第三章 科学探究及物理实验能力要求解读
《标准》把“科学探究及物理实验能力要求”、“共同必修模块”、“选修模块”并列，作为内容标准的三大部分，这表明科学探究、物理实验在高中物理教学中的重要地位。
《标准》把物理实验和科学探究一并提出能力要求，明确了物理实验和科学探究的关系。物理实验和科学探究一样，它不仅是物理教学中的重要内容和学习方式，而且是物理教学中的教学目标。我们在陈述科学探究的能力要求时，实际上包括了对物理实验的能力要求，以下在对科学探究的能力要求进行解读时，尽管不会反复陈述物理实验这个词，但对物理实验的能力要求已经包含在其中。
第一节 科学探究及物理实验能力要求
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的，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？”14
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
14
【美】H.S.塞耶编，《牛顿自然哲学著作选》，上海人民出版社，1974年11月第1版，第186页。
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作初步的逻辑证明，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证明的过
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，而作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在作有规则地变化，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，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.其它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”实验及其它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。高中物理的《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