用失敗案例教育法培育學生科學素養(yǎng)

用失敗案例教育法培育學生科學素養(yǎng)浙江省德清縣高級中學王延光2006年7月28日本校省級課題簡介⑴失敗學開拓者——日本畑村洋太郎⑵馬云〔05〕年度經(jīng)濟人物評選創(chuàng)新論壇上主旨報告的開場白⑶本校省級課題?向失敗學習，提高學生的科學素養(yǎng)?一、美國的2061方案與我國的2049方案1.美國的2061方案1985年～2061年，用76年時間使所有美國公民具備科學素質(zhì)。2.我國的2049方案1999年～2049年，用50年時間使我國成年公民具備根本的科學素質(zhì)。3.兩個方案的比較2061計劃2049計劃對象全體在校中小學生19～69歲成年公民手段依靠學校教育強制性、連續(xù)性依靠社會化科普活動靈活性、隨意性基礎89年具備者6.9%00年具備者17%98年中學凈入學率90%89年具備者0.3%00年具備者1.98%98年中學凈入學率50%時間76年，根據(jù)當時美國平均自然壽命制訂時限50年，根據(jù)建國100周年制訂時限4.我國全民科學素質(zhì)行動方案綱要(2006～2021～2021〕鄧楠：?科學素質(zhì)綱要?面向全體公民，重點在于提高未成年人、農(nóng)民、城鎮(zhèn)勞動人口、領導干部和公務員等四類人群的科學素質(zhì)。其中提高未成年人和農(nóng)民的科學素質(zhì)是重中之重。提高未成年人的科學素質(zhì)，不僅要使他們掌握必要和根本的科學知識與技能，了解科學探究的過程和方法，更重要的是激發(fā)他們的創(chuàng)新意識和實踐能力。二、用失敗案例教育法培育學生科學素養(yǎng)1.失敗案例是科學素養(yǎng)教育的課程資源。[案例1]英國物理學家胡克根據(jù)彈簧實驗的結果，提出了胡克定律，在彈簧的彈性形變中，彈簧產(chǎn)生的彈力F跟它發(fā)生的形變大小x成正比，即F=kx，式中的比例系數(shù)k叫彈簧的勁度系數(shù)。請設計一個實驗，測定彈簧的勁度系數(shù)。說明所選用的器材和實驗的步驟。我們發(fā)現(xiàn)學生在練習時，大多數(shù)學生的設計方案都能正確選擇實驗器材，能明確告知實驗需要測定的物理量以及測定這些物理量的步驟，也能正確表達勁度系數(shù)的計算公式，唯獨“忘了〞“改變拉力，重復測量幾次，求平均值〞這一最能表達科學素養(yǎng)的關鍵步驟。面對這種看似不怎么起眼的“過失〞，我們是“酌情扣分、大事化小、小事化了〞，還是“嚴肅處理、小題大做、上綱上線〞呢？我們認為，這種“過失〞，正說明了學生壓根兒不知道“重復〞這種科學思想在科學研究中的重要性。其實，在科學研究中，用“重復〞可以探索和發(fā)現(xiàn)客觀規(guī)律，用“重復〞可以檢驗規(guī)律的正確性，用“重復〞可以減小實驗誤差，……。2.用失敗案例教育法培育學生科學素養(yǎng)⑴向失敗學習科學思想[案例2]如下圖，伽利略理想實驗將可靠的實驗事實和嚴謹?shù)倪壿嬎季S結合起來，更深刻地揭示了自然規(guī)律。伽利略的斜面實驗程序如下：h①減小第二個斜面的傾角，小球在這斜面上仍然要到達原來的高度②兩個對接的斜面，讓靜止的小球沿一個斜面滾下，小球?qū)L上另一斜面。③如果沒有摩擦，小球?qū)⑸仙结尫艜r的高度。④繼續(xù)減小第二個斜面的傾角，最后使它成水平面，小球沿水平面做持續(xù)勻速運動。請按程序先后次序排列，并指出它究竟屬于可靠的事實，還是通過思維過程的推論。以下選項正確的選項是〔〕A．事實②→推論③→事實①→推論④B．事實②→推論③→推論①→推論④C．事實②→推論①→推論③→推論④D．事實②→推論①→事實③→推論④面對這一問題，我們在教學活動中注意到有許多學生錯誤地選擇了選項A。經(jīng)了解才知道學生在聽課時大多只注意伽利略理想實驗的結論，并沒在意其思想和過程。所以，學生不知道理想實驗是不是實實在在的實驗，更不知道這個理想實驗是在“理想化〞和“極限〞的科學思想指導下的一種基于根本實驗事實的推理過程和思維活動。如果我們把這個失敗案例放在牛頓第一定律教學過程中去讓學生討論，就可以讓學生加深對理想實驗這種思維活動的理解，并從中學到“理想化〞和“極限〞等科學思想。⑵向失敗學習科學方法[案例3]當物體從高空下落時，空氣阻力會隨物體的速度增大而增大。因此經(jīng)過一段距離后將勻速下落，這個速度稱為此物體下落的終極速度。研究發(fā)現(xiàn)相同環(huán)境條件下，球形物體的終極速度僅與球的半徑和質(zhì)量有關?！瞘取10m/s2〕。下表是某項研究的實驗數(shù)據(jù)：小球編號ABC小球的半徑(×10-2m)0.50.51.5小球的質(zhì)量(×10-3kg)2545小球的終級速度(m/s)164040⑴根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，求出B球與C球在到達終極速度時所受的空氣阻力之比fB:fC。⑵根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，歸納出球形物體所受的空氣阻力f與球的速度v和球的半徑r的關系，寫出表達式并求出比例系數(shù)。面對這樣的問題，大多數(shù)學生能比較順利地解決第一問，但對第二問卻感到束手無策，無從下手。經(jīng)了解，幾乎所有學生都知道對于多因素問題應采用控制因素法進行研究，但只知道如何控制因素得出這些實驗數(shù)據(jù)，而不知道在總結歸納多因素問題的規(guī)律時還得用控制因素法。⑶向失敗學習科學態(tài)度[案例4]下表記錄的是學生在做?描繪小電珠的伏安特性曲線?實驗時的測量數(shù)據(jù)：序號12345678U/V0.050.100.200.300.401.002.003.00I/A0.050.080.100.110.120.160.220.27有不少學生根據(jù)表中數(shù)據(jù)描點后，想當然地把小電珠的伏安特性曲線描繪成如下圖的經(jīng)過原點的直線，并認為這些點不在直線上是實驗誤差所致。少數(shù)學生為了使所得的圖線更符合自己想象中的直線，甚至不惜對表中數(shù)據(jù)作了“適當〞的修正。1.02.03.00.10.20.3U/VI/A0我們可以教育學生，實驗是科學的根底，實事求是是科學的準那么，做實驗描圖線必須尊重事實，決不能憑主觀臆測。如果科學實驗的數(shù)據(jù)是假的，圖線是錯的，那么以此所得的一切結論全是錯的。而且在信息時代的今天，科學數(shù)據(jù)已作為一種可增值的資源，在使用過程中可以產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)產(chǎn)品和新的知識，如果我們的數(shù)據(jù)是假的，那么我們以此所得的一切新的數(shù)據(jù)和新的知識全是錯的。最后還可以告誡學生，我們的實驗雖然不能與科學家進行的科學實驗相比，但我們憑主觀臆測繪圖線、改數(shù)據(jù)所違背科學精神的性質(zhì)與韓國首爾大學黃禹錫偽造科學實驗數(shù)據(jù)——學術腐敗的性質(zhì)沒有什么兩樣。⑷向失敗學習科學精神[案例5]圖1為上海某校操場上，兩同學相距L為10m左右，在東偏北、西偏南11o的沿垂直于地磁場方向的兩個位置上，面對面將一并聯(lián)銅芯雙絞線，像甩跳繩一樣搖動，并將線的兩端分別接在靈敏電流計上，雙絞線并聯(lián)后的電阻R約為2Ω，繩搖動的頻率配合節(jié)拍器的節(jié)奏，保持在頻率為2Hz左右。如果同學搖動繩子的最大圓半徑h約為1m，電流計讀數(shù)的最大值I約為3mA，（1）試估算地磁場的磁感應強度的數(shù)量級為

；數(shù)學表達式B=

。（用R、I、L、f、h等已知量表示）。（２）將兩人站立的位置改為與剛才方向垂直的兩點上，那么電流計讀數(shù)約為_________。

[質(zhì)疑1]搖動銅芯線能產(chǎn)生電流嗎？為此我們的學生進行了屢次嘗試和改進。[質(zhì)疑2]電流計的讀數(shù)。如下圖，實驗中用到的電流計是學生實驗用的G表，通常有200μA和300μA兩種量程,怎么可能讀出300μA的電流呢？我們按照習題中提供的數(shù)據(jù)和要求做上述實驗時，發(fā)現(xiàn)電流計〔量程為300μA的G表〕指針偏轉很小，只有1－2小格，約10-20μA，遠小于題中所述的“約為3mA〞〔3000μA〕?？梢姡}中這一數(shù)據(jù)的真實性是值得疑心的。[質(zhì)疑3]感應電動勢的計算。原題提供的解析中運用公式E=BLv來計算感應電動勢〔動生電動勢〕，看似合理，其實是有問題的。我們知道，勻速搖動的線繩上各局部做勻速圓周運動時的線速度各不相同〔v∝r〕，因此公式E=BLv中切割速度應取平均值，但由于線繩各局部的線速度并不是線形遞變，所以運用初等數(shù)學很難求其平均值，而解析中用v=ωh帶入上式求感應電動勢的最大值顯然是錯誤的。

[質(zhì)疑4]回路的電阻。原題提供的解析中“由E=BLv，v=ωh，ω=2πf，E=IR可得”，數(shù)據(jù)驗證知其中R=2Ω，即為原題中所提供的雙絞線并聯(lián)后的電阻值。由此看出，命題者誤把線繩電阻當成了回路電阻，而實際上電表（G表）的內(nèi)阻才是回路電阻的主要部分，故原題中回路電阻應為Rg+R或近似為Rg。［質(zhì)疑5］兩同學站立的方位。原題要求兩位同學站“在東偏北、西偏南11o的沿垂直于地磁場方向的兩個位置上〞，顯然是為了減小磁偏角對測量結果的影響。然而地球上不同地理位置的磁偏角不盡相同，下表所列為我國局部地區(qū)的磁偏角：從表中不難看出上海的磁偏角只有偏西4o26ˊ，因此原題中兩同學的站立方位應改為“在東偏北、西偏南4o26ˊ的沿垂直于地磁場方向的兩個位置上〞。學生們將原題作如下改進：如圖為上海某校操場上，兩同學相距?為10m左右，在東偏北、西偏南4o26ˊ的沿垂直于地磁場方向的兩個位置上，面對面將一來回串接的銅芯線，像甩跳繩一樣搖動，并將線的兩端分別接在靈敏電流計上，銅芯線共繞〔串接〕5圈，電阻R約為3Ω，繩搖動的頻率配合節(jié)拍器的節(jié)奏，保持在頻率為1Hz左右。如果同學搖動繩子的最大圓半徑h約為1m，搖動的電線與轉動軸所圍面積近似為圓的一局部，靈敏電流計〔內(nèi)阻為100Ω〕讀數(shù)的最大值Ⅰ約為100μA，那么:(1)試估算地磁場的磁感應強度的數(shù)量級為；(2)將兩人站立的位置改為與剛剛方向垂直的兩點上，那么電流計讀數(shù)約為_________。3.實施失敗案例教育法應注意的環(huán)節(jié)⑴教師應樹立捕捉失敗案例的意識。[案例6]我們發(fā)現(xiàn)在練習中有不少學生認為，氡的半衰期為3.8天，假設取4個氡原子核，經(jīng)7.6天后就一定只剩下1個氡原子核。這不能被我們簡單地認為是學生對半衰期概念的理解問題，其深層次的原因是學生缺乏統(tǒng)計思想——科學思想。其實，由統(tǒng)計學得出的統(tǒng)計規(guī)律是對足夠大樣本下的一種概率的判斷，對太小的樣本可能會失去其指導意義，而且其結論中的指標也不是一個具體確實切的數(shù)字，只是一個概率。⑵教師應把握失敗案例教育的時機[案例7]批改作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，學生對有關地球繞太陽公轉的運動問題，在太陽光射到地球的時間求地球公轉軌道半徑時，對r=ct表示不可接受，認為應該為r=Rs+ct。對此，我們可在課內(nèi)用幾分鐘時間，介紹科學研究中科學近似的思想，用具體的數(shù)據(jù)讓學生算一下地球半徑和太陽半徑與地球繞太陽公轉軌道半徑數(shù)量級之間的大小關系，讓學生感悟科學近似思想的意義，這樣便可讓學生明確即使用字母表示時，地球繞太陽公轉軌道半徑也沒有必要表示成r=R