锌板,验电器的指针会张开吗?…等等．这些问题的提出,不仅表明学生的思维高度活跃,已经进入深度学习状态,更为后续的教学提供了丰富而又鲜活的资源．针对学生提出的问题,我们设计了如下的实验变式:① 改变光照条件——不但用紫外光,还用白炽灯光照射;② 改变材料条件——不但用锌板,还改用铁板、铝板等;③ 改变初始条件——不但用紫外光去照射带负电的锌板,也去照带正电的锌板,最后还要照不带电的锌板，等等．通过一系列的变式实验,同时辅以积极的思维活动,起到了撇开次要因素,排除干扰因素,强化本质因素的作用,从而将所研究的物理现象以更为简化和纯化的形态显露出来,使学生准确把握光电效应现象的物理本质．这样的教学,不仅有利于学生对所学知识的理解与掌握,对于他们证据意识、能力的培养乃至科学素养的提升,更是一次有益的历练．