用失敗案例教育法培育學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)

用失敗案例教育法培育學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)浙江省德清縣高級中學(xué)王延光2006年7月28日本校省級課題簡介⑴失敗學(xué)開拓者——日本畑村洋太郎⑵馬云〔05〕年度經(jīng)濟(jì)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(xué)習(xí)，提高學(xué)生的科學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)生19～69歲成年公民手段依靠學(xué)校教育強(qiáng)制性、連續(xù)性依靠社會化科普活動靈活性、隨意性基礎(chǔ)89年具備者6.9%00年具備者17%98年中學(xué)凈入學(xué)率90%89年具備者0.3%00年具備者1.98%98年中學(xué)凈入學(xué)率50%時間76年，根據(jù)當(dāng)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(xué)素質(zhì)行動方案綱要(2006～2021～2021〕鄧楠：?科學(xué)素質(zhì)綱要?面向全體公民，重點(diǎn)在于提高未成年人、農(nóng)民、城鎮(zhèn)勞動人口、領(lǐng)導(dǎo)干部和公務(wù)員等四類人群的科學(xué)素質(zhì)。其中提高未成年人和農(nóng)民的科學(xué)素質(zhì)是重中之重。提高未成年人的科學(xué)素質(zhì)，不僅要使他們掌握必要和根本的科學(xué)知識與技能，了解科學(xué)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(shí)踐能力。二、用失敗案例教育法培育學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)1.失敗案例是科學(xué)素養(yǎng)教育的課程資源。[案例1]英國物理學(xué)家胡克根據(jù)彈簧實(shí)驗(yàn)的結(jié)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(shè)計一個實(shí)驗(yàn)，測定彈簧的勁度系數(shù)。說明所選用的器材和實(shí)驗(yàn)的步驟。我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生在練習(xí)時，大多數(shù)學(xué)生的設(shè)計方案都能正確選擇實(shí)驗(yàn)器材，能明確告知實(shí)驗(yàn)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(dá)勁度系數(shù)的計算公式，唯獨(dú)“忘了〞“改變拉力，重復(fù)測量幾次，求平均值〞這一最能表達(dá)科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)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(yán)肅處理、小題大做、上綱上線〞呢？我們認(rèn)為，這種“過失〞，正說明了學(xué)生壓根兒不知道“重復(fù)〞這種科學(xué)思想在科學(xué)研究中的重要性。其實(shí)，在科學(xué)研究中，用“重復(fù)〞可以探索和發(fā)現(xiàn)客觀規(guī)律，用“重復(fù)〞可以檢驗(yàn)規(guī)律的正確性，用“重復(fù)〞可以減小實(shí)驗(yàn)誤差，……。2.用失敗案例教育法培育學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)⑴向失敗學(xué)習(xí)科學(xué)思想[案例2]如下圖，伽利略理想實(shí)驗(yàn)將可靠的實(shí)驗(yàn)事實(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S結(jié)合起來，更深刻地揭示了自然規(guī)律。伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)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(dá)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(yùn)動。請按程序先后次序排列，并指出它究竟屬于可靠的事實(shí)，還是通過思維過程的推論。以下選項(xiàng)正確的選項(xiàng)是〔〕A．事實(shí)②→推論③→事實(shí)①→推論④B．事實(shí)②→推論③→推論①→推論④C．事實(shí)②→推論①→推論③→推論④D．事實(shí)②→推論①→事實(shí)③→推論④面對這一問題，我們在教學(xué)活動中注意到有許多學(xué)生錯誤地選擇了選項(xiàng)A。經(jīng)了解才知道學(xué)生在聽課時大多只注意伽利略理想實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，并沒在意其思想和過程。所以，學(xué)生不知道理想實(shí)驗(yàn)是不是實(shí)實(shí)在在的實(shí)驗(yàn)，更不知道這個理想實(shí)驗(yàn)是在“理想化〞和“極限〞的科學(xué)思想指導(dǎo)下的一種基于根本實(shí)驗(yàn)事實(shí)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(xué)過程中去讓學(xué)生討論，就可以讓學(xué)生加深對理想實(shí)驗(yàn)這種思維活動的理解，并從中學(xué)到“理想化〞和“極限〞等科學(xué)思想。⑵向失敗學(xué)習(xí)科學(xué)方法[案例3]當(dāng)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(guān)?！瞘取10m/s2〕。下表是某項(xiàng)研究的實(shí)驗(yàn)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(dá)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(guān)系，寫出表達(dá)式并求出比例系數(shù)。面對這樣的問題，大多數(shù)學(xué)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(xué)生都知道對于多因素問題應(yīng)采用控制因素法進(jìn)行研究，但只知道如何控制因素得出這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而不知道在總結(jié)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(xué)習(xí)科學(xué)態(tài)度[案例4]下表記錄的是學(xué)生在做?描繪小電珠的伏安特性曲線?實(shí)驗(yàn)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(xué)生根據(jù)表中數(shù)據(jù)描點(diǎn)后，想當(dāng)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(diǎn)的直線，并認(rèn)為這些點(diǎn)不在直線上是實(shí)驗(yàn)誤差所致。少數(shù)學(xué)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(dāng)〞的修正。1.02.03.00.10.20.3U/VI/A0我們可以教育學(xué)生，實(shí)驗(yàn)是科學(xué)的根底，實(shí)事求是是科學(xué)的準(zhǔn)那么，做實(shí)驗(yàn)描圖線必須尊重事實(shí)，決不能憑主觀臆測。如果科學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)是假的，圖線是錯的，那么以此所得的一切結(jié)論全是錯的。而且在信息時代的今天，科學(xué)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(xué)生，我們的實(shí)驗(yàn)雖然不能與科學(xué)家進(jìn)行的科學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，但我們憑主觀臆測繪圖線、改數(shù)據(jù)所違背科學(xué)精神的性質(zhì)與韓國首爾大學(xué)黃禹錫偽造科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)——學(xué)術(shù)腐敗的性質(zhì)沒有什么兩樣。⑷向失敗學(xué)習(xí)科學(xué)精神[案例5]圖1為上海某校操場上，兩同學(xué)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(xué)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(yīng)強(qiáng)度的數(shù)量級為

；數(shù)學(xué)表達(dá)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(diǎn)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(xué)生進(jìn)行了屢次嘗試和改進(jìn)。[質(zhì)疑2]電流計的讀數(shù)。如下圖，實(shí)驗(yàn)中用到的電流計是學(xué)生實(shí)驗(yàn)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(xí)題中提供的數(shù)據(jù)和要求做上述實(shí)驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)電流計〔量程為300μA的G表〕指針偏轉(zhuǎn)很小，只有1－2小格，約10-20μA，遠(yuǎn)小于題中所述的“約為3mA〞〔3000μA〕?？梢?，原題中這一數(shù)據(jù)的真實(shí)性是值得疑心的。[質(zhì)疑3]感應(yīng)電動勢的計算。原題提供的解析中運(yùn)用公式E=BLv來計算感應(yīng)電動勢〔動生電動勢〕，看似合理，其實(shí)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(yùn)動時的線速度各不相同〔v∝r〕，因此公式E=BLv中切割速度應(yīng)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(yùn)用初等數(shù)學(xué)很難求其平均值，而解析中用v=ωh帶入上式求感應(yīng)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(yàn)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(dāng)成了回路電阻，而實(shí)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(yīng)為Rg+R或近似為Rg。［質(zhì)疑5］兩同學(xué)站立的方位。原題要求兩位同學(xué)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(jié)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(xué)的站立方位應(yīng)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(xué)生們將原題作如下改進(jìn)：如圖為上海某校操場上，兩同學(xué)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(xué)搖動繩子的最大圓半徑h約為1m，搖動的電線與轉(zhuǎn)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(yīng)強(qiáng)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(diǎn)上，那么電流計讀數(shù)約為_________。3.實(shí)施失敗案例教育法應(yīng)注意的環(huán)節(jié)⑴教師應(yīng)樹立捕捉失敗案例的意識。[案例6]我們發(fā)現(xiàn)在練習(xí)中有不少學(xué)生認(rèn)為，氡的半衰期為3.8天，假設(shè)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(rèn)為是學(xué)生對半衰期概念的理解問題，其深層次的原因是學(xué)生缺乏統(tǒng)計思想——科學(xué)思想。其實(shí)，由統(tǒng)計學(xué)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(dǎo)意義，而且其結(jié)論中的指標(biāo)也不是一個具體確實(shí)切的數(shù)字，只是一個概率。⑵教師應(yīng)把握失敗案例教育的時機(jī)[案例7]批改作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對有關(guān)地球繞太陽公轉(zhuǎn)的運(yùn)動問題，在太陽光射到地球的時間求地球公轉(zhuǎn)軌道半徑時，對r=ct表示不可接受，認(rèn)為應(yīng)該為r=Rs+ct。對此，我們可在課內(nèi)用幾分鐘時間，介紹科學(xué)研究中科學(xué)近似的思想，用具體的數(shù)據(jù)讓學(xué)生算一下地球半徑和太陽半徑與地球繞太陽公轉(zhuǎn)軌道半徑數(shù)量級之間的大小關(guān)系，讓學(xué)生感悟科學(xué)近似思想的意義，這樣便可讓學(xué)生明確即使用字母表示時，地球繞太陽公轉(zhuǎn)軌道半徑也沒有必要表示成r=R