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第120258号初中科学竞赛讲座 北大教授主讲

发布时间:2013-10-27 08:42:29  

初中科学竞赛 讲座
北京大学 胡学军 Email:xuejunhu@163.com Tel: 85688025

一、科学探究技能 (一) 基本技能 (二) 综合技能 (三) 实验技能 二、科学探究过程

一、科学探究技能

(一) 基本技能 1.观察
当你用一种或多种感官去搜集有关这 个世界的信息时,就是在观察。 观察不仅仅是用眼看,像 聆听狗的叫 声,数10颗绿色的种子,或是闻飘来的气 味都是在进行观察。科学家们为了提高他 们感官的灵敏度,有时还需要借助辅助仪 器,例如显微镜、放大镜、望远镜等,使 观察更为详尽。

例1:三个相同的木桩被从空中静止释放 的不同铁块撞击,陷入沙坑中的情况如 图所示。在此实验中,我们通过观察什 么来比较各铁块重力势能的大小?

答案:通过观察木桩陷入沙坑的深度来 比较铁块的重力势能。陷入沙坑越深, 其上面的铁块的重力势能越大。

例2:下图为菜豆种子萌发的过程示意图,请 根据图用文字准确地描述出来(注意生物学 用语)。

2.分类
把某些特征相似的物体归类到一起的方 法称为分类。你可以根据大小、形状、用途 和其他一些重要特征来进行分类。

【例1】分类的技能不仅在科学探究中有用, 在工作和生活中也经常用到。现在假设你在 一个超市工作,需要将这些调味品摆在货架 上,怎样分类才会让你和顾客都容易找到这 些货品呢? 调味品有:蒜、姜、糖、酱油、醋、大 豆油、香油、味精、盐、花生油。

【例2】 2004年武汉市七上期末调考试题第49题: (4分)请把下列名词分为两组,并说明理由。 鹰、温度、湿度、草、雨量、甲虫、阳光、 蚱蜢、青蛙、风

3.交流
交流就是与其他人交换看法、分享信 息的过程。有效的交流需要许多技能,包 括听说读写能力。 科学家们往往运用许多方法来分享他 们的观点和看法。例如,他们在科学研讨 会上作演讲,在英特网上相互交流信息, 或在科学期刊上发表论文等。

4.建立模型
你是否曾经用过画图的方法来帮助别人理 解你所说的意思?这样的图画就是一种模型。 模型是用来显示复杂事物或过程的表现手 段。建构模型常常可以帮助人们认识和理解一 些不能直接观察到的事物。 科学家们常用模型来代表非常庞大或者极 其微小的事物,比如太阳系中的行星,细胞的 细微结构等。这些模型是物理模型——能直观 反映真实物体形状的图画或三维结构。另外还 有一些抽象模型——能描述事物活动规律的数 学方程式或者描述性文字。

【例】这是一个模拟宇宙大爆炸学说的模型。 请问模型中的斑点和线段的涵义是什么?

答案:斑点模拟宇宙中的恒星,线段模拟 恒星之间的

距离。

5.测量
仅凭感官感觉到的现象不一定是科学事实。 比如:同时发生的雷鸣和闪电,由于声和光传 播速度不同,人们总是先看见闪电,后听见雷 鸣。在铁路旁极目远望,两条平行的钢轨似乎 要交汇在一起。 因此在科学研究中,借助一定的工具进行 准确的测量,是十分必要的。通过测量,科学 家能把他们的观察表达地更为精确,在交流时 就能给出更多的信息。常用的测量有长度测量、 体积测量、质量测量等。

【例】观察图中垂直的两条线段,你认为它 们的长度一样吗?

(在很多情况下,用工具进行测量是必要的)

6.估计
根据判断做出量和质方面的估算。一般 情况下,估计不是凭空想象,应该找个已知的 东西做“参照”,需要有科学依据。 如要估计一本书的字数,就可以计算一页 书上的字数,然后乘以页数,就可以估计出书 的总字数。

【例1】你能用什么方法估计出2千克的绿豆有 多少颗吗?

答案:用取样法可以估计出2 Kg的绿豆的颗数,步骤如下: (1)数出100颗绿豆 (2)用天平称出此100颗绿豆的质量,计m Kg (3)计算:颗数=2/m*100

【例2】2007武汉市四月调考试题 下列几种估测中,比较符合实际的是: A.我们使用的武汉版《科学读本》, 每一 本的质量约为10㎏ B.中学生正常步行时的速度约为20m/s C.月亮在井中所成的像到井中水面的 距离大约3m。 D.书桌的高度大约是80cm。

答案:D

7.推断 推断是在事实的基础上面,对事实之间 的联系(可以是因果联系、整体与部分的联系) 所作出的一种判断、一种解释,比如说,狗叫 了,狗什么原因叫的呢?你可以推断:生人来了。 要注意,推断不一定就是事实!它只是对 现象的多种可能解释中的一种。比如你的狗也 可能因为想出去散步而直叫。 因此,哪怕是根据正确观察和逻辑推理而 做出的推论,最后仍然可能会发现它是错的。 要证明推论正确,唯一方法就是再进行进一步 的调查。

【例】某地野生动物保护部门接到举报,某餐馆 近来大肆兜售野味,不少野生鸟类被送上餐桌。 执法人员迅速赶到现场,在餐馆内却没有发现野 生动物。他们灵机一动,到该餐馆的垃圾桶中去 找,发现了几只鸟的足,其形态如图。

执法人员根据这几只足的形态,断定该餐馆 出售的食品中有野生鸟类。你能根据这几种鸟足 的形态推测出它们的栖息环境吗?

答案:执法人员判断该餐馆出售的食品中有野生鸟 类,是根据该餐馆垃圾桶中鸟的足与家禽的足有明显 的不同,野生鸟类的足有尖锐的钩曲或细长的腿。 从几种鸟足的形态来看:左图所示的足,粗大 有力,爪锐利而钩曲,是猛禽类

的足。猫头鹰、苍鹰 和秃鹫等都属于猛禽类。它们以捕食小动物为食,以 树栖生活为主,也有的生活在岩洞中。 中图所示的足,短而健壮,两趾向前,两趾向 后,趾端有尖利的勾爪,适于攀缘,是攀禽类的足。 啄木鸟、杜鹃等都属于攀禽类。它们以昆虫为食,以 树栖生活为主。 右图所示的足,趾间少蹼,腿细长,适于在浅 水中行走,是涉禽类的足。丹顶鹤、白鹭等都属于涉 禽类。它们以水中鱼、虾及水生小动物为食,适于在 近水浅滩或沼泽地中行走。

8.预测
天气预报员会对第二天的天气做出许多预 测——温度将会是几度、是否会下雨,风力有几 级。预报员所用的预测技能实际上是根据现有证 据和既往经验对将来的事件做出的推论。 例如:天文学家知道地球、其他行星及月球 都在固定的、可预测的轨道上运行。他们就能用 这些知识作出精确的预测。他们能预测出出现日 食和月食的时间,以及行星在夜空中出现的时间 和位置等。 但是由于预测是推论的一种,所以它也有可 能会出错。

9. 比较
比较是根据一定的标准,把彼此有某种 联系的事物加以对照,确定它们的相同和不 同之处。通过对各个事物特征的比较,可以 把握事物之间的内在联系,认识事物的本质。 例如,对不同生物种类的形态结构进行 比较,可以推断它们的亲缘关系。

【例1】发电机和电动机的区别很多,比如它 们的原理不同,请你举出一条。

答案:它们能量的转换形式也不一样。 发电机:机械能转化为电能; 电动机:电能转化为机械能。

【例2】2007武汉市元月调考题:如下图A所
示是一种用于显示事物异同点的信息处理方法,两 个圆分别代表蒸发和蒸腾的有关信息,两圆重叠的 区域代表蒸发和蒸腾的共同特征(相同点),重叠 区域以外的部分代表它们的独有部分(不同点)。 请你模仿图A在图B、图C中的①、②处填上适当的 内容(每处只要求填一点)。 ① ;② 。

(3)试分析上图C中金刚石不易导电的原因。

(二)综合技能
1.解释数据
解释数据就是通过阅读各种图表(包括地 图),解释其信息,或利用图表回答问题。

【例】某段公路上,交通标志牌如图所示。 请说出图中两个标志牌的含义。 在遵守交通规则的前提下,汽车从标志 牌处到武汉最快需要多少时间?

2.绘制图表
包括记录表、柱形图、折线图、扇形图等等。

记录表:在实验准备中,除了要收集好所需的 材料以外,还必须设计好用什么方式来记录实验 中将会发生的事情。创建一张记录表能帮助你有 序地记录观察和测量结果。
例如:下张这张数据表记录了某健康人肾动脉

中的血浆、肾小 囊中的液体和尿液的数据,图中①②③各代表什么数据?
成分 ①(克/100毫升) ②(克/100毫升) ③(克/100毫升) 90 99 95 水 0.00 0.00 蛋白质 7.00 葡萄糖 0.10 无机盐 0.72 尿素 0.03 0.10 0.72 0.03 0.00 1.50 2.00

(①血浆 ②肾小囊中的液体 ③尿液)

柱形图:柱形图用于显示不同项目的数据。图 ①、图 ② 、图③ 分别表示淀粉、蛋白质、脂 肪在口腔、胃、小肠中被消化的百分比。

折线图:折线图能用来显示某一变量(应 变量)是如何随着另一变量(调节变量)而 变化的。它是科学研究的强有力工具,原因 在于我们可以通过它来分析研究对象的发展 趋势,并作出预测。
例如:利用右图,测 算出,6秒时乙车所 行驶的路程是多少?

(72m)

扇形图:扇形图也称为饼图,因为它看上去 像一个分成若干小块的饼。圆圈代表了整体, 而各个小块则代表不同的项目。每一块的大小 能显示出这个项目在整体中所占的百分比。

像柱形图一样,扇形图也用来表示一组不同 项目的数据。但与柱形图不同的是,扇形图只在 各个项目的数据总和等于某一整体时才能使用。
例如:右图示就是 用扇形图表示我国 各类地形面积比例 的示意图

3.控制变量
控制变量的技能在科学探究中至关重要, 它涉及到实验能否成功,能否真正揭示事物 的因果关系。变量是指实验中可以变化的因 子。 其中为了检验某种假设而特意人为改变 的变量被称为自变量,又称调节变量。而另 一个随着自变量的变化而改变的变量被称为 应变量,又称相关变量。应变量是为了得到 实验结果而需要观察或测量的指标。

例1:(2007武汉市中考样题)水文学家需要 为住宅开发进行土壤测试,下列那种方法 将产生令人信服的结论 C

例2:(2007年武汉市中考题)一 位同学猜想:绿色植物需要沙子 才能更健康地生长。为了证明她 的猜想,她准备了两盆植物,其 中一盆所处的环境和条件如右图 所示。另一盆所处环境和条件, 应该是 B

例3:市场上的防晒霜都宣称可以防晒。暑假期间, 一群中学生外出徒步旅游,准备利用此机会做一个 关于防晒霜的实验,看它是否真有其效。他们的实 验方案如下表,你认为谁的实验方案更好? 小明
实验人 小明 实验方案

一只手背上涂上防晒霜,另一只不涂。一天后, 比较两只手手背被灼伤的程度。
第一天,两只手背都涂上防晒霜;第二天,都不 涂。比较第一天与第二天被灼伤的程度。 小军在小华的手背上都涂上防晒霜,自己不涂。 一天后,比较自己的手背与小华的手背被灼伤的 程度。 脸上涂上防晒霜,而手背上不涂。一天后,比较 脸与手背被

灼伤的程度。

小英
小军 小红

4.设置重复
科学实验中的数据,往往存在误差, 因此需要设置重复组,也就是在同一个实 验在相同的条件下要重复做几次。 如果重复组的实验数据十分相近,则 说明这个实验的结果排除了偶然因素的影 响。科学实验的数字结果,应该取各重复 组的平均值。

例:在《测定小灯泡的电阻》实验中,如 图,电压表和电流表分别用来测量通过灯 泡的电流I和它两端的电压U,利用图中的 滑动变阻器,就是为了多测几组数据。然 后根据欧姆定律计算出灯泡的几组电阻值, 再求平均值。这样可以减小误差。

5.下定义
下定义可以使表达简练明了。科学家事 先给某个词或某个术语规定明确的涵义后,那 么就可以反复使用,以代替罗嗦的说明。设想 一下,没有基本的科学概念,科学交流是如何 的混乱和困难。 例如,我们已知肝脏能分泌一种能将脂 肪乳化为颗粒的物质,将这种物质定义为“胆 汁”,在以后的交流中我们直接称“胆汁”。

例:汽车用的汽油、管道里的天然气和木 柴等都是燃料。根据你的观察,尝试给 “燃料”下定义。

答案:燃料是通过燃烧可以释放出热量的 物质。或:燃料是贮存化学能的物质,能 通过燃烧将化学能以光和热的形式释放。

科学探究技能还有很多,如对比、归 纳、应用概念、类比、等效法等,它们同 以上介绍的科学探究技能一样,都不是孤 立存在的,而是彼此紧密联系的,并统一 在科学探究活动过程中。

(三) 实验技能
科学探究还需要一些专业实验技能。 如:收集气体、配制溶液、分离混合物、 制作标本和切片、电路连接、……

二、科学探究过程
从某种角度来说,科学家们就象侦探 一样,把各种线索拼凑起来弄清事情的来 龙去脉。他们收集线索的 途径之一就是开 展科学探究。虽然并不是所有的探究都遵 循相同的步骤和顺序,但其基本模式大都 如下:

二、科学探究过程
(一)提出问题 (二)形成假设 (三)设计实验 (四)观察与实验 (五)得出结论 (六)表达与交流

(一)提出问题
科学探究常常是从对某项观察提出疑问开 始的。显然,问题和疑问不会无缘无故地来到 你的面前,它总是伴随你曾经有过的经历、观 察以及你所作出的推理而来。当你观察到某些 不同寻常或出乎预料的事物时,你就会思考。 在这里,好奇心扮演了十分重要的角色。正是 由于你的好奇心,才触发你产生了许多疑问!
“提出一个问题比解决一个问题更重要”-----爱因斯坦

思考下列两个问题的区别: ●为什么我的MP3停止了工作? ●在我的MP3中,我应该选择听哪种类型 的音乐? 这两个都是提出

问题,但第一个问题属于 科学问题,因为它能够通过观察和收集证据来加 以解答。例如,你可以更换MP3的电池,然后观 察它是否运转来找到答案。相反,第二个问题却 不属于科学探究的问题,因为它的答案完全取决 于个人的爱好和看法,科学探究不能回答个人爱 好和鉴赏力的问题。

例题:为精确测量世界屋脊──喜马拉雅山的高度, 2005年中国科学院组织科考队利用现代测量技术对喜马 拉雅山主峰峰顶进行重新测量。测量考察中,科考队员 们戴着墨镜,身穿防寒羽绒服,背着氧气瓶,手拿尖头 冰镐,脚蹬防滑靴。他们不畏艰难险阻,克服重重困难, 终于完成了测量任务。根据以上情景,请你提出两个问 题,并加以简单的科学解答。 示例:问题:科考队员为什么要使用尖头的冰镐? 简答:使用尖头冰镐,可以增大对封冻雪地的压强。 问题1:_______________________________。 简答:_______________________________。 问题2:_______________________________。 简答:_______________________________。

答案: (1)为什么他们要戴墨镜呢?(高山上白 雪皑皑,阳光反射强烈,戴墨镜可防止强光伤 眼); (2)他们为什么要背氧气瓶呢?(高山上 气压低,空气稀薄,缺氧); (3)防寒羽绒服有什么作用?(高山上气 温低,羽绒是热的不良导体,可起到保暖作 用): (4)防滑靴有什么作用?(防滑靴可增大 摩擦,便于蹬山)等。

(二)形成假设
假设是对实验结果的预测,是根据现有知 识提出解决问题的方案,或者是对发生某一 现象作出的可能解释。 我们可以通过观察或实验来验证假设。如 果观察或实验的结果不支持假设,则需要根 据观察到的结果提出新的假设。 提出假设是科学探究的重要组成部分。

例:我们经常可以看到这种现象: 汽车在马路上快速驶过以后,马路两边的 树叶会随风飘动。如图所示,马路两边的 树叶会沿着A、B、C哪一个方向飘动?请 你猜想并说明理由。

答案:猜想:马路两旁的树叶会沿着A方 向飘动。因为汽车快速行驶时,马路中间的 空气流速大,空气压强小,所以两边的气压 就把树叶压向中间。

(三)设计实验

实验方案的设计要紧紧围绕提出的问题和 假设来进行。并且在计划中应该写明详细的 实验步骤,以及在实验中要进行哪些观察和 测量。 记住:设计实验时涉及三个很重要的步骤, 就是控制变量、重复实验和规范表达实验结 果(实验设计一般不宜连续描述,往往需要 分段叙说;试管(烧杯、水槽等)要给予编号, 如A、B或甲、乙;叙说中尽量要用规范的实 验术语,不用含糊的口语。)

例1:有色塑料薄片有许多应用

。例如,彩色照 片如果暴露在阳光下会随时间褪色。有色塑料薄 片可以放在彩色照片上减少阳光下褪色的程度。

褪色前

褪色后

请你用有色塑料薄片设计一项可以用来测试 不同颜色的光如何影响彩色相片褪色的研究。

答案:把4张放在不同的塑料薄片(如红色塑料薄片 绿色塑料薄片 橙色塑料薄片 黄色塑料薄片)下的 相同相片放置于阳光下。另用1张相片做为对照,不 加盖塑料薄片。记录下每张相片褪色的时间。

例2:甲酸是一种无色、有刺激性气味的液体,有 较强的腐蚀性。小明想知道甲酸是否具有酸性, 做了如下探究: 他作出的猜想是“甲酸具有酸性”。你认为下列 哪一项实验设计能够检验这一猜想? C

(四)观察实验
如果不进行实验,科学探究便无法进行, 所探究问题的结论也就无法得出。 在实验时,要善于观察,需要对实验数 据进行记录、搜集和整理, 还必须具有初步的实验操作技能,否则, 即使有再好的设计都是徙劳的。

(五)得出结论
结论就是对实验研究发现的总结。在下结 论的时候,你要确定收集的数据是否支持原先的 假说。通常需要重复好几次实验才能得到最后的 结论。

例: 常说“水往低处流”,但是,植物体内的水却 往高处流,动力从何而来?某同学为此做了两个实验。 实验1:将一枝条插入充满水的玻璃管中,玻璃管 的另一端插入盛有水银的容器中。不久水银柱上升如 图(1)所示。 实验2:将同一植物在靠近茎的基部切断,套上一 个弯曲的玻璃管,管内装有水和水银。不久,玻璃管 内水分增加,水银柱上升。如图(2)所示。 1、实验1结论: 2、实验2结论: 3、根据这两个实验, 你对水分在植物体 内运输动力有何新 的认识?

[答案]实验l说明:蒸腾作用散失水分,可产 生水分在植物体内上升的“拉力” 实验2说明:根部吸水向茎内转移,可产 生水分在植物体内上升的“压力” 新的认识:水分在植物体内上升,运输 的动力可来自蒸腾失水产生的拉力和根部吸水 形成的压力,二者有相对独性。

(六)表达和交流
科学探究过程中的一个重要环节就是将实 验结果与其他人进行交流。交流就是通过书面 和口头语言的形式与其他人一起分享自己的观 点和实验成果的过程。 例如,在科学研讨会上作演讲,在科学期 刊上发表论文,在互联网上交换信息等。 在交流的过程中,你需要尽可能详细地对 所提出的问题、研究的内容、观察到的事物、 探究得出的结论进行描述,以便其他人能重复 你的探究过程。当然,你也可以对他人的科学 探究成果进行评价。

例1:2007年四月调考题: 克洛托是“布基球”(C60)的

发现者之一,并于1996年荣 获诺贝尔奖。“布基球”是由60个碳原子构成的具有笼状结构 的一种物质,形状与足球相同。金属原子可以放在这个球形分 子里,在适合的条件下导电极强。 科学家期望利用布基球的这种性质来 制造用于电脑的微型电子元件。这种电 脑可能比目前的更小更快。 (1)说出克洛托报告给其他科学家,有关 他的工作可能的一种方法。 (2)其他科学家如何证明克洛托的观点是正确的? (3)当布基球在氧气中完全燃烧时,一种气体形成了,这种气 体的名称是 。怎样验证这种气体?

(1)在杂志上发表文章 / 在会议上作学术报告 / 写一本书(著作) (2)重复实验(重复他的工作,取得同样的结果)。 (3) CO2 将气体倒入盛有澄清石灰水的烧杯里震荡 / 将气体通入 澄清的石灰水中。

例2:小华同学为探究电磁铁磁性与线圈的圈数关系, 设计了如下实验:她用相同漆包线在相同的铁钉上绕制 成两个电磁铁,它们线圈的圈数不相同,同时用电源分 别通电。小华根据如图所示的实验现象得出结论:电磁 铁的线圈的圈数越多,磁性越强。 晓月同学设计了图丙的实验,把两个线圈串联起来。 请你认真比较,你认为谁的设计更合理?为什么?







答案:晓月的设计(丙图)更合理。因为电磁铁磁性的 强弱与有无铁芯、电流的大小和线圈的匝数有关。晓 月的设计保证了通过两个电磁铁的电流大小相等。对 于相同的电磁铁,如果通过它们的电流相等,则线圈 匝数越多,其磁性越强。

例2:2007武汉市中考试题第42题: (5分)为了探究光合作用产生淀粉需要CO2,小明同学做了如下 图所示的实验(A、B两盆 天竺葵在同一暗室中放置一昼夜,然后 按图示放在阳光下5小时)。注:A盆中碳酸氢钠饱和溶液在光照下 会缓慢分解放出CO2, 目的是保持空气中CO2的含量。 (1)天竺葵在暗室中放置一昼夜的目的是_______。 (2)B盆中培养皿内放置氢氧化钠固体的作用是(用化学反应方程式 表示):_______。 (3)光照结束时,分别从两盆植物体上摘下多个叶片经过处理后, 在进行淀粉检测时,通常滴加_______试剂来检测。 (4)小林同学设计了另一种方法:只选择其中一盆天竺葵上的2片 叶(没有摘下它们),各自用透明塑料袋密封,其袋子里分别合理 放置碳酸氢钠和氢氧化钠。与小明 的方法相比较,小林的方法优点 是_______,不足是_______。 (每空选填一个序号) ①样本多 ②样本少 ③变量多 ④变量少

答案: (1)消耗天竺葵叶片上原有的淀粉 (2) 2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O (3)碘液 (4) ④②

注意: 以上所讲科学探究过程的六个环节,是人为划分的, 并非是科学探究过程中所必须遵

循的一套固定的模式 和途径。对于科学探究过程的认识,我们不能采取绝 对化、机械化的理解,以为只有经历上述六个环节的 探究才是科学探究。 实际上,科学探究的问题是多种多样的,针对不同 问题,人们所可能经历的探究过程、采取的探究方式 就可能不同,不可能存在某一种绝对、统一化的模式。 事实上,在一堂课的探究学习中,很难将科学探究 的全过程完整地体现出来,但体现探究过程中的部分 环节则是可行的。

在科学探究过程中,一次意外的观察 或偶然的发现往往会使你不断修正你的假 设,一个实验结论的得出常可以引出新的 问题和实验。

谢谢大家

2007-9-28


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