向虚假的科学探究说“不”——以“自由落体运动”的教学为例，本文主要内容关键词为：为例论文,虚假论文,科学论文,自由落体运动论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、引言
在物理课堂开展探究教学的过程中，通过课堂中的实验获得有效的数据，然后验证对问题的猜想，是探究教学得以顺利进行的一个重要前提。然而，有时师生共同开展的科学探究可能会遇到教师在课前的教学设计中没有意料到的情况，从而引起教学流程偏离教学设计的预期轨道。
笔者近期参加了一个由8位高中物理教师组成的教研会。会中，两位教师均以《自由落体运动》为课题执教，开展教学研讨。由于教研会并不涉及教学比赛之类的竞争，会议在非常轻松的环境中开展，在课后的交流讨论中，执教老师毫无保留地说出自己课前、课堂中的教学思路。在课堂的听课与课后的交流中，一些与探究有关的问题，引起笔者对探究教学的一些思考。
二、两位教师探究教学课堂的现象描述
探究的主题：以人教版《普通高中课程标准实验教科书—物理》为教材，教师和学生在课堂中通过实验共同探究重物的自由落体运动是否属于匀加速直线运动以及测量下落的加速度的大小。教学的设计思路如下，由两位教师A和B分别执教，最后对两位教师就同一教学设计思路所出现的课堂异同进行研讨，两位教师都是工作不到五年的新教师，均是首次执教新课程的教学。
探究教学设计思路：首先让学生猜测自由落体运动是一种匀加速直线运动，然后引导学生设计出实验的思路及原理。如下图，用打点计时器研究自由落体运动，判断是否属于匀加速直线运动。判断的理论依据是利用逐差法，即纸带上相邻两段间距是否满足
常数。如果满足，则说明重物的运动是匀加速直线运动。然后利用公式
计算自由落体运动的加速度约为
。
（一）A老师的课堂教学及其得失
1.课堂教学描述
由于实验目的清晰，具体操作细节也为学生所熟悉，因此A老师和学生配合的演示实验开展得十分顺利，实验操作也非常规范，实验操作完成后，教师和学生随堂对纸带的数据进行测理和处理，接下来，让教师意料不到的问题出现了。
纸带从清晰的点开始选取，由于纸带长度有限，于是教师和学生共同决定，取相邻的点作计数点（即每两计数点之间的时间间隔为0.02秒），测量工作让一位比较细心的同学来做，教师在黑板上将测量的数据填在表格上。得出的数据如下表所示。
当A教师在黑板上用现成的数据进行计算时，却发现△s的值各不相同（即数据误差太大），如下表。这一数据无法提供确凿的证据说明自由落体运动就是匀加速直线运动。这样，课堂的教学由于是这一问题而无法顺利开展下去。为应对这一出乎意料的尴尬局面，教师“机智地”反问了学生一个问题：“大家说这一数据正确吗？是不是在测量的过程中不够仔细导致误差过大呢？”
学生在教师的反问及引导下，认同了可能是实验中出现误差的解释。于是在教师的引导下，大家又重新做了一次，可是实验得出的数据仍然差强人意，无法让人信服是匀加速运动，并且与第一组得出的数据也不一样。
无奈之下，教师就这样向学生讲述，“我们这节课由于仪器原因，误差太大，实验无法达到我们想要的结果。不过大家要记住，其实自由落体运动是一种匀加速运动，加速度约是，我们今后讨论自由落体运动，就要把它当作初速度为零的匀加速直线运动。”然后课堂在教师的带领下继续开展……
2.A老师的教学思路自述
A老师以为，利用打点计时器测匀加速直线运动的实验在之前已经学过，所以他没有在课前认真做这一实验。他没有想到这个实验在课堂中会出现如此大的误差，以至于当课堂中测得的数据出乎他的意料之外时，他第一反应就是学生在测量数据时由于测量不仔细或由于摩擦过大而造成的。然而，当第二次更加细心的实验，再出现这样意料之外的数据时，他也不知道该如何向学生解释了。但是，课堂中A老师仍然清醒地认识到，本节课的教学计划仍未完成，如果一直让这一问题纠缠着他与学生，那么，接下来的课堂时间必将因此而延误，这样就会导致本节课堂内无法完成知识的教学。
出于这样的原因，A老师“当机立断”，以“仪器原因”为理由强行喊停了学生以及自己在实验探究中的疑问，转而直接告知学生最终的结果：“自由落体运动”是一种匀加速直线运动，并且其加速度为。
3.笔者的思考
A老师教学设计的不充分确实给课堂的探究教学带来极大的副作用，可这不是A老师有意为之。
事实上，这一装置也可用于“验证机械能守恒”的实验，由于摩擦等诸多的原因，这一实验出现误差的可能性的确是很大的。而且，单凭实验操作人员的观察，往往很难判断实验过程中误差是否过大。因此，我们常常以纸带的第一个点与第二个点之间的距离是否接近2毫米作为判断的依据。然而，在本节课中，师生还没总结出自由落体运动是一种匀加速运动的规律。因此，从认知的角度来看，这种判定误差的方法对于学生来讲，还无法接受和成立。
所以，有效地控制实验误差从而获得较为准确的数据，就成了本节探究教学课堂中一个很重要的环节。然而，意外生成的教学事件从来都是存在的，特别是对于像A老师这样的年轻教师来说，由于教学经验的不足，这种情况出现的机会更加频繁。
只是，当课堂中出现这种情况时，是否应该继续将时间花在实验上，直到将实验做成功为止？如果这样，时间没了怎么办？实验一直无法得出令人满意的结果怎么办？就算最终经过多次的实验得到了一个令教师和学生可以接受的结果，那么一次的成功能否让经受多次失败的学生从心底接受猜测的结果的真实性？此外，如此重探究过程，知识无法落实怎么办？还是如A老师的作法一样，以老师的权威直接告知学生最终的结果？要是这样，探究会不会流于形式？其意义何在？
（二）B老师的课堂教学及其得失
1.课堂教学描述
第二位上课的B教师听了A老师的探究教学的课，意识到了A老师探究过程中存在的问题。由于B老师的上课思路与A老师一样，因此B老师吸取了A教师的教训后，在课前准备时特别重视这一实验的数据问题。为此，他在课前亲自就实验操作了几次，但是实验得出纸带所测出的数据，与A老师在课堂中出现的情况类似，不过也有个别实验得出的纸带与匀加速的规律比较接近。针对这一情况，B老师也是相当的着急，因为这个实验的成功与否会直接影响到课堂中探究教学的顺利开展。于是，他又不停地重复实验，找寻误差的原因……
令人欣慰的是，开始上课后，课堂开展得也比较顺利，当师生共同协作的探究实验开始时，学生在B老师的引导下，准备器材，实验操作，测量数据，验证△s是否为一常数，都非常顺利地展开，几乎没有任何的困难，甚至通过对纸带数据的计算，学生在B老师的引导下测得的自由落体运动的加速度也相当的接近。
可以说，这一次的实验非常“成功”，探究过程开展得非常顺利，整节课一气呵成，行云流水，得到了听课老师与学生的一致认可。
2.B老师的教学思路自述
由于有A老师实验失败的经验，参与教研会的成员特别关注B老师的实验，想知道课堂的“成功”是由于B老师的运气好抑或是B老师找到了A老师实验失败的原因所在并有效地给予了解决。
原来，B老师在课前的实验中得到的结果也如A老师一样不尽如人意，并且多次实验他仍然无法给予解决。于是他使用了一个非常“巧妙”的办法，课前在办公室里自己作了好多次的试验，从中找到了一条令他最满意、数据最接近匀加速运动的纸带，带到课堂中。然后，当他和学生完成实验后，他就迅速地利用“偷龙转凤”的办法，用自己带来的纸带代替了课堂中实验得出的纸带，然后引导学生利用这条“替换”的纸带开展探究教学。
得知B老师的“妙计”后，其他教师讨论纷纷。有教师以为这是一种挺不错的方法，其原因来自两方面：一是精心挑选的纸带就意味着老师教学前的教学设计是精心准备的，任何一个教学的细节都不遗漏；二是这样选纸带，避免了课堂教学时无谓的时间浪费。但执反对观点的教师认为这种方法是不行的，其原因在于：第一，这种方法很危险，万一在调换纸带的时候动作不顺畅，让学生发现了，那课堂就会变得很被动；第二，这种探究似乎有点作秀，让人觉得像变魔术一样是假的。
但由于B老师的“调换”很成功，因此课堂教学中“探究”完成得很顺利，相比于A老师和B老师的课堂教学效果，大家最终没有形成一个共识。最后，这一方面的研讨作为一个悬而未绝的问题就这样搁置了。
3.笔者的思考
B老师课堂中的探究教学确实很“成功”，但首先这一成功基于两个因素：一是A老师的失败实验；二是B老师的“替换”妙计。笔者以为，如果教学的秩序是首先B老师，然后A老师，那么B老师的课堂能否成功呢？为了课堂教学的顺利开展，为了不让学生在掌握知识的过程中遭遇“不必要的麻烦”，B老师的这种“替换妙计”是否值得推广呢？
三、我的探究教学观：坚决向虚假的探究说“不”
尽管课堂中的探究教学和科学家在科学研究中的探究有区别，但其中所渗透着的科学精神却是一样的，即要求学生在探究的过程中掌握科学研究的方法，经历科学研究过程的困难挫折，体验“拨开云雾找寻真理”的艰辛探究过程带来的精神上的愉悦和兴奋。因此，探究必须以最本真的事实为基础，任何人为的掩盖都违背了科学探究的精神。
上述B老师的探究教学案例，虽然课堂进行得很顺利，学生对知识的掌握也很到位。但是，在笔者看来，这是一种经过“精心设计”的伪探究，因为它基于了这样一个明确目的：既预先地“防备”了可能出现否认自由落体作为一种匀加速直线运动结论的实验结果。因此，这绝对不是本质意义上的科学探究，不是本质意义上的探究教学，这是一种为了结果的虚假探究。
如果我们的教学都是基于B老师这样的教学设计而展开的，那么，长此以往，很有可能会出现两种结果：第一，一旦某一次教师在“造假”中动作不够隐蔽，被学生发现，会让学生对教师、对从前学过的知识产生无法挽回的不信任感，甚至使他们从此丧失学习兴趣。第二，即使教师的“造假”因为其“娴熟”的技巧而从未失败，也会因此使学生永远只能品尝成功的滋味，毫无疑问会让学生体会到一个不该误会的结果：“科学，原来只要探究就有正确的结论了。”而无法尝试科学探究过程中的失败、艰辛，经过多次失败后仍然再坚持的科研品质，以及在无数次亲历失败后才能体验到的精神上的愉悦和兴奋。如此，学生似乎得到了知识，但实际上却与科学的本质失之交臂。第三，也是最重要的，科学绝不允许造假，否则就不是科学。B老师的教学方式违背了科学的精神。
因此，我们的课堂教学，应该立场坚定地向虚假的探究说“不”，不能有丝毫的犹豫与妥协。
四、探究教学中一些不可预测因素的处理对策
当然，反对“虚假的探究”并不意味着A老师的这种准备不够充分的探究教学方式就是我们追寻的探究教学的终极目标。如果抱着同A老师这样的态度对待探究教学，那么课堂就容易陷入一种杂乱的状况，这是从一种教学方式的极端走向另一种极端，都是不科学的。
那么，教师在探究教学中，应该如何应对探究教学中的一些不可预测因素呢？笔者以为，可以从以下几点加以考虑。
（一）提高自身科学素养，在探究教学中彰显科学探究的智慧
我们必须要清醒地认识到，探究教学决不是机械地执行“提出问题—作出猜想—设计实验—实验操作—得出数据—验证猜想—得出结论”的流水线操作过程，探究的精髓也绝不只是体现在探究环节的操作技巧上。师生合作开展探究教学的过程，是源于内心强烈的求知欲与自然现象、规律对话的过程，这种对话，借助实验为媒介。但是，这个对话过程决不像剧本中的台词事先准备好，而是要双方在交流过程中，根据探究的进展不断变换思路与对话方式。如果教师缺乏科学素养，就无法面对这种变化万千的对话过程，这样，探究教学就很容易陷入形式主义。
（二）提高仪器精密度，努力提升实验数据的精确度
实验是探究过程中师生与自然对话的媒介，因此它具有重要的作用。如果媒介在传播信息的过程中不能较精确地执行其功能，那么这种对话就不可能真正开展。因此，唯有不断提高仪器精度，才能让探究教学的开展更加有效。比如在这一节课中，如果学校条件允许，本实验可以改进为用频闪照相机代替打点计时器，同时，对于数据的处理可以用DISLAB数字实验室在电脑里借助软件进行直接处理，物体的下落也可由手动操作改为电磁式机械操作，这样，就能确保物体下落的初速度为零等等。
（三）课前教学设计时换位思考，事先实验，确保实验细节
由于教师对探究结果是已知的，因此，往往会想当然地认为实验结果必定会与书本最终知识的结果一致，基于这样的原因，很多教师在课前往往不重视实验细节的考虑。然而，有许多物理实验，如果细节处理不得当，由于诸多干扰因素的影响，实验的结果往往会与预期的效果有极大的出入。例如光电效应的实验，如果弧光灯、实验环境的干燥程度处理不当，实验是很难做出的。此外，由于教师对于知识的熟悉，在许多实验过程中对于一些无关变量的控制也会认为是理所当然的，殊不知有时学生根本不知老师为何要这样做。例如在《探究做功与速度变化关系的实验》中，教师如果基于学生的认知水平，就应该让学生理解用橡皮筋的条数代替做功的依据是弹力做功等于弹性势能的变化，这样就能去除学生心中的犹豫。
（四）尊重事实，客观对待实验数据
探究教学与科学家实行的科学研究是相通的，从科学史的发展来看，任何假设是否能最后证实，必须要依靠实验和观察。而在科学研究中，科学家经常会得出不正确的结论，但是，这些结论不是最终的，而是暂时的。科学就是在改正一个又一个的错误的基础上发展起来的。
同样，师生在开展探究教学过程中，也必须要尊重客观事实，实验得出的数据如果与预期的不符合，教师只能引导学生找寻其中的原因，但绝不能就一句“实验仪器的原因”就草草了事，更不能人为的造假以迎合所要探究的结果。
比方说，在教《开普勒运动定律》时，经常会以开普勒不放过8分误差并最终得出行星运动定律作为例子，向学生渗透科学家开展科学研究的严谨态度。但是，如果教师在实际课堂中进行实验数据处理时又草草了事，那就会出现对学生的言教与身教完全脱节的矛盾，这样，对于学生科学方法、科学精神的培养是有极大的反作用的。
因此，探究教学中，对于数据的处理必须要尊重客观事实，如果实验得出的数据确实与理论推导不符，教师一定要引导学生查找原因。
（五）拓展课堂的时空限制，有机结合课堂教学与综合实践活动
如果物理的课堂教学能够与学生的综合实践活动有机结合起来，那么，对于学生来说，课堂内与课堂外其实就成了一个整体。在开展课堂的探究教学时，若课堂时间有限，教师只要引导学生继续思考并找寻实验的原因所在，学生完全可以将实验的探究延伸到课外，利用课余时间，思考并主动再进行实验，从而得出正确的结果。