科学探究和实验能力要求

（一）提出问题

1.能发现与物理学有关的问题

发现问题是提出问题的前提，只有发现了问题，才可能提出问题。然而，怎样才能发现问题？我们可以通过对发现问题的过程分析，来理解“能发现问题”的能力要求，下面就以历史上首位诺贝尔物理学奖获得者伦琴发现x射线的过程加以说明。

1895年11月8日，伦琴用克鲁克斯管做实验，克鲁克斯管用黑纸板包着，离管子不远的凳子上放有一张亚铂氰化钡纸。伦琴给管子通电时，偶然发现亚铂氰化钡纸上出现了一条特殊的荧光。伦琴认为，荧光要靠光线照射才能激发，荧光是在克鲁克斯管通电时才发生的，而克鲁克斯管被黑纸板包着，不可能有光照射在亚铂氰化钡纸上，因此引起了伦琴的疑问：荧光效应究竟是不是来自于克鲁克斯管？如果是，它到底是什么？伦琴的进一步研究导致他发现了x射线。

我们来看伦琴发现问题的过程：第一，伦琴发现了亚铂氰化钡纸发出荧光的现象（此时，只存在着一个现象，还没有形成问题）；第二，亚铂氰化钡纸的荧光效应的产生不符合原有的认知，被黑纸板包着的克鲁克斯管不可能有光线射到亚铂氰化钡纸上，事实和原有认知发生了矛盾，伦琴在分析了这一矛盾后提出了问题。对伦琴来说，以上这个过程或许在一瞬间就完成了，但它的确是提出问题的两个环节：发现现象和对现象的质疑。在科学探究中，一个有价值的提问都应该由这两个环节构成，或者说具有这两个特征。只有现象的发现而没有质疑，看到什么就在看到现象的后面加一个问号，这样的提问是没有价值的。同样，没有以客观事实为基础的荒唐疑问也是没有探究价值的。上述分析提示我们，在高中物理教学中要发展学生提出问题的能力，应该从两个方面入手：一是养成仔细观察的习惯，善于捕捉新现象；二是不断地把新现象和自己的认知相联系，增强质疑的意识。

2.从物理学的角度较明确地表述这些问题

明确表述所发现的问题，不仅使探究问题的内容有一个明确的主题，而且也使别人对该问题的核心有一个初步、大致的了解。例如同样是对光的本性的疑问，以下两种表述的效果就截然不同：

“光线究竟是什么？”

“光线是否是发光物质发射出来的很小的物体？”^[1]

前者强调的是语气，但物理学内容没有涉及，别人无法知道该问题的主题是什么，这种表述不是我们所希望的。

后者是牛顿在《光学》一书中所提出的问题，它精练、明确地表述了对光的本性的疑问。“物体”、“很小的”、“发光物质发射出来的”等词句，从物理学的角度，把光线的本质、尺寸、来源等看法讲得非常明白。

除了上例中所列举的“是什么”的问题外，物理学还经常有“为什么”和“怎么样”的问题，这一类问题主要讲的是物理规律。要从物理学角度明确表述这类问题，就需要表述所探究的物理规律内容和存在该规律的物理条件。例如以下所表述的两个问题：“如果能忽略空气阻力，物体自由落下的位移和时间有什么关系？”“闭合线圈在磁通量增加时，其感应电流的方向是怎样的？”上述问题的物理意义是很清楚的：“忽略空气阻力”、“磁通量增加”表述了实验的条件；“位移和时间有什么关系”表述了所研究的是哪两个物理量之间的关系，“感应电流方向是怎样的”表述了探究的方向和有待于发现的因素，都是所探究物理规律的内容。

（二）猜想与假设

1.对解决问题的方式和问题的答案提出假设

2.对物理实验结果进行预测

猜想与假设是科学思维的一种形式，是对所研究的问题根据已知事实材料和科学知识作出的一种猜测性陈述，对问题中事物的因果性、规律性作出的假定性解释。

猜想与假设，可以从两个方面来提出要求：一是猜想什么、假设什么；另一方面是怎样猜想、怎样假设。《标准》是从前一个方面对学生提出要求的，要求学生能够对解决问题的方式和问题的答案提出假设，对物理实验的结果进行预测。这样要求，指向性强，操作性好。

物理学中的许多理论，都来自于提出了正确的假设。19世纪的光谱学家凭他们敏锐的发现和一丝不苟、坚持不懈的工作，测出了氢光谱的一系列光谱线，这些光谱线的波长精确到6位有效数字，把这些光谱线画在同一张光谱图上，看起来非常有规律，波长较长的相邻两谱线之间的距离较大，波长短的相邻两谱线间距离小，谱线疏密的变化均匀、流畅。显然，氢光谱谱线的分布一定是具有某种规律的，不少物理学家都在根据自己的认知对该规律作出假设，但均难以和实验数据相吻合。有趣的是，对此取得突破的不是物理学家，而是瑞士的一位中学数学教师巴耳末，他完全从数学的角度出发，提出了一个氢光谱波长公式的假设，按这个公式所计算的氢光谱数值和实验结果相差不到4万分之一。28年后，丹麦物理学家玻尔提出了新的原子结构理论，该理论对氢原子光谱的解释表明了巴耳末公式的正确性。

以上实例具体阐明了巴耳末对“氢原子光谱有什么规律”的答案作出的假设，即我们应该“假设什么”的问题。上述实例还同时揭示了猜想与假设能力的另一方面：我们应该“怎样假设”。实例中包含着假设过程的两个基本特征：一是具有一个客观事实；二是研究者原有的知识和经验。研究者运用自己原有的知识、经验对客观事实的结论作出猜测性解释，这就是假设。在上例中，这种客观事实就是具有精确测量的氢光谱的谱线；研究者的原有知识和经验，对物理学家来说，就是光学的、力学的、声学的知识，当时有人把氢光谱谱线和声音的基音和谐音联系起来，后被否定了，对巴耳末来说，这原有知识就是投影几何、透视图形、勾股定理等，由此琢磨出来的假设，得到了事实的检验。因此，从“怎样猜想、怎样假设”的角度来思考，要发展学生猜想与假设的能力，就要增强学生应用自己的原有认知来审视所面对的事实的意识，学会仔细观察、分析事实，并在其中寻找跟原有经验和知识中相似的特征，尝试用自己的知识和经验对它作出解释。

我们再从猜想与假设的形成环节来认识这一过程。假设的形成过程，大致来说，可以分为两个环节，第一是提出假定，第二是运用已有的知识和经验对该假定做初步的逻辑证明，构成假设。提出假定的过程，是一个思维非常活跃的过程，思维常常是非逻辑性的、发散性的；而后一个对假定进行初步逻辑驻明的过程，思维是逻辑性的，收敛性的。因此，整个假设的过程，就是一个非逻辑思维和逻辑思维反复交替的过程，这显然是非常具有创造性的。从这个角度上考虑，我们要发展学生猜想与假设的能力，在实施环节上，就应该让学生反复经历假定和解释这两个过程，形成良好的思维习惯。

（三）制定计划与设计实验

1.知道实验目的和已有条件，制定实验方案

要制定实验方案，必须明确实验目的，即明确这个实验想说明一个什么问题。实验目的来自于猜想与假设，制定实验方案，实际上就是从操作的角度把探究的猜想或假设具体化、程序化。

要对假设的验证具体化、程序化，或者说，要把实验目的演变为一个实验方案，中间有一个桥梁，这就是实验原理。同样的实验目的，应用不同的原理，将会制定成不同的实验方案。我们举一个历史的实例：自从哥白尼提出“日心说”以来，尽管人们对地球的自转已经深信不疑，但直接用实验来验证地球自转的工作仍在不断地进行。一种方法就是利用自由落体运动来验证，静止的重垂线严格来说是随着地球一起绕着地球的自转轴转动的，而做自由落体运动的物体，它没有受到地面物体的约束，是在悬空的情况下受地心引力作用下运动的，严格意义下的自由落体运动将不会沿着重垂线的方向下落，直至19世纪30年代，还有人在180多米深的矿井中进行实验，多次重复的实验确认，落点偏离重垂线达到2.8厘米，为地球自转提供了直接证据。法国物理学家傅科所应用的却是另一种原理，他设计的是另一种方案。傅科实验的装置是一个很长的单摆，单摆在重力的分力作用下向低处运动，由于单摆周期长，而且摆球连续不停地来回摆动，能够通过持续观察，明显看到摆球相对地面的运动轨迹在有规则的变化，直接证明了地球自转的事实。

因此，根据探究假设来确定实验目的，根据实验的目的来思考实验的原理，按照实验的原理，来设计实验的程序和步骤，这是构思实验方案的基本线索。当然在制定实验方案的实施技巧上，我们还可以根据实验目的来分析实验需要解决的各个问题，然后提出解决每个问题的各种方法，经比较、选择、优化后，形成最终的实验方案。

2.尝试选择实验方法及所需要的装置与器材

实验器材是和实验装置相关的，实验装置不确定，就无法确定实验器材；实验装置又是和实验方法相关的，只有确定了实验的方法，才有可能设计实验的装置；而实验方法的选择，是由各种因素综合考虑决定的。例如对自由落体运动的研究，如果实验目的已经确定为研究自由落体运动位移随时间变化的规律，该选择哪种实验方法来收集证据？或者说，在猜想自由落体运动是匀变速运动的情况下，怎样验证这一猜想？可选择的实验方法是很多的，相应的器材也不同，例如：（1）打点计时器；（2）频闪照相；（3）光电门和电子计时器；（4）数码照相机或摄像机；（5）微型电子计算机和传感器；（6）“落棍”实验；（7）其他能测量或能比较自由落体运动位移、时间的装置。以上这些方法各有特点，例如：打点计时器的实验装置比较普及，学生熟悉，操作时间短，便于作为课堂上的探究性实验；光电门和电子计数器装置，如果把遮光板尺寸设计得不大，可以把遮光板通过光电门的平均速度看成是遮光板到达光电门时的瞬时速度，因而可以直接探究自由落体运动速度跟时间的关系，这在实验原理上将开辟另一条思路；用数码照相机连续摄影研究自由落体运动可以增强学生运用家庭用具探究物理规律的意识；电脑和传感器的实时处理装置有利于体现探究手段的时代性和启发电脑运用的普适性；“落棍”实验及其他自行设计的装置能激发创造热情和发展创造思维。因此，究竟选择哪一种方法，应该根据所具有的实验条件、所需要的实验精度、所允许的实验时间、实验者对实验器材的熟悉程度以及预定的教学目标等不同情况，作相应的选择。

选择实验器材所涉及的面很广，如实验原理、实验的误差要求、实验器材的功能、实验器材的安全、实验操作的方便以及实验器材的代用品等，这些方面都会对实验器材的选择产生影响。

学生在具有多次选择实验器材的经历以后，可以总结一些在选择实验器材方面的基本思路，例如：首先从实验原理、实验步骤方面来选择实验器材的种类；然后从保证实验器材的安全、减小实验误差方面来选择实验器材的规格；同时从实验器材的功能、周围环境与就地取材来考虑实验器材更广泛的来源（包括应用日常生活器具等）。

3.考虑实验的变量及其控制方法

经过初中物理课的教学，学生已经尝试考虑了影响问题的主要因素，初步具有了控制变量的意识。《标准》中，在控制变量方面提出了更高一步的要求，学生在具有控制变量意识的基础上，需要考虑和分析实验的变量及其控制的方法。

对一个物理量在某过程中是变量还是常量的分析，应该贯穿在物理教学中的多个场合，而不应该仅仅局限在实验中。例如，我们在应用匀变速运动公式分析问题时，就应使学生理解，对一个确定的匀变速运动而言，公式所涉及的5个物理量中，有两个是常量：初速度v0和加速度a，有3个是变量：时间t、末速度v和位移s。这3个变量中的每两个之间，都能构成一组两者的变化关系，这就是末速度随时间变化的关系、位移随时间变化的关系、末速度随位移的变化关系，应该从变量之间的函数关系来理解和应用物理学公式。

应该从物理图像的教学中增强变量与常量的意识，在观察一个物理图像时，应该让学生想象图像中纵坐标轴物理量是如何随着横坐标轴物理量的变化而变化的，还应使学生意识到，在图像所表示的这一物理过程中，除纵坐标轴和横坐标轴所表示的物理量以外，其他的物理量都应该是常量，如果这是一个实验过程，这些量在实验中是不能变化的。

还应该让学生学会分析具体实验中的常量和变量，学会在实验中实施对常量的控制，对变量的操作，以及对变量和必要常量的实验数据进行合理的收集和记录，从控制变量的观点认识通常所说的“实验条件”究竟是怎么一回事。

要控制实验变量，保持实验过程中的常量不发生变化，就要对实验中相关物理量的概念有一个比较本质的认识。例如要研究单摆振动周期和摆球质量是否有关，实验中的摆长、振幅都应该是常量，如果实验者通过更换不同大小的摆球来操作实验的自变量（摆球质量m）的话，这就导致了应该属于常量的摆长发生了变化，因为摆长不是摆线的长度，而是悬挂点到摆球球心的距离。

设计实验，有时会遇到不只是两个物理量之间的关系问题，探究所涉及的是多个物理量，这时候，应该把整个探究活动分解成几个过程，每一个过程只讨论两个物理量之间的关系，而保持其他的物理量不变。例如，要探究匀速圆周运动物体所受向心力的大小和圆周半径、角速度有何关系，在设计实验时，可以先探究半径相等时向心力和角速度的关系，再探究角速度相等时向心力和半径的关系。我们以图中圆锥摆为例，圆锥摆（摆球质量已知）沿水平方向做匀速圆周运动时，其向心力可以从摆线的倾斜角度测算出来，摆线的倾角是由摆的长度和圆半径决定的，事先测出摆的长度、实验中测出圆半径，就能算出向心力。图A和图B是半径相等时向心力和角速度关系的探究实验，其中图B的半径由实验者通过操纵角速度使其和图A半径相同，用秒表测出A、B的角速度，就能获得向心力和角速度关系的数据。图B和图C是角速度相等向心力和半径关系的探究实验，实验者操纵图C的角速度（图C中a的角速度最小，c的角速度最大），当b的角速度和图B相同时，两种情况下的角速度便成了常量，因而能获得角速度相同时向心力和半径的关系的实验数据。

（四）进行实验和收集数据

1.用多种方式收集数据

观察是收集数据的重要方式，它是人们有目的、有计划地感知和描述客观事物的一种科学认识方法，是科学研究过程中的一种基本的认识活动。通过观察收集数据，要有严谨的科学态度。16世纪丹麦天文学家第谷在当时还没有望远镜的条件下，凭肉眼观察记录了大量天文学数据，正是由于这些数据的精确性和可靠性，才引起了他的学生开普勒对当时行星运动学说的怀疑，导致了对行星运动规律新的模型的遐想和论证，发现了具有历史意义的开普勒行星运动三定律。应该使学生认识到，观察不是纯感性的活动，不动脑筋的观察不是科学的观察，尽管我们把观察和分析分别作为两个不同的环节提出来，但它们绝不是割裂的。18世纪英国植物学家布朗利用显微镜观察植物花粉授粉的情况，无意发现花粉在不停息地运动，而且花粉本身也在不断转动和变形。布朗开始认为这是有生命的花粉自发运动的原因，进而找出上百年前的植物标本微粒和岩石粉末进行观察，发现都有类似现象，证明这不是生命现象，而是任何微小颗粒在液体中都具有的运动特征。正是由于布朗善于捕捉意外的偶然现象，善于把理性思维融于观察过程中，才发现了以他的名字命名的“布朗运动”。

实验是收集数据的主要方式，物理实验不同于在自然条件下对物理现象观察的地方，就在于它是人工控制条件下对物理现象的研究过程。通过观察、实验收集数据都有以下要求：首先要有明确的观察目标，知道是在哪一个研究对象上收集信息；同时要明确收集信息的内容，知道所收集的是反映哪一现象的特征的数据；还要明确收集信息的时间，知道是在哪一个时刻或哪一段时间内记录有关信息。做到在预定的时间观察预定的目标，收集预先所关注的数据。由于实验是在人工控制下进行的，因此实验数据的收集可以和实验方案的制定、实验装置的设计结合起来，例如利用光电门和电子计数器结合起来做实验，用各种传感器和电脑结合起来做实验，所收集数据的对象、数据内容、收集时间都已经事先体现在实验装置中，使实验过程和数据的呈现能自动进行，收集数据的前一半工作已经在实验操作之前完成了，剩下的工作只是记录数据。

其他实验者按照相同实验条件进行实验所收集的数据，也是科学研究的依据或重要借鉴资料。因此，学生还应该具有从媒介信息资源中收集数据的能力，会从图书、报刊、杂志中查找到自己所需要的数据；会通过调查、访谈、参观，了解相关的数据；会在互联网上通过检索、下载获得有用的数据。

2.按说明书进行实验操作，会使用基本的实验仪器

义务教育的物理课程标准要求学生会阅读简单仪器的说明书，进入高中阶段的学生，物理知识比初中更丰富，对物理知识的理解、运用的能力比初中更强，在按说明书进行实验操作的时候，因而有条件对说明书中的内容做更深入的理解。例如学生实验中的简式电阻箱，箱内有4个10位刷形开关，开关的接线柱上所连接的电阻共有以下8种规格，它们都是串联的。分别控制这4个开关，就可以调节电阻箱的阻值，其范围是0—9999Ω，最小步进值是1Ω。

我们从说明书中看这些电阻的规格，虽然表格中列出的是功率和最大电流，但应该理解到这些不同规格的电阻能承受的最大电压是不同的，例如我们把2V电压加在10Ω电阻上，它是安全的，加在1Ω电阻上就超载了；又如把4V电压加在电阻箱上，电阻箱的电阻调节为1Ω时，对10Ω电阻来说已经超载，但与其串联的1Ω电阻却是安全的。理解了说明书的内容，才能进行符合要求的操作。

初中物理教学中，学生初步熟悉了天平、弹簧测力计、量筒、温度计、电流表、电压表、滑动变阻器等简单实验仪器操作，进入高中后，对这些基本仪器的使用仍有进一步掌握的必要。例如滑动变阻器，初中只作限流用，使用时只用滑动变阻器上两个接线柱，随着高中欧姆定律问题的深入，用滑动变阻器提供一个从零开始的变化电压来进行实验，已经有了需求和可能。学生用滑动变阻器和电源、用电器组成混联分压电路应用于高中物理实验，同时用上了3个接线柱，使滑动变阻器的使用进一步达到“会”的水平。

在初中物理的基础上，高中物理课程中的基本仪器具有新的内容：共同必修模块中的打点计时器，电路模块中的多用表，电磁感应模块中的检流表，交变电流模块以及机械振动与机械波模块中的示波器等，都是高中物理课程相关模块的基本仪器，学生应该会正确使用这些仪器。

正确使用高中物理实验的基本仪器，包括了解仪器的使用要求，辨明仪器的测量范围和最小分度值，正确地装配仪器，正确地操作仪器，正确读取仪器的读数等。

3.如实记录实验数据，知道重复收集实验数据的意义

是否能如实地记录实验数据，这涉及到实验者实事求是的态度，也涉及到对实验的理解。

实验是检验假说、理论的重要手段，实验结果将对所检验的假说、理论提供肯定或否定的证据，如果不能如实地记录数据，实验所作出的检验将是无效的，该实验将毫无价值。还应该认识到，即使对于成熟的理论，实验结果和理论之间的偏差是正常的，这是由于因实验原理和实验器材所引起的系统误差和因实验操作所引起的偶然误差造成的，在正常误差范围内的偏差是允许的，只有如实记录数据，才能认识、理解和分析出实验所表现的现象跟理想结果之间发生偏差的真实原因。

实验需要重复收集实验数据。在一次实验中，重复相同的实验操作，分别收集各次操作中同一物理量的数据，合理地得出在相同实验条件下该物理量数据的平均值，能够减少这次实验的偶然误差。

对不同实验者来说，或者对同一实验者在不同时间、场合下进行同一实验来说，重复收集实验数据具有更深刻的意义。科学实验在保证其结果可靠性方面必须遵循的基本原则就是要有可重复性，作为一个客观规律，它具有在同样条件下必然会同样出现的规律，实验者进行必要的重复实验，才能总结出可靠的结论。如果甲所收集的实验数据，乙在相同条件下的实验中却与甲不符，或甲在另一时间、场合下具有相同实验条件的数据竟跟原先不同，这种不能通过重复实验检验的数据，都不是可靠的实验数据。

4.具有安全操作的意识(www.xing528.com)

实验的安全主要体现为实验仪器的安全和实验者的人身安全。

在考虑实验仪器的安全时，应该具有关注实验仪器量度范围的意识，例如，天平所测量物体的质量不能超过天平的称量；不能把温度计用来测量有可能超出其量度范围的温度；不能对弹簧用力尝试超过它的弹性限度；不能使电学元件通过的电流值超过其标称的额定值。在考虑实验仪器的安全时，还应该具有关注实验仪器使用条件的意识，例如，打点计时器的电源是交流的，不是220V。

应该对实验操作的程序具有安全性考虑的意识。当用滑动变阻器控制电路中的电流时，开关闭合前，应审视变阻器的接线和滑动头的起始位置是否会造成变阻器的短路。当对电路的接线没有十分把握的情况下，闭合开关前，会用瞬时碰接的方法来探测电路在接通时的安全性。对于一些比较复杂、有操作程序要求的实验器材，应该弄清楚先操作哪个开关或步骤，然后再操作哪个开关或步骤。

当使用易破、易碎的器材做实验时应具有谨慎操作的意识。例如在使用长的玻璃管和薄的玻璃器皿时应该采取合理的防范措施，应该对220V交流电源的使用始终保持用电安全的意识。

（五）分析与论证

1.对实验数据进行分析处理

要对实验数据进行分析处理，从操作上考虑，需要明确数据处理的基本方向、物理原理、数学思路、处理方法、处理手段等各个方面。

数据分析的基本方向，即我们期望从实验数据中获得哪一方面结论，这首先来自于探究假设，因此，我们可以沿着探究假设的方向来对实验数据进行归类和分析。对于探究假设中并不明确的数量关系，可以从实验所探究的变量关系来处理数据。例如，探究单摆周期如何随着摆长的增加而增加，尽管实验的假设是定性的，没有对周期和摆长的可能定量关系作出描述，但所研究的变量关系是清楚的：摆长是自变量，周期是摆长的函数。因此，所寻找的必然是周期的数据和摆长的数据之间的定量关系，明确了数据处理的基本方向后，接下去就要梳理数据分析的原理和思路。

数据分析的物理原理，即实验数据是根据什么原理来体现所探究的物理量的。例如，用打点计时器研究匀变速运动的速度随时间变化的规律时，所需要分析的物理量有两个：一个是运动时间，另一个是瞬时速度。这两个物理量都是由一张纸带间接体现的，因此，首先要知道怎样从纸带上看出物体运动的时间，知道怎样从纸带上看出物体的瞬时速度。又如，用气垫导轨和光电门探究物体在碰撞时动量传递规律（验证动量守恒）的实验，必须知道实验中物体的速度是通过什么数据体现的。如果不是用气垫导轨，而是采用一个小球沿斜面滚到水平轨道上和另一静止小球碰撞后做平抛运动落地的实验方法，小球碰撞前后的瞬时速度却完全是用另外方法体现的，两种情况截然不同。明确数据分析的物理原理，是数据的数学分析之前需要解决的问题，只有把所研究的物理量和实验数据之间的关系梳理清楚之后，才可能从数学的思路上来分析数据。

数据分析的数学思路，就是对数据进行比较，寻找数据之间的规律。比较数据，有时是比较一个物理量在不同实验条件下的特征，例如，感应电流的方向和各种电磁感应的具体情境有什么关系。比较数据，有时是比较两个物理量之和、之比值、之乘积，在不同实验条件下的特征。如闭合电路的内电压跟外电压之和在不同负载时是否变化；电荷在电场中所受的力和电荷电量的比值在电场中不同位置上的特征；力和力臂的乘积对物体转动所产生的作用等等。所比较的数学关系是指：相等还是不等（对不同对象），变化还是不变（对不同时间），增大还是减小，正比还是反比等等。

实验数据的处理方法，有计算列表法，图像法等。计算、列表是常见的数据处理方法。采用列表法时，根据对实验数据关系的预期，列出需要进行比较的数据表格，把实验的原始数据在经过必要计算后填入表格，以通过数据对比发现数据间的规律。列表法操作简单，数据间的简单数学关系一目了然。数据间的数学关系比较复杂时，列表法就不容易奏效，这时可以采用图像法，作出两物理量关系的图像。两物理量关系的图像如果不是直线而是一条曲线，应该通过观察曲线的形状，改变其中一个坐标轴，让它变为原物理量的平方、开方或者倒数，或者其他的数学关系的量，目的是使作出来的图像是一条直线，从而能够发现与实验数据吻合的定量关系。

实验数据的处理手段，可以采用纸笔计算、作图等人工方法，也可以用计算机，借助常用的数表软件进行处理，例如在探究单摆周期和摆长的定量关系的实验中获得如下数据：

从表格中的数字我们难以判断周期T和摆长l有什么定量关系，我们把这些数据输入到Excel工作簿中，让计算机来绘制周期T和摆长l关系的图表和确定T和l的数学关系式。在操作中，当把T和l的趋势线设定为乘幂关系时，可看到计算机根据表格中的数据所描绘的点，都落在右图的曲线上。如果选择“显示公式”选项，计算机在曲线旁注明的纵坐标和横坐标的数学关系是y＝2.0105x0.4997，式中2.0105是常数，设为k，0.4997约等于1/2，上述数学关系可写为，即，明确得出“单摆周期和摆长的平方根成正比”的结论。随着计算机技术的普及和学生在信息技术课程中学习水平的提高，高中物理教学中采用常用的数表软件来处理实验数据，已经具有很好的基础。

2.尝试根据实验现象和数据得出结论

3.对实验结果进行解释和描述

探究性实验的结论应围绕探究假设进行：假设究竟是得到验证还是被推翻。在描述实验结论时，不仅要陈述假设获得验证或者被推翻的结果，还要说明假设获得验证时成立的条件或者假设被推翻的理由。

对于探究物理规律的实验，实验结论的形成通常建立在两方面分析的基础上：因果分析和数据分析。如果能知道一个现象的发生是由于某个原因所引起的，又能知道该现象和某原因之间所存在的数据关系的规律，只要把这两方面概括起来进行描述，这就是实验的结论。

原因和结果，在物理实验中，通常表现为物理条件和物理现象，物理条件是原因，物理现象是结果，物理条件的改变引起了物理现象的变化。因此，要归纳科学规律，就要关注物理条件改变与物理现象变化之间的联系。例如，在进行光的折射实验时，操作入射角变化，将观察到折射角的变化，总结光的折射规律，就要总结折射角数据和入射角数据之间的关系；又例如，操作弹簧受力的变化，将观察到弹簧形状的变化，要总结弹簧形变的规律，就要总结弹簧形变数据和受力大小数据之间的关系。

在描述实验结果时，语言要客观、准确。所描述的结果如果只是在某种实验条件下进行的，不仅要描述所探究到的规律，还要客观地指出这一规律所存在的条件。例如，在实验室用液柱封闭一段空气探究气体压强随体积的变化规律时，应得出的结果是：“一定质量的空气，在温度保持不变时，它的压强跟体积成反比。”在这段描述中，“一定质量”、“空气”、“温度保持不变”，讲的就是实验条件，“压强跟体积成反比”讲的是规律。如果进一步对各种气体进行实验，上述成反比的规律都成立，便可以把上述描述中的“空气”改为具有广泛意义的“某种气体”。

对实验结果的描述，还应注意语言的概括性。规律的简洁性和普适性，不仅是该规律能够广泛应用的基础，也是一种美的体现。实验结果的描述，应该通过抽象和概括，最终用极其简洁的语言来表述物理规律的本质。例如，我们在研究电磁感应现象时，如果我们获得了“在相同时间内，感应电动势的大小跟磁通量的变化成正比”这一规律，又获得“在磁通量变化相同时，感应电动势的大小跟变化的时间成反比”规律，我们便可以把上述两条进一步概括为“感应电动势的大小跟磁通量的变化率成正比”这一更简洁、更普适的结论。又例如，如何判定感应电流的方向，不同的实验条件，可以得到许多符合本实验条件的结论，仅条形磁体跟线圈之间相对运动的实验，就有N极插入、拔出，S极插入、拔出4种情况，如果用原副线圈做实验，又有类似的4种情况，再加上直导线在磁场中做切割磁感线运动，至少存在着十多种各式各样的情况。如果一种情况一个结论，就存在着各式各样的结论。楞次定律巧妙地用“磁通量的变化”把各种情况统一起来，在概括实验规律时不用“感应电流”而用“感应电流的磁场”作为描述规律的主体，用“阻碍磁通量的变化”来高度概括所有各种电磁感应情况下普遍适用的规律，这种对物理规律的概括方法值得在教学中作为一个范例来讨论。

要提高学生概括、陈述实验结果的能力，除了让学生对自己的实验结果进行概括和陈述之外，还可以让他们对所概括、陈述的结论进行交流，评价陈述语言的科学性和简洁性。

（六）评估

1.尝试分析假设与实验结果间的差异

2.注意探究过程中未解决的矛盾，发现新的问题

探究假设是对探究结果的预期，探究结果是对探究假设的验证。若结果与假设吻合，则假设被证实；若结果与假设冲突，则假设被推翻。关于这方面的内容，属于“分析与论证”要素的范围。现在我们所讨论的是，经过分析、论证、形成了探究结论后，还需要对结果与假设之间的差异性作进一步思考和评价，寻找该差异的特征并判断其性质。倘若结果与假设之间存在着一定的差异，就该差异的性质，有以下几种可能情况：第一，假设是正确的，结果与假设之间的差异是由于实验误差所引起的；第二，假设是正确的，结果与假设之间的差异是由于事实中还隐藏着另外一个因素；第三，假设大体上是正确的，但有值得进一步修正的地方。以上第二、第三种情况，都意味着该差异是受另一种尚未发现的规律支配的结果，因此，关注这种差异，分析这种差异的规律，实际上就是在发掘引起这种差异的因素，这是发现问题和提出问题的前奏，是创造性思维的表现。

例如我们在关于“影响导体电阻的因素”（电阻定律）的定量探究中，其中假设之一是“导体的材料、横截面积一定时，其电阻和长度成正比”。在用电阻丝进行实验验证时，实验数据和假设大体上吻合得很好，但也有实验小组发现了事实和假设之间有一定差异：当被测量的电阻丝长度很小时，其测得的电阻值比假设略大。这是否是由于电阻丝粗细不均匀等原因所引起的实验误差？为了对此作出判断，在电阻丝的各个部位取该相同长度的一小段进行实验，发现电阻都比预计的略大，说明这并不是实验误差所致，而是其中隐藏着一个必然的因素。进一步对此因素进行假设和验证，发现它就是温度，金属导体的温度变化太大时也会对它的电阻产生影响。以上实验中的差异，就是因为所取的一小段电阻丝长度太短，电路中没有使用滑动变阻器控制电流，致使通过电阻丝的电流太大、温度过高而造成的。学生在该评估活动中获得了新的发现。

科学史上，由于理论预期和实践测定之间存在着差异，并围绕着这个差异进一步探究而导致新的发现的事例是不胜枚举的。17世纪，开普勒在研究行星运动轨道时，发现行星并不是以太阳为圆心绕太阳做匀速圆周运动的，后以“偏心圆”为轨道模型，理论计算和观测数据之间有了很好的吻合，但仍然和他的已故老师第谷的观测结果存在一定的差异。开普勒判断，该差异超出了第谷的观测误差，不是由于观测误差所引起的，行星轨道“偏心圆”模型的假设需要修正。当开普勒用“椭圆”模型重新建立假设时，其理论计算和实测数据非常吻合，由此发现了行星运动轨道的椭圆定律，也就是开普勒行星运动第一定律。18世纪，在研究天王星的运行轨道时，发现它的实际轨道总是跟用万有引力计算出来的有一定差异，研究者根据这个差异，推测天王星外面还有一个未发现的行星在对天王星起作用，通过进一步的理论和实践研究，终于发现了海王星。完全相似的过程，因理论和实践之间的差异，又导致发现了冥王星。

3.吸取经验教训，改进探究方案

探究方案的改进，包括在实验方法、器材、步骤和数据处理等各个方面的改进。因此它涉及对“制定计划与设计实验”、“进行实验与收集证据”、“分析与论证”这几个环节的评估。

要对这些环节进行评估，首先要具有反思的意识，即具有对这些环节中的优点和缺点进行评价的愿望，这种愿望，通常表现为对以下问题的思考：

·探究方案中所确定的实验方法，其原理是否科学？是否有利于收集证据？

·探究方案中所选择的实验器材，是否有利于减小误差？

·按要求应该保持不变的物理量是否在实验中真正做到了保持不变？

·是否存在着和整个实验数据的合理趋势相违背的个别异常数据？

·实验数据是否能有力地支持所得出的实验结论？

对这些问题的思考都反映了评估的意识。

下面我们用一个具体的实验案例来说明通过评估改进实验方案的情况。传统高中教材中，验证玻意耳定律的实验是用注射器来进行的，实验时把注射器竖直固定在铁架台上，在活塞下密封一段空气，改变并测量作用于活塞向下或向上的作用力，测量活塞横截面积，就可以改变和计算空气柱的压强，从而研究其体积随压强变化的关系。要对该实验方案作出改进，就要对方案中的实验方法、器材以及实验时收集、处理数据的具体做法进行评估。

从实验方法上考虑，利用注射器做实验，可以避免早期教科书中用水银封闭空气柱方案的水银污染问题，但带来的问题是固体之间的摩擦较大，活塞和外壳之间滑动的不流畅经常为实验带来障碍。因此，重新考虑用液柱封闭空气，这是从实验方法方面所做出的一种改进选择，事实上，如果用水柱代替早期实验中的水银柱，用两根下方通过橡皮管相连的竖直长玻璃管来代替早期实验中单根玻璃管，以获得较大的压强变化，能产生很有说服力的实验效果。

从实验器材上考虑，当我们仍然采用注射器方案时，究竟采用哪一种注射器，这也是很关键的。例如，采用医院打青霉素用的小口径注射器，就能在很大程度上改进实验效果。这是因为针筒细，活塞和外壳相接触的面积比较小，两者之间吻合度好、摩擦小，同时还因为活塞横截面积小，使得空气柱的压强和体积能在较大幅度内变化，增强了实验的说服力。实验器材中还涉及到活塞和外壳之间的润滑剂，传统的做法是用润滑油，一方面起润滑作用，另一方面还有密封效果，但事实并非想象，活塞和外壳内之间经常产生被“吸住”的现象。在选用润滑剂材料方面，如果摆脱用液体做润滑剂的传统思维束缚，改用固体“润滑剂”，把6B铅笔的笔芯均匀涂在活塞上，使活塞和外壳内壁之间附上一层很薄、极细的碳粉，其摩擦力将大大减小。

再从实验数据的收集和处理来考虑实验的评估。本实验中需要验证的结论是p V＝（p＋Δ）（V－ΔV），如果在实验操作时Δp较小（当然ΔV也就较小），在这种情况下比较气体体积和压强的乘积是否变化是没有意义的，因为即使在实验中把Δp读成了不可容忍的2Δp，由于2Δp也很小，上述等式仍然是成立的，实验没有说服力，许多学生却没有对此作出评估。如果不是用列表，而是用描绘p、V的关系图像（其中一个坐标轴为1/V）来处理实验数据，Δp较小的缺陷就会暴露无遗，因为实验数据在图像中只有一个很小的范围，无法体现图像的特征。

从以上实例中可以看到，通过评估改进实验方案的过程，就是发现问题、分析问题、创造性地解决问题的过程，对学生的发展是有积极意义的。

（七）交流与合作

1.能写出实验探究报告

初中物理课程标准要求学生能写出简单的探究报告，即能在探究报告中初步陈述探究的问题、探究的过程和探究的结论，高中学生应该在这个基础上再提高一步。

高中学生在写探究报告时，应比初中学生要有更高的独立性和自主性。学生应尽可能独立地构思报告的内容和格式，不同的实验探究课题所陈述的内容和表现的方式具有不同的侧重和各自的特征，避免套用刻板格式的实验探究报告，应该让学生在理解实验，并在有自己的考虑的情况下写实验探究报告，即学生自己写探究报告和写自己的探究报告。

高中学生写探究报告，内容上应比初中更深入和更完备。实验数据的记载要更准确，实验过程的描述要更详尽，实验数据处理的定量化水平更高，其图表、图像形式的分析方法更为普遍，实验结论的形成更富有逻辑和说服力，陈述的语言更简练。

高中学生写探究报告，观念上应比初中有所提高。高中学生应该具有把实验数据作为证据的观念，认识实验事实是不可动摇的根据；学生应认识“证据＋逻辑”是进行探究的基本理念，所有的结论都应该建立在证据和逻辑分析的基础上，根据证据进行逻辑分析，贯穿着整个探究过程；学生应树立实践是检验理论的唯一标准的观念，该标准应有意无意地体现在探究报告中。学生应对实验过程中不符合这些基本观念的内容作出评估、提出疑问，这些具有个性化和创造性特征的质疑，应能经常地出现在高中学生的实验探究报告中。

2.在合作中注意既坚持原则又尊重他人

3.有合作精神

科学探究中要发扬合作精神，发挥各人的积极性，就要群策群力，使每个人都贡献出自己的聪明才智。合作精神表现在探究过程中，就是既有分工，也有合作。应使学生体会到，合作能提高探究的质量和效率，例如同一实验小组在收集某个实验信息时，有读数人，有读数审核人，有记录人，还有记录审核人，明确的分工，在短时间内能准确、有效地获得实验数据。这种互相分工、互相合作、互相关联、互相制约的活动，放大来看，好像是在扮演社会分工中的不同角色，让学生认识到合作能力是现代社会人们必须具备的重要能力。因此，要克服做实验时总是只有成绩好、动手能力强的少部分学生忙碌的现象。

尊重他人，是具有合作精神的重要表现。要尊重他人，就要认真思考别人的观点，分析别人观点与自己观点不同的地方，一旦发现自己的想法有错误时，要勇于承认、放弃或修改自己错误的地方。尊重他人，还表现为听取别人意见时，能以别人思考问题的角度，能站在别人的立场上，认真琢磨别人意见中的道理。一旦发现别人意见中的合理因素，应尽量吸收到自己的探究方案中来，完善和改进自己的探究方案。

在合作中要坚持原则，具体表现为坚持实事求是的精神，坚持严谨的科学态度，坚持用实践来检验理论的观点，坚持依靠证据结合逻辑分析进行科学探究的方法等。