1、第第 2 讲讲 科学探究的方法与原则科学探究的方法与原则 科学探究中的科学方法 具体要求 1.观察 运用多种感觉器官； 根据实际需要，使用放大镜和其他感官延伸工具； 全面、细致地观察； 发现事件的相互关系、规律等。 2.测量 选用适切的测量仪器； 按照仪器使用规范进行操作； 准确记录测量结果； 科学、合理地分析测量误差。 3.收集与处理信息 能从多种渠道获得信息资料； 基于价值判断、文献权威性等因素，筛选相关信息； 选用适切形式对信息进行整理。 4.绘制 准确确定图表中的变量； 选用适切形式的图表，如表格、坐标图、条形图、柱状图等，展 示数据； 在图表中表现出某种关系，如线性的、呈比例的等。
2、5.预测 根据已知因素； 运用已有知识、经验与科学方法； 对事物未来的发展趋势做出估计和评价。 6.分类 基于一定的标准或理由； 分类要合理、科学； 力求结构化地呈现分类结果。 7.比较 基于一定的标准或维度； 要抓住被比较对象最为本质的异同点。 8.类比 把不同的两个(两类)对象进行比较； 根据两个(两类)对象在一系列属性上的相同点或相似性， 明确其中 一个对象还具有其他的属性，推出另一个对象也具有相似的其他 属性的结论。 9.转换 要科学、合理； 转换前后两个变量的作用效果相同。 10.下定义 语言要完整、简洁、明确，具有概括性； 要严谨、科学； 要抓住事物的本质特征。 11.归纳 基于一
3、系列具体的事实； 概括出一般性概念、原则或结论。 12.推理 基于一个或几个已知的判断； 推出新的判断(结论)； 推理过程科学、严密。 续表续表 科学探究中的科学方法 具体要求 13.解释 需要依据必要的科学知识； 要有逻辑性； 必须与观察、测量、计算等的结果相一致； 为如何检验、解释提出建议。 14.控制变量 准确确定自变量和因变量； 所有其他变量受到控制或者为常量； 说明因变量如何随着自变量变化。 15.建立模型 按照科学研究的特定目的； 用物质形式或思维形式再现原型客体的本质关系； 明确模型限定的运用条件和范围。 新课标要求： 在突出科学探究内容的同时， 重视研究方法的指导， 使我们在进
4、行科学探究、 学习科学知识的过程中，逐渐拓宽视野，初步领悟到科学探究方法的真谛。关于科学方法的提 出，教材中不是采用下定义的形式，而是多采用案例，让我们在案例分析中明白什么是控制变 量、什么是对照、什么是类比等科学方法。 近几年科学学科加强了对学生信息获取与处理、基本操作与学科综合分析、科学研究方法 应用与评价能力的考查。题型充分联系实际，让学生开展接近真实状态的应用思考，在具体情 境下学会设计相关实验、寻找有用证据、叙述发展过程、得出科学结论、开展交流评价，充分 体现了新场景下对基础知识、基本技能的综合利用能力，体现了解题者的科学探究思想方法的 应用水平。 1研究科学的基本方法 (1)观察：
5、是有目的、有计划的知觉活动。观，指看、听等感知行为；察，即分析思考。 观察贯穿所有的研究活动，所以是最基本的研究方法。 看不一定是观察， 如漫无目的的 “走马观花” 就不属于观察。 观察也不一定是用眼看， 有时用手掂或摸也是观察。 可以借助仪器来拓展观察力。 科学观察不仅要认真、 仔细， 更重要的是要有客观、 有效、 规范的记录。 (如文字描述、 表格记录或图形记录等) (2)科学实验：科学实验与观察都是研究科学的基本方法。 科学实验的优点：A.可以纯化条件；B.可以强化条件；C.具有可重复性。 按照不同角度可以将科学实验分为多种形式。 A按照实验目的的不同，可以把科学实验分为定性实验、定量实
6、验等。 B根据实验对象性质的多样性，可以分为物理实验、化学实验、生命实验等。 C还有模型实验、暗箱实验、对照实验、理想化实验等不同分类。 2研究科学的常见策略 (1)控制变量法：就是把一个多因素影响某一科学量的问题，通过控制某几个因素不变， 只让其中一个因素改变，从而转化为多个单一因素影响某一科学量的问题的研究方法。 实验设计的基本原则： 包括科学性原则、 平行重复原则、 对照性原则、 单一变量原则、 随机性原则等，最常考查的是对照性原则和单一变量原则。 控制变量法常需设置对照组和实验组，两组只有一个条件不相同，该条件就是研究的 变量。如果变量是光照，则指的是光照的有无；如果变量是光照强度，则
7、指的是光照的强弱； 如果研究对象是生物，控制不变的量应该能保证生物正常生活的需要。 控制变量的目的是要形成对照，并非只有一个变量才能对照，有时多个变量存在也可 以对照。如比较两个人的运动快慢，不一定同时起跑，假如后跑出的人先到，同样可以得出结 论。回答易错点是将操作与操作目的混淆，比如光合作用实验中，问“将叶的一半用箔纸上下 夹住遮光”的目的是什么，应该答“设置对照，验证光合作用需要光” ，而不是“控制变量” ， “控制变量”只是这个操作。 常见实验举例：探究食物上滋生微生物的条件；探究摩擦力的大小与什么因素有关；研 究电流、电压和电阻的关系；研究可燃物的燃烧条件等。 (2)等效替代法：是在保
8、证某种效果(特性和关系)相同的前提下，将实际的、陌生的、复杂 的科学问题和科学过程用等效的、简单的、易于研究的科学问题和科学过程代替来研究和处理 的方法。 常见实验举例：等效电路实验；平面镜实验中，利用两个完全相同的蜡烛验证物与像的位 置关系及大小等。 (3)转换法：科学中有的科学现象不便于直接观察，有的科学量不便于直接测量，通过转 换为容易观察或测量的、与之相等或与之相关联的科学现象，从而获得结论的研究方法叫转换 法。 转换法中被转换的对象很多，可以是科学模型、研究对象和研究方法，也可以是某个 图形、某个科学量。 常见实验举例： 用棉线测曲线长度； 用液柱高度的变化来观察温度的变化； 比较功
9、率、 压强大小等。 (4)类比法：是指将两个相似的事物作对比，从已知的对象具有的某种性质推出未知对象 具有相应性质的方法。 类比法的原则：要注意各种不同事物之间的差异和区别，如芝麻与黄豆混合后总体积 变小，只能说明芝麻与黄豆之间有空隙，但能类比出水和酒精混合而得出分子之间有空隙。 常见实验举例：电流类比水流；电压类比水压；电路类比水路；电源类比水泵等。 (5)模型法：实际现象和过程一般都十分复杂，涉及众多因素，采用模型方法可以起到把 复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建理想 化的科学模型，这是一种重要的科学思想。 可以是物体放大或缩小的复制品；一幅图、
10、一张表、一个计算机图像、一条曲线；表 示一个复杂的过程；数学公式等。 模型法的原则：模型得出的结论只是原型的一种可能性，模型不能代替原型的事实。 常见实验举例：地球仪、眼球结构、原子结构；光线、磁感线；水的电解；米勒实验 等。 3方法的科学性评价 (1)设计原则与适用范围 每一种探究方法都有其特点的适用范围和设计原则。 采用某一方法只能解决某一方面的问题，得出的结论只是一种可能性的解释，往往代 表不了完全真实的情况。 (2)方法与过程的合理性 关注方法原理的科学性。 采用每一种方法都有其目的性和合理性。 有时一个实验就会涉及多种方法，我们要对应分析某一方法在该处的作用、目的，分 析方法和过程的
11、合理性。 过程中可能会涉及基础知识和基本操作技能，或者对现象的描述和记录等的科学性问 题。 (3)方法与过程的优化 指出不合理的地方。 提出合理化建议。 4科学探究过程中的注意事项 (1)学会下可操作性的定义：操作性定义，又称操作定义，是根据可观察、可测量、可操 作的特征来界定变量含义的方法。即从具体的行为、特征、指标上对变量的操作进行描述，将 抽象的概念转换成可观测、可检验的项目。从本质上说，操作性定义就是详细描述研究变量的 操作程序和测量指标。主要有：指出主要的具体变量、明确观察记录的具体指标和操作的方法 细节与步骤等。 (2)学会寻找证据：证据推理是基于一个或几个已知的判断，根据证据作出
12、新的判断或推 出新的结论。其中寻找的证据必须与结论相匹配，推理过程要科学、严密。 (3)材料的选择与处理：规定器材和药品下的实验设计必须围绕已给的器材和药品进行。 材料的选择必须体现现象明显、取材方便、简便高效、节能环保等因素。如在光合作用产生氧 气的实验探究中，我们常选水生的金鱼藻而不选择陆生的天竺葵；在影响生物生长发育因素的 探究中，我们常选变态发育现象明显、取材方便、发育时间短的蝌蚪，就是这个道理。 (4)样本数量和重复实验：不同的实验中可能是为了寻找规律排除偶然性，也可能是为了 减小误差。 (5)说理方法可以归纳为两种类型：行进式和并列式。行进式的范式为：起点 ABC终点，就像多米诺骨
13、牌一样，要求环环相扣，不得跳步，这样说理的逻辑性 很强，其中因果关系的叙述就属这一种类型。并列式的范式为：起点有 A、B、C多个 终点，每一个起点都与终点直接相关，都可能对终点造成影响，这类题目最怕漏掉某一相关因 素而缺乏完整性。 5科学探究题的常见解题步骤和注意事项 第 1 步是根据题目信息寻找提出的问题、探究的目的或课题； 第 2 步就是根据提出的问题或探究的目的或课题，分析其中的自变量和因变量； 第 3 步是找出探究过程中的操作环节和对应的实验现象(或实验结果)； 第 4 步是得出结论或在结论的基础上进行推测(即推论)； 第 5 步是对方法的科学性进行评价或提出优化方案。 注意： (1)
14、结论与研究课题必须对应。 (2)有时操作后看到的现象不一定就是实验结论，比如在唾液淀粉酶催化淀粉分解实验中， 滴加碘液变蓝色或不变蓝色是观察指标，淀粉是否被完全消化才是实验的结果，唾液淀粉酶能 促进淀粉分解是实验的结论。 (3)解题时可能是按照顺序的按部就班，也有可能是根据实验中的变量或最后结论推测研 究目的，我们要灵活应用。 1 (2019 杭州)黑箱是指科学研究中一类内部结构无法打开或无法清楚展示和认识的系统。 如图所示，通过对黑箱“输入” “输出”的信息，推理出黑箱内部情况的方法称为黑箱法。下 列操作主要运用了黑箱法的是( C ) A使用量筒量取 10mL 蒸馏水 B使用显微镜观察洋葱表
15、皮细胞形状 C通过 粒子轰击金属箔来研究原子内部结构 D利用弹簧测力计测某一物体的重力 【试题解析】 A使用量筒量取 10mL 蒸馏水，可以直接读取示数的，这是测量，是一 个比较的过程，没有运用黑箱法；故 A 错误； B根据实际需要，观察可以使用放大镜和其他感官延伸工具。使用显微镜观察洋葱表皮 细胞形状， 就是一种借助仪器的观察， 可以直接看到细胞放大了的像， 没有运用黑箱法； 故 B 错误； C通过 粒子轰击金属箔来研究原子内部结构，原子内部结构无法直接观察，也不能通 过普通的光学显微镜进行观察， 只能通过 粒子轰击金属箔后所产生的现象来推测原子的内部 结构，运用了黑箱法；故 C 正确； D
16、利用弹簧测力计测某一物体的重力，可以直接读取弹簧测力计的示数，没有运用黑箱 法；故 D 错误。 【命题意图】 本题题干选自科学七年级上册(浙教版)第 1 章第 5 节中的盒子实验， 并精心选择了教材中理、化、生的四个常见实验作为选项。从科学方法层面考查学生对黑箱法 的理解， 引导大家关注“科学探究中并不存在放诸四海皆准而必须步步遵循的科学方法， 除了 一般的方法与步骤外，还有其他的方法(如黑箱法)”这一科学本质观点。此外，选项还考察了 对观察、测量、实验等科学方法的认识与理解。 2(2018 杭州)小金为探究铁制品锈蚀的条件，进行如下实验： 步骤 1：利用图甲所示装置，将干燥的 O2从导管 a
17、 通入 U 形管(装置气密性良好，药品如 图所示)；待 U 形管内充满 O2后，在导管 b 处连接一活塞推至底部的注射器，收集 20mLO2 后在导管 a 处连接乳胶管并用止水夹夹紧，如图乙所示。 步骤 2：一段时间后，观察 U 形管内的铁丝，其现象如下表所示。 观察对象 现象 干燥的普通铁丝 没有明显变化 潮湿的普通铁丝 较多红褐色锈斑 潮湿的纯铁丝 没有明显变化 (1)步骤 1 中，检查 U 形管内是否已充满 O2的方法是_在_b 出口处放带火星的木条，观 察木条是否复燃，若木条复燃，则证明_U_形管内已充满氧气_。 (2)铁制品锈蚀的条件之一是需要 O2，在此实验中能支持此条件的证据是_
18、观察到注射器 内的活塞向左移动_。 (3)通过对比实验现象，此实验还可得出铁制品锈蚀的条件是_水分和金属的内部结构_。 【试题解析】 (1)题目是从 a 口通入氧气，若想知道是否充满氧气，则需要在 b 出口处 检查是否有氧气逸出，则在 b 出口放一带火星的木条即可检查是否充满。 (2)注射器中有氧气，若生锈需要氧气参加，则注射器内的压强会减小，现象是活塞向左 移动。 (3)对比表格中的数据，可知铁生锈除了需要氧气，还需要水分和金属的内部结构满足条 件。 【命题意图】 本题所涉及的实验“探究铁制品锈蚀的条件”是来自教材，且属于学科的 核心知识。试题在对科学探究的考查中有梯度，层次分明：第一问侧重
19、科学探究中所必备的常 见物质检验的方法；第二问关注在科学探究中对满足结论的实验现象的准确预测；第三问凸显 科学探究中的对比实验，考查学生对科学探究过程中的信息进行选择、分析、处理的能力，以 及进行控制变量得出结论的能力。 3(2018 衢州)小柯看到香烟盒上印有“吸烟有害健康”，于是他利用实验探究“烟草浸 出液对种子萌发和幼苗生长的影响”。 实验材料：黄豆、烟草及其他材料 探究步骤： .用烟草、蒸馏水制得烟草浸出液(原浸液)，浓度视为 100%，再通过稀释原浸液得到浓 度为 70%、40%的浸出液。 .取 4 个同规格的培养皿，编号为 1，2，3，4，并在里面铺上等量的干棉花。 .在每个培养皿
20、中放 20 粒同样饱满的黄豆，盖上盖子。 .每天定时向各培养皿中喷洒等量、对应浓度的浸出液，并记录数据。其中第 5 天的数 据如下表： 编号 喷洒的浸出 液浓度 第 5 天的平均芽长和萌发率 芽长/cm 萌发率 1 0% 10 100% 2 40% 4 95% 3 70% 1.2 65% 4 100% 0.5 35% (1)本实验中编号为_1_的培养皿作为对照组。 (2)步骤中的棉花不预先湿润的原因是_防止喷洒的浸出液的浓度稀释(改变、变化也正 确)_。 (3)分析表中数据，能得出的结论是_烟草浸出液浓度越大，对黄豆种子萌发和幼苗生长 抑制作用越明显；烟草浸出液对黄豆种子萌发和幼苗生长有抑制作
21、用；烟草浸出液对黄豆种子 萌发有抑制作用_。 【试题解析】 对于多变量的问题，常常采用控制变量的方法，即把多因素的问题变成多 个单因素的问题。每一次只改变其中的某一个因素，而控制其余几个因素不变，从而研究被改 变的这个因素对事物的影响，分别加以研究，最后再综合解决。 (1)实验的对照组是正常的、不做任何处理的。1 号培养皿中一切正常，故答案为：1。 (2)因为该实验要喷洒烟草浸出液，且浓度不同，所以棉花不能预湿，不然会稀释烟草浸 出液的。故答案为：防止喷洒的浸出液的浓度稀释。 (3)由表格中的数据可知，喷洒的浸出液浓度越高，芽的长度越短，种子的萌发率越低。 故答案为：烟草浸出液浓度越大，对黄豆
22、种子萌发和幼苗生长的抑制作用越明显；烟草浸出液 对黄豆种子萌发和幼苗生长有抑制作用；烟草浸出液对黄豆种子萌发有抑制作用。 【命题意图】 从可操作的角度考查学生控制变量法的应用、将证据与科学知识建立联系 得出基本符合证据解释的能力。 4(2016 杭州)为证明“绿色植物光合作用产生氧气”，小金设计 了如图所示的实验。回答： (1)本实验选择水生绿色植物金鱼藻作为实验材料而不选用盆栽的 天竺葵，其理由是_便于收集产生的气体_。 (2)写出证明试管内收集的气体是氧气的方法：_取出试管并迅速将带火星的木条伸入管 口内，木条复燃，则是氧气_。 (3)利用上述实验装置与材料，设计证明“光照是绿色植物光合作
23、用的条件”的实验。(写 出简要的实验思路)_准备相同的两组实验装置分别加入等量、生长状况一致的金鱼藻一组予 以光照， 一组遮光， 用带火星木条检验试管中收集到的气体， 判断植物是否进行了光合作用_。 【试题解析】 (1)本实验选择水生绿色植物金鱼藻作为实验材料而不选用盆栽的天竺葵， 其理由陆生植物进行光合作用产生的氧气不好收集， 所以选择金鱼藻(水生植物)， 利用此装置， 便于观察和收集产生的气体。 (2)由于验证的气体是氧气，根据氧气有助燃的作用，在化学实验中验证证氧气的方法一 般是看看气体能否使燃烧的余烬复燃，如果能复燃说明气体是氧气。 (3)实验的相关变量是光照，应该设计两组对照实验，一
24、组放在黑暗条件环境下，另一组 放在光照条件下，其余相同来进行实验 【命题意图】 本题考查方案设计、选材和规范表达的能力。选材的正确与否直接影响实 验的顺利进行，用科学语言规范表达设计思路是评价交流的前提。 5(2019 温州)小明用大小不同的玻璃罩罩在两组点燃的蜡烛上(如图甲)，观察发现 A 组 实验高处烛焰先熄灭， B 组实验低处烛焰先熄灭。 为了探究玻璃罩中烛焰熄灭顺序不同的原因， 小明以 A 组为研究对象进行如下实验。 甲 乙 丙 实验一：将 6 个盛有等量澄清石灰水的敞口容器固定在铁丝上，点燃蜡烛，立即用小玻璃 罩罩上(如图乙)， 分别记下各容器内石灰水变浑浊所需的时间。 多次重复实验
25、获得数据如下表。 容器编号 1 2 3 4 5 6 平均时间/秒 3.2 3.8 5.0 7.1 11.1 19.0 实验二：将 3 支温度计分别挂在小玻璃罩内不同位置(如图丙)，点燃蜡烛，一段时间后发 现温度计示数明显增大，温度计示数增大不明显。 (1)根据实验一的结果，推测 A 组实验高处烛焰先熄灭的原因是_小玻璃罩中蜡烛燃烧产 生热的二氧化碳上升，在顶部聚积并逐渐下沉_。 (2)实验二研究的问题是_小玻璃罩中蜡烛燃烧对周围空气温度的影响_。 (3)结合本实验的研究结果，对 B 组实验现象做出简要解释：_大玻璃罩中蜡烛燃烧时， 产生热的二氧化碳上升，到一定高度后冷却，由于二氧化碳的密度比空
26、气大从周围下沉，导致 玻璃罩底部二氧化碳积聚并逐渐上升，所以 B 组实验低处烛焰先熄灭_。 【试题解析】 (1)根据实验一可知，A 组玻璃罩内高度越大，二氧化碳的浓度越大，应该 是受到温度的影响，因此 A 组实验高处蜡烛先熄灭的原因是：小玻璃罩中蜡烛燃烧产生热的 二氧化碳上升，在顶部聚积并逐渐下沉； (2)实验二中温度计的高度不同， 可以测出玻璃罩内不同位置的温度， 因此探究的问题是： 小玻璃罩中蜡烛燃烧对周围空气温度的影响； (3)在 B 组实验中低处蜡烛先熄灭的原因是：大玻璃罩中蜡烛燃烧时，产生热的二氧化碳 上升，到一定高度后冷却，由于二氧化碳的密度比空气大从周围下沉，导致玻璃罩底部二氧化
27、 碳积聚并逐渐上升，所以 B 组实验低处烛焰先熄灭。 【命题意图】 让学生基于一系列具体的事实，依据所学的科学知识，得出与观察、测量 等结果相一致的结论，要求语言表达有逻辑性。 6(2020 温州)医学上，头发密度是指头发覆盖区域内单位面积头发的数量。某科研人员 为研究头发密度，选择 76 位不同年龄和性别的健康志愿者，将头发覆盖区划分为顶部、枕部 和左右两侧四个等面积的区域，分别在这四个区域内随机取相同面积进行测量。实验相关数据 记录如下表。 表一：不同部位头发密度 年龄段(岁) 人数(人) 头发密度 (根/厘米 2) 1829 24 142150 3039 18 136145 4049 1
28、7 129137 5060 17 125132 表二：不同部位头发密度 单位 头发密度 (根/厘米 2) 顶部 167 枕部 156 左侧 119 右侧 118 (1)测量头发密度时，把志愿者的头发剪短，然后用皮肤镜轻压测量部位，再拍照取样， 并用电脑打开照片，如图所示。推测皮肤镜在该实验中的作用是_将测量部位放大_。 (2)分析表一实验数据，可得出的结论是_头发密度总体上随年龄的增大而减少_。 (3)表二是某位志愿者不同部位的头发密度，分析该志愿者可能处于哪个年龄段？并说明 你的分析过程：_3039 岁；对表二中的 4 组数据求平均值，结果为 140 根/厘米 2，并与表 一中数据对照_。
29、【试题解析】 (1)测量头发密度时，把志愿者的头发剪短，然后用皮肤镜轻压测量部位， 再拍照取样， 并用电脑打开照片， 如图所示。 推测皮肤镜在该实验中的作用是将测量部位放大； 控制测量区域面积相同。 (2)由表一数据可知，当年龄增大时，头发密度的变化趋势是减少的，所以可得出的结论 是：头发密度总体上随年龄的增大而减少。 (3)这位志愿者的头发密度是：140(根/厘米 2)，对应表一可知 处于 3039 岁年龄段。分析过程：对表二中的 4 组数据求平均值，结果为 140 根/厘米 2，并 与表一中数据对照。 【命题意图】 考查学生能根据实际需要，使用放大装置等感官延伸工具，通过计数与已 建立起来的模型进行比较得出结论的能力。