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1、科学探究方法,武汉市教育科学研究院胡学军Tel:85688025,一、科学探究技能(一)基本技能(二)综合技能(三)实验技能二、科学探究过程,一、科学探究技能,(一)基本技能1观察 当你用一种或多种感官去搜集有关这个世界的信息时，就是在观察。观察不仅仅是用眼看，像 聆听狗的叫声，数10颗绿色的种子，或是闻飘来的气味都是在进行观察。科学家们为了提高他们感官的灵敏度，有时还需要借助辅助仪器，例如显微镜、放大镜、望远镜等，使观察更为详尽。,例1：三个相同的木桩被从空中静止释放的不同铁块撞击，陷入沙坑中的情况如图所示。在此实验中，我们通过观察什么来比较各铁块重力势能的大小？,答案：通过观察木桩陷入沙坑
2、的深度来比较铁块的重力势能。陷入沙坑越深，其上面的铁块的重力势能越大。,例2：下图为菜豆种子萌发的过程示意图，请根据图用文字准确地描述出来（注意生物学用语）。,2分类 把某些特征相似的物体归类到一起的方法称为分类。你可以根据大小、形状、用途和其他一些重要特征来进行分类。,【例1】分类的技能不仅在科学探究中有用，在工作和生活中也经常用到。现在假设你在一个超市工作，需要将这些调味品摆在货架上，怎样分类才会让你和顾客都容易找到这些货品呢？调味品有：蒜、姜、糖、酱油、醋、大豆油、香油、味精、盐、花生油。,(4分)请把下列名词分为两组，并说明理由。鹰、温度、湿度、草、雨量、甲虫、阳光、蚱蜢、青蛙、风,【
3、例2】2004年武汉市七上期末调考试题第49题：,3交流 交流就是与其他人交换看法、分享信息的过程。有效的交流需要许多技能，包括听说读写能力。科学家们往往运用许多方法来分享他们的观点和看法。例如，他们在科学研讨会上作演讲，在英特网上相互交流信息，或在科学期刊上发表论文等。,4建立模型 你是否曾经用过画图的方法来帮助别人理解你所说的意思？这样的图画就是一种模型。模型是用来显示复杂事物或过程的表现手段。建构模型常常可以帮助人们认识和理解一些不能直接观察到的事物。科学家们常用模型来代表非常庞大或者极其微小的事物，比如太阳系中的行星，细胞的细微结构等。这些模型是物理模型能直观反映真实物体形状的图画或三
4、维结构。另外还有一些抽象模型能描述事物活动规律的数学方程式或者描述性文字。,【例】这是一个模拟宇宙大爆炸学说的模型。请问模型中的斑点和线段的涵义是什么？,答案：斑点模拟宇宙中的恒星，线段模拟恒星之间的距离。,5测量 仅凭感官感觉到的现象不一定是科学事实。比如：同时发生的雷鸣和闪电，由于声和光传播速度不同，人们总是先看见闪电，后听见雷鸣。在铁路旁极目远望，两条平行的钢轨似乎要交汇在一起。因此在科学研究中，借助一定的工具进行准确的测量，是十分必要的。通过测量，科学家能把他们的观察表达地更为精确，在交流时就能给出更多的信息。常用的测量有长度测量、体积测量、质量测量等。,【例】观察图中垂直的两条线段，
5、你认为它们的长度一样吗？,(在很多情况下，用工具进行测量是必要的),6估计 根据判断做出量和质方面的估算。一般情况下，估计不是凭空想象，应该找个已知的东西做“参照”，需要有科学依据。如要估计一本书的字数，就可以计算一页书上的字数，然后乘以页数，就可以估计出书的总字数。,【例1】你能用什么方法估计出2千克的绿豆有多少颗吗？,答案：用取样法可以估计出2 Kg的绿豆的颗数，步骤如下：(1)数出100颗绿豆(2)用天平称出此100颗绿豆的质量，计m Kg(3)计算：颗数=2/m*100,【例2】2007武汉市四月调考试题,下列几种估测中，比较符合实际的是：A我们使用的武汉版科学读本，每一 本的质量约为
6、10 B中学生正常步行时的速度约为20m/s C月亮在井中所成的像到井中水面的距离大约3m。D书桌的高度大约是80cm。,答案：D,7推断 推断是在事实的基础上面，对事实之间的联系（可以是因果联系、整体与部分的联系）所作出的一种判断、一种解释，比如说，狗叫了，狗什么原因叫的呢?你可以推断：生人来了。要注意，推断不一定就是事实！它只是对现象的多种可能解释中的一种。比如你的狗也可能因为想出去散步而直叫。因此，哪怕是根据正确观察和逻辑推理而做出的推论，最后仍然可能会发现它是错的。要证明推论正确，唯一方法就是再进行进一步的调查。,【例】某地野生动物保护部门接到举报，某餐馆近来大肆兜售野味，不少野生鸟类
7、被送上餐桌。执法人员迅速赶到现场，在餐馆内却没有发现野生动物。他们灵机一动，到该餐馆的垃圾桶中去找，发现了几只鸟的足，其形态如图。,执法人员根据这几只足的形态，断定该餐馆出售的食品中有野生鸟类。你能根据这几种鸟足的形态推测出它们的栖息环境吗？,答案：执法人员判断该餐馆出售的食品中有野生鸟类，是根据该餐馆垃圾桶中鸟的足与家禽的足有明显的不同，野生鸟类的足有尖锐的钩曲或细长的腿。从几种鸟足的形态来看：左图所示的足，粗大有力，爪锐利而钩曲，是猛禽类的足。猫头鹰、苍鹰和秃鹫等都属于猛禽类。它们以捕食小动物为食，以树栖生活为主，也有的生活在岩洞中。中图所示的足，短而健壮，两趾向前，两趾向后，趾端有尖利的
8、勾爪，适于攀缘，是攀禽类的足。啄木鸟、杜鹃等都属于攀禽类。它们以昆虫为食，以树栖生活为主。右图所示的足，趾间少蹼，腿细长，适于在浅水中行走，是涉禽类的足。丹顶鹤、白鹭等都属于涉禽类。它们以水中鱼、虾及水生小动物为食，适于在近水浅滩或沼泽地中行走。,8预测 天气预报员会对第二天的天气做出许多预测温度将会是几度、是否会下雨，风力有几级。预报员所用的预测技能实际上是根据现有证据和既往经验对将来的事件做出的推论。例如：天文学家知道地球、其他行星及月球都在固定的、可预测的轨道上运行。他们就能用这些知识作出精确的预测。他们能预测出出现日食和月食的时间，以及行星在夜空中出现的时间和位置等。但是由于预测是推论
9、的一种，所以它也有可能会出错。,9.比较 比较是根据一定的标准，把彼此有某种联系的事物加以对照，确定它们的相同和不同之处。通过对各个事物特征的比较，可以把握事物之间的内在联系，认识事物的本质。例如，对不同生物种类的形态结构进行比较，可以推断它们的亲缘关系。,【例1】发电机和电动机的区别很多，比如它们的原理不同，请你举出一条。,答案：它们能量的转换形式也不一样。发电机：机械能转化为电能；电动机：电能转化为机械能。,【例2】2007武汉市元月调考题：如下图A所示是一种用于显示事物异同点的信息处理方法，两个圆分别代表蒸发和蒸腾的有关信息，两圆重叠的区域代表蒸发和蒸腾的共同特征（相同点），重叠区域以外
10、的部分代表它们的独有部分（不同点）。请你模仿图A在图B、图C中的、处填上适当的内容（每处只要求填一点）。；。,（3）试分析上图C中金刚石不易导电的原因。,(二)综合技能1解释数据 解释数据就是通过阅读各种图表（包括地图），解释其信息，或利用图表回答问题。,【例】某段公路上，交通标志牌如图所示。请说出图中两个标志牌的含义。在遵守交通规则的前提下，汽车从标志牌处到武汉最快需要多少时间？,2.绘制图表包括记录表、柱形图、折线图、扇形图等等。,记录表：在实验准备中，除了要收集好所需的材料以外，还必须设计好用什么方式来记录实验中将会发生的事情。创建一张记录表能帮助你有序地记录观察和测量结果。例如：下张这
11、张数据表记录了某健康人肾动脉中的血浆、肾小囊中的液体和尿液的数据，图中各代表什么数据？,(血浆 肾小囊中的液体 尿液),柱形图：柱形图用于显示不同项目的数据。图、图、图 分别表示淀粉、蛋白质、脂肪在口腔、胃、小肠中被消化的百分比。,折线图：折线图能用来显示某一变量（应变量）是如何随着另一变量（调节变量）而变化的。它是科学研究的强有力工具，原因在于我们可以通过它来分析研究对象的发展趋势，并作出预测。,例如：利用右图，测算出，6秒时乙车所行驶的路程是多少？,(72m),扇形图：扇形图也称为饼图，因为它看上去像一个分成若干小块的饼。圆圈代表了整体，而各个小块则代表不同的项目。每一块的大小能显示出这个
12、项目在整体中所占的百分比。,像柱形图一样，扇形图也用来表示一组不同项目的数据。但与柱形图不同的是，扇形图只在各个项目的数据总和等于某一整体时才能使用。,例如：右图示就是用扇形图表示我国各类地形面积比例的示意图,3控制变量 控制变量的技能在科学探究中至关重要，它涉及到实验能否成功，能否真正揭示事物的因果关系。变量是指实验中可以变化的因子。其中为了检验某种假设而特意人为改变的变量被称为自变量，又称调节变量。而另一个随着自变量的变化而改变的变量被称为应变量，又称相关变量。应变量是为了得到实验结果而需要观察或测量的指标。,例1：(2007武汉市中考样题)水文学家需要为住宅开发进行土壤测试，下列那种方法
13、将产生令人信服的结论,C,例2：(2007年武汉市中考题)一位同学猜想：绿色植物需要沙子才能更健康地生长。为了证明她的猜想，她准备了两盆植物，其中一盆所处的环境和条件如右图所示。另一盆所处环境和条件，应该是,B,例3：市场上的防晒霜都宣称可以防晒。暑假期间，一群中学生外出徒步旅游，准备利用此机会做一个关于防晒霜的实验，看它是否真有其效。他们的实验方案如下表，你认为谁的实验方案更好？,小明,4设置重复,科学实验中的数据，往往存在误差，因此需要设置重复组，也就是在同一个实验在相同的条件下要重复做几次。如果重复组的实验数据十分相近，则说明这个实验的结果排除了偶然因素的影响。科学实验的数字结果，应该取
14、各重复组的平均值。,例：在测定小灯泡的电阻实验中，如图，电压表和电流表分别用来测量通过灯泡的电流I和它两端的电压U，利用图中的滑动变阻器，就是为了多测几组数据。然后根据欧姆定律计算出灯泡的几组电阻值，再求平均值。这样可以减小误差。,5下定义 下定义可以使表达简练明了。科学家事先给某个词或某个术语规定明确的涵义后，那么就可以反复使用，以代替罗嗦的说明。设想一下，没有基本的科学概念，科学交流是如何的混乱和困难。例如，我们已知肝脏能分泌一种能将脂肪乳化为颗粒的物质，将这种物质定义为“胆汁”，在以后的交流中我们直接称“胆汁”。,例：汽车用的汽油、管道里的天然气和木柴等都是燃料。根据你的观察，尝试给“燃
15、料”下定义。,答案：燃料是通过燃烧可以释放出热量的物质。或：燃料是贮存化学能的物质，能通过燃烧将化学能以光和热的形式释放。,科学探究技能还有很多，如对比、归纳、应用概念、类比、等效法等，它们同以上介绍的科学探究技能一样，都不是孤立存在的，而是彼此紧密联系的，并统一在科学探究活动过程中。,(三)实验技能,科学探究还需要一些专业实验技能。如：收集气体、配制溶液、分离混合物、制作标本和切片、电路连接、,从某种角度来说，科学家们就象侦探一样，把各种线索拼凑起来弄清事情的来龙去脉。他们收集线索的 途径之一就是开展科学探究。虽然并不是所有的探究都遵循相同的步骤和顺序，但其基本模式大都如下：,二、科学探究过
16、程,(一)提出问题(二)形成假设(三)设计实验(四)观察与实验(五)得出结论(六)表达与交流,二、科学探究过程,科学探究常常是从对某项观察提出疑问开始的。显然，问题和疑问不会无缘无故地来到你的面前，它总是伴随你曾经有过的经历、观察以及你所作出的推理而来。当你观察到某些不同寻常或出乎预料的事物时，你就会思考。在这里，好奇心扮演了十分重要的角色。正是由于你的好奇心，才触发你产生了许多疑问!,(一)提出问题,“提出一个问题比解决一个问题更重要”-爱因斯坦,思考下列两个问题的区别：为什么我的MP3停止了工作?在我的MP3中，我应该选择听哪种类型的音乐?这两个都是提出问题，但第一个问题属于科学问题，因为
17、它能够通过观察和收集证据来加以解答。例如，你可以更换MP3的电池，然后观察它是否运转来找到答案。相反，第二个问题却不属于科学探究的问题，因为它的答案完全取决于个人的爱好和看法，科学探究不能回答个人爱好和鉴赏力的问题。,例题：为精确测量世界屋脊喜马拉雅山的高度，2005年中国科学院组织科考队利用现代测量技术对喜马拉雅山主峰峰顶进行重新测量。测量考察中，科考队员们戴着墨镜，身穿防寒羽绒服，背着氧气瓶，手拿尖头冰镐，脚蹬防滑靴。他们不畏艰难险阻，克服重重困难，终于完成了测量任务。根据以上情景，请你提出两个问题，并加以简单的科学解答。示例：问题：科考队员为什么要使用尖头的冰镐？简答：使用尖头冰镐，可以
18、增大对封冻雪地的压强。问题1：_。简答：_。问题2：_。简答：_。,答案：（1）为什么他们要戴墨镜呢？（高山上白雪皑皑，阳光反射强烈，戴墨镜可防止强光伤眼）；（2）他们为什么要背氧气瓶呢？（高山上气压低，空气稀薄，缺氧）；（3）防寒羽绒服有什么作用？（高山上气温低，羽绒是热的不良导体，可起到保暖作用）：（4）防滑靴有什么作用？（防滑靴可增大摩擦，便于蹬山）等。,假设是对实验结果的预测，是根据现有知识提出解决问题的方案，或者是对发生某一现象作出的可能解释。我们可以通过观察或实验来验证假设。如果观察或实验的结果不支持假设，则需要根据观察到的结果提出新的假设。提出假设是科学探究的重要组成部分。,(二
19、)形成假设,例：我们经常可以看到这种现象：汽车在马路上快速驶过以后，马路两边的树叶会随风飘动。如图所示，马路两边的树叶会沿着A、B、C哪一个方向飘动？请你猜想并说明理由。,答案：猜想：马路两旁的树叶会沿着A方向飘动。因为汽车快速行驶时，马路中间的空气流速大，空气压强小，所以两边的气压就把树叶压向中间。,实验方案的设计要紧紧围绕提出的问题和假设来进行。并且在计划中应该写明详细的实验步骤，以及在实验中要进行哪些观察和测量。记住：设计实验时涉及三个很重要的步骤，就是控制变量、重复实验和规范表达实验结果（实验设计一般不宜连续描述，往往需要分段叙说；试管(烧杯、水槽等)要给予编号，如A、B或甲、乙；叙说
20、中尽量要用规范的实验术语，不用含糊的口语。）,(三)设计实验,例1：有色塑料薄片有许多应用。例如，彩色照片如果暴露在阳光下会随时间褪色。有色塑料薄片可以放在彩色照片上减少阳光下褪色的程度。,褪色前 褪色后,请你用有色塑料薄片设计一项可以用来测试不同颜色的光如何影响彩色相片褪色的研究。,答案：把4张放在不同的塑料薄片(如红色塑料薄片 绿色塑料薄片 橙色塑料薄片 黄色塑料薄片)下的相同相片放置于阳光下。另用1张相片做为对照，不加盖塑料薄片。记录下每张相片褪色的时间。,例2：甲酸是一种无色、有刺激性气味的液体，有较强的腐蚀性。小明想知道甲酸是否具有酸性，做了如下探究：他作出的猜想是“甲酸具有酸性”。
21、你认为下列哪一项实验设计能够检验这一猜想？,C,(四)观察实验,如果不进行实验，科学探究便无法进行，所探究问题的结论也就无法得出。,在实验时，要善于观察，需要对实验数据进行记录、搜集和整理，,还必须具有初步的实验操作技能，否则，即使有再好的设计都是徙劳的。,(五)得出结论 结论就是对实验研究发现的总结。在下结论的时候，你要确定收集的数据是否支持原先的假说。通常需要重复好几次实验才能得到最后的结论。,例：常说“水往低处流”，但是，植物体内的水却往高处流，动力从何而来?某同学为此做了两个实验。实验1：将一枝条插入充满水的玻璃管中，玻璃管的另一端插入盛有水银的容器中。不久水银柱上升如图（1)所示。实
22、验2：将同一植物在靠近茎的基部切断，套上一个弯曲的玻璃管，管内装有水和水银。不久，玻璃管内水分增加，水银柱上升。如图(2)所示。,1、实验1结论：2、实验2结论：3、根据这两个实验，你对水分在植物体内运输动力有何新的认识?,答案实验l说明：蒸腾作用散失水分，可产生水分在植物体内上升的“拉力”实验2说明：根部吸水向茎内转移，可产生水分在植物体内上升的“压力”新的认识：水分在植物体内上升，运输的动力可来自蒸腾失水产生的拉力和根部吸水形成的压力，二者有相对独性。,(六)表达和交流 科学探究过程中的一个重要环节就是将实验结果与其他人进行交流。交流就是通过书面和口头语言的形式与其他人一起分享自己的观点和
23、实验成果的过程。例如，在科学研讨会上作演讲，在科学期刊上发表论文，在互联网上交换信息等。在交流的过程中，你需要尽可能详细地对所提出的问题、研究的内容、观察到的事物、探究得出的结论进行描述，以便其他人能重复你的探究过程。当然，你也可以对他人的科学探究成果进行评价。,例1：2007年四月调考题：克洛托是“布基球”（C60）的发现者之一，并于1996年荣获诺贝尔奖。“布基球”是由60个碳原子构成的具有笼状结构的一种物质，形状与足球相同。金属原子可以放在这个球形分子里，在适合的条件下导电极强。科学家期望利用布基球的这种性质来制造用于电脑的微型电子元件。这种电脑可能比目前的更小更快。(1)说出克洛托报告
24、给其他科学家，有关他的工作可能的一种方法。(2)其他科学家如何证明克洛托的观点是正确的？(3)当布基球在氧气中完全燃烧时，一种气体形成了，这种气体的名称是。怎样验证这种气体？,(1)在杂志上发表文章/在会议上作学术报告/写一本书(著作)(2)重复实验(重复他的工作，取得同样的结果)。(3)CO2 将气体倒入盛有澄清石灰水的烧杯里震荡/将气体通入 澄清的石灰水中。,例2：小华同学为探究电磁铁磁性与线圈的圈数关系，设计了如下实验：她用相同漆包线在相同的铁钉上绕制成两个电磁铁，它们线圈的圈数不相同，同时用电源分别通电。小华根据如图所示的实验现象得出结论：电磁铁的线圈的圈数越多，磁性越强。晓月同学设计
25、了图丙的实验，把两个线圈串联起来。请你认真比较，你认为谁的设计更合理？为什么？,甲 乙 丙,答案：晓月的设计(丙图)更合理。因为电磁铁磁性的强弱与有无铁芯、电流的大小和线圈的匝数有关。晓月的设计保证了通过两个电磁铁的电流大小相等。对于相同的电磁铁，如果通过它们的电流相等，则线圈匝数越多，其磁性越强。,例2：2007武汉市中考试题第42题：(5分)为了探究光合作用产生淀粉需要CO2，小明同学做了如下图所示的实验(A、B两盆 天竺葵在同一暗室中放置一昼夜，然后按图示放在阳光下5小时)。注：A盆中碳酸氢钠饱和溶液在光照下会缓慢分解放出CO2，目的是保持空气中CO2的含量。(1)天竺葵在暗室中放置一昼
26、夜的目的是_。(2)B盆中培养皿内放置氢氧化钠固体的作用是(用化学反应方程式表示)：_。(3)光照结束时，分别从两盆植物体上摘下多个叶片经过处理后，在进行淀粉检测时，通常滴加_试剂来检测。(4)小林同学设计了另一种方法：只选择其中一盆天竺葵上的2片叶(没有摘下它们)，各自用透明塑料袋密封，其袋子里分别合理放置碳酸氢钠和氢氧化钠。与小明的方法相比较，小林的方法优点是_，不足是_。(每空选填一个序号)样本多 样本少 变量多 变量少,答案：(1)消耗天竺葵叶片上原有的淀粉(2)2NaOH CO2 Na2CO3 H2O(3)碘液(4),注意：以上所讲科学探究过程的六个环节，是人为划分的，并非是科学探究过程中所必须遵循的一套固定的模式和途径。对于科学探究过程的认识，我们不能采取绝对化、机械化的理解，以为只有经历上述六个环节的探究才是科学探究。实际上，科学探究的问题是多种多样的，针对不同问题，人们所可能经历的探究过程、采取的探究方式就可能不同，不可能存在某一种绝对、统一化的模式。事实上，在一堂课的探究学习中，很难将科学探究的全过程完整地体现出来，但体现探究过程中的部分环节则是可行的。,在科学探究过程中，一次意外的观察或偶然的发现往往会使你不断修正你的假设，一个实验结论的得出常可以引出新的问题和实验。,谢谢大家,2007-9-28,
