上海市科技教师课程课件.ppt
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1、 上海市科技教师课程上海市科技教师课程发达国家关于科学探究的发达国家关于科学探究的 理念与实践理念与实践华东师范大学华东师范大学 王顺义王顺义一、引言:一、引言:在科学技术教育活动中突出科学探究的教学方式,是 20 世纪 80 年代以来发达国家科学技术教育的一个新亮点。这种教学方式对培养学生的创新精神和实践能力十分有效,它不仅对课堂教学适用,而且对课外科技活动也同样适用。“能动的过程”一语指的是体与脑的共同活动。光是动手活动还不够学生们还必须有动脑的活动。科学教学必须让学生们参与以探究为目的的研究活动,使他们同老师和同学一起相互启发相互促进。学生们需要将他们目前所掌握的科学知识同他们从多种渠道
2、获得的科学知识联系起来;他们要把科学内容应用于新的问题里去;他们要参与解决问题,参与做计划,参与决策,参与小组讨论;他们还要参与跟能动的学习方法在原则上是完全一致的评价活动。”2 2、什么是、什么是“科学探究式教学”“科学探究式教学”?案例案例 1 1 制作小型地球仪制作小型地球仪 目标目标:通过制作小型地球仪,能理解和演示地球自转和公转运动能认 识地轴和赤道平面的夹角(66.5)以及经纬线的特点和经纬 线的划分。材料:材料:乒乓球或其他球体,小木板或泡沫塑料,铅丝,卡尺,量角器等。要求:要求:1.能制作出一台小型地球仪 2.能较正确地做成地轴与赤道平面为 66.5的夹角,所画的南 北回归线和
3、南北极圈位置基本正确。3.转动灵活,置放稳定,经纬线平直。扩展要求:画上七大洲的轮廓。制作过程说明:制作过程说明:制作过程中有三个关键:一是如何确定两极的位置,二 是如何确定地轴和赤道平面的夹角,三是如何确定南北回归线和 南北极圈的正确位置。这个案例并不是一个真正的关于科学探究活动的教学,因为它没有体现和包括科学探究活动活动的五个环节,制作的程序是事先提示给学生的,制作的材料和工具也是事先交给学生的,学生只需要按图索骥,机械地操作一下就行了,学生通过这种活动并不能够全面地提高自己的科学探究活动能力。案例案例 2 2 制作小型地球仪制作小型地球仪 让学生制作小型地球仪,主要是提高学生进行技术设计
4、和动手实践能力,学会运用各种工具和材料,按照合理的流程完成制作过程。同时也让学生学会制定评价方案,对小型地球仪进行自评和互评。老师在上课时,出示预先制作的小型地球仪,以引起学生的兴趣。并把学生分组,讨论如何制作一个精巧的小型地球仪。图 1“乒乓球”地球仪 图 2“红萝卜”地球仪 图 3 在球上编织经纬网 图 4 用厚纸片做镶嵌式地球仪 学生们的讨论要解决以下问题:1用什么材料:如乒乓球或其他球状体等。2用什么工具:如要比较精确地做成地轴与公转平面为 66.5的夹角,则要用量角器;如用泡沫塑料或者木板做底座则要用切割工具。3达到什么目标:如要能转动,要画上经纬线等,由学生自己制定。4确定工作计划
5、:可以要求学生用框图来表示制作流程,明确分工和完成日期。师生共同讨论制作过程中几个关键的技术问题:如何确定两极的位置?如何确定地轴和公转平面的夹角?如何确定南北回归线和南北极圈的正确位置?虽然学生尚未学过平面几何,但还是会用量角器等工具达到目的的。在这些技术性问题上,学生可以有很大的创造空间。在制作完成小型地球仪后,在年级里举行一次展览,让学生自行编制评价方案。以小组为单位设计评价表,各组经过讨论要确定一份统一的评价表,评价表中的项目可以有:是否稳定牢固,是否转动灵活,夹角(665)是否正确,线条是否美观,等等,每项内容均有不同的得分。然后让学生作评委,评选出最佳的作品。优秀作品在下一届的教学
6、中可以成为范例进行展示。(引自科学课程标准第 72 页)本案例就属于一种较为典型的科学探究活动活动的案例,它基本上包括了科学探究活动的主要环节;制作的材料和工具以及制作的流程均不作统一的规定;鼓励学生创新,因地制宜、就地取材地制作小型地球仪;鼓励学生利用各种教育资源,包括请教有经验的家长给以帮助;要求学生有团队合作精神和科学的态度;同时也注重培养学生自我评价的能力,初步掌握评价的科学方法,包括分解评价项目,确定评价等级,用比较精确的语言评述作品的优缺点,这也是培养学生科学探究能力的一个重要方面。二、二、历史上历史上著名科学家著名科学家是怎样进行科学是怎样进行科学探究探究的的?发达国家提倡科学探
7、究式学习,源于对科学家在科学研究活动中探究过程和方法的模仿和借鉴。其原因之一在于他们认为,探究性是科学知识形成过程的本质特征,从而认为科学探究既是基本的科学认知方式,也是有效的教学方式。1、伽利略、牛顿伽利略、牛顿等科学家的等科学家的科学探究全过程科学探究全过程 要弄清科学探究全过程,只需要看一看科学家是怎样进行科学研究的,因为这是考察科学探究的源头。我们先以伽利略为例。我们知道,自由落体运动定律是由物理学家伽利略(Galieo)提出的。在提出这条定律之前他先提出了一条“匀加速物体运动定理”,这就是:“球在斜槽上滚动时所通过的各种空间距离的比率与其时间间隔的平方的比率相同”。将这条定理稍加推广
8、伽利略就得出了自由落体运动定律。那么伽利略是如何提出这条预备定理的呢?对此他在关于两种新科学的对话一书中对其探究过程作了如下说明:伽利略伽利略探究的实验伽利略探究的实验“拿一块 12 肘长、半时宽、3 指厚的木板。靠它的边缘刻一道约略大于一指定的小槽,把这个槽做到尽可能的直和光滑,里面垫上尽可能光滑的羊皮纸。然后拿一个硬的、光滑的、极圆的铜球,放在槽内去滚。将这块木板放在倾斜位置,使一端比另一端高一肘或二肘,再将铜球沿槽滚去,同时照下述的方法注意它降落的时间。我们把这实验多做几次,使得时间可以量得准确,准到两次观察结果相差不到一次脉搏的十分之一的地步。完成了这种动作并确定了它的可靠性之后,我们
9、现在将铜球放在槽的 14 长度内滚动,再量它的降落时间,我们会发现它恰等于上次时间的 12。我们再用其他各种距离作同样的实验,以槽的全长距离与12 长的、23 长的或其他任何长度的距离相比,把实验重复一百次以后,我们总是发现:球所通过的各种空间距离的比率与其时间间隔的平方的比率相同,这在任何斜度的平面即该槽的任何斜面中都是一样准确的。我们也观察到,球在各种不同斜度降落的时间,如我们即将看到的,其比率恰恰和作者所预言并论证的比率一样。”(W.F.马吉,物理学原著选读,商务印书馆,1986 年版,第 13-14 页)只要仔细地分析伽利略的科学事例,我们就可以发现,伽利略为了解决落体问题,第一步是进
10、行相关的实验,通过实验、观察获得大量有关自然现象的经验事实、数据。第二步是对这些经验事实、数据进行归纳推理,概括出具有一般性的科学原理即定律或理论。如伽利略用简单枚举归纳法对实验结果数据组的数据进行处理,概括出在相继的相同时间间隔内,从斜面上滚下的小球所通过的距离与时间的平方成正比的规律,而且这一规律与斜面的倾斜度无关。第三步是检验所得结论的正确性,第四步是人们根据这些科学理论去说明自然现象,解决当初要解决的问题,或者预测新的现象,这一步可以用演绎的方法去完成,即以科学理论为大前提,通过三段论推理,演绎出关于自然现象的有关陈述。这就是创造性地认识自然现象的一个完整的科学探究的过程。伽利略的科学
11、探究的认识过程 牛顿也是极力主张上述经验主义的科学探究的认识过程的,他曾经在其划时代的著作自然哲学之数学原理中明确地表述过这种观点。牛顿“在自然科学里,应该像在数学里一样,在研究困难的事物时,总是应当先用分析的方法,然后才用综合的方法。这种分析方法包括做实验和观察,用归纳法去从中作出普遍结论,并且不使这些结论遭到异议,除非这些异议来自实验或者其他可靠的真理方面。虽然用归纳法来从实验和观察中进行论证不能算是普遍的结论,但它是事物的本性所许可的最好的论证方法,并且随着归纳的愈为普遍,这种论证看来也愈为有力。如果在许多现象中没有出现例外,那末可以说,结论就是普遍的。但是如果以后在任何时候从实验中发现
12、了例外,那时就可以说明有这样或那样的例外存在。用这样的分析方法,我们就可以从复合物论证到它们的成份,从运动到产生运动的力,一般地说,从结果到原因,从特殊原因到普遍原因,一直论证到最普遍的原因为止。这就是分析的方法;而综合的方法则假定原因已经找到,并且已把它们立为原理,再用这些原理去解释由它们发生的现象,并证明这些解释的正确性。”(选自西方自然哲学原著选辑(三),主编王太庆等,北京大学出版社,1993 年版)这种科学探究过程模式的特征可以归结为两条,一是非常强调“经验事实”在整个科学研究程序中的奠基作用,它认为如要认识自然现象,必须先观察自然现象,包括在实验中观察自然现象,故它认为观察实验是科学
13、研究的起点。观察、实验的目的,是为了获得经验事实,在经验事实的基础上才能归纳出理论,否则“巧妇难为无米之炊”。二是非常强调“归纳”的认识作用,认为归纳就是科学理论发现的逻辑通道,它认为科学研究基于归纳方法。2、库仑、爱因斯坦库仑、爱因斯坦等科学家的科学探究全过程等科学家的科学探究全过程 科学史告诉我们,科学家的科学探究过程的路径是多种多样的,并非只有伽利略这一种。例如我们知道,在电学理论中库仑定律是一条重要的定律。下面我们来看一下库仑是如何探究出这一条定律的,其路径与伽利略探究过程路径有什么不同?库仑定律库仑定律适用条件适用条件 真空中点电荷真空中点电荷库仑定律 两个静止的带电体之间存在作用力
14、,称为静电力。库仑定律定量描述了真空中两个静止点电荷之间的静电力。定律指出:真空中两个静止的点电荷之间相互作用力的大小与这两个点电荷所带电量的乘积成正比,与它们之间的距离的平方成反比。作用力的方向沿着两个点电荷的连线,同号电荷相互排斥,异号电荷相互吸引。,其中称为真空中的介电常数,是由施力电荷指向受力电荷的矢径方向的单位矢量。0221rrqqkFF 041 k,2121201085.8 mNC 0r 库仑定律的探究过程库仑定律的探究过程人们早就发现,带电粒子之间人们早就发现,带电粒子之间存在着力的相互作用,如带电存在着力的相互作用,如带电的物体对棉布、毛皮或纸屑有的物体对棉布、毛皮或纸屑有吸附
15、能力。吸附能力。18世纪英国化学家世纪英国化学家普里斯特列(普里斯特列(Priestley)猜测猜测,这个力应类似于两个质量之,这个力应类似于两个质量之间的万有引力,即与距离的平间的万有引力,即与距离的平方成反比,与它们的电荷量成方成反比,与它们的电荷量成正比。正比。法国物理学家库仑(法国物理学家库仑(Coulomb)赞同普里斯特列赞同普里斯特列的这一猜想,并于的这一猜想,并于1784年利用自已首创的年利用自已首创的扭秤实验扭秤实验证明证明了,两个带电质点之间的静电力与它们之间的距离的平了,两个带电质点之间的静电力与它们之间的距离的平方成反比。通过与万有引力的对比,库仑又认为两个带方成反比。通
16、过与万有引力的对比,库仑又认为两个带电质点之间的静电力与它们的电荷量的乘积成正比,后电质点之间的静电力与它们的电荷量的乘积成正比,后来他间接地证明了这个假定的正确性。来他间接地证明了这个假定的正确性。库仑库仑 库仑在库仑在17841784年递交给年递交给法国科学院的报告中对自法国科学院的报告中对自己探究己探究“带电质点之间的带电质点之间的静电力与它们之间的距离静电力与它们之间的距离的平方成反比的平方成反比”的过程作的过程作了介绍。了介绍。在第一、二次试验中,在第一、二次试验中,结果是,第二次试验中两结果是,第二次试验中两球的距离,只等于第一次球的距离,只等于第一次试验中两球距离的一半,试验中两
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