第一單元：走進科學

第一章 自然科學研究和試驗發展

一、科學是什么
1. 科學的定義：科學是建立在實踐基礎上，經過實踐檢驗和嚴密邏輯論證的，關于客觀世界各種事物的本質及其運動規律的知識體系。它源于人類對自然現象的好奇與探索。
2. 自然科學的研究對象：主要研究自然界中各種物質的結構、性質、運動規律及其相互聯系。例如：物理現象、化學變化、生命活動、地球與宇宙等。

二、科學研究的基本方法
科學研究通常遵循一套系統的方法，其中最基本和核心的環節包括：

1. 觀察與提問：通過感官或儀器，有目的、有計劃地感知自然現象，并提出科學問題。這是所有科學探究的起點。

• 例如：觀察到蘋果從樹上掉落，提出問題：“物體為什么會下落？”

1. 提出猜想與假設：基于已有的知識和觀察，對問題的答案做出一種可能的、可檢驗的推測。

• 例如：猜想“物體下落可能受到一種力的作用”。

1. 制定計劃與設計實驗：為了檢驗假設，需要設計一個公平、可操作的實驗方案。關鍵是要控制變量（即只改變一個條件，保持其他條件相同），以明確因果關系。

• 例如：設計實驗比較不同質量的物體在同一高度下落的快慢。

1. 進行實驗與收集證據：按照計劃進行實驗，并運用工具（如刻度尺、秒表、溫度計等）客觀、準確地記錄數據和現象。

• 記錄要求：實事求是，數據完整。

1. 分析與論證：對收集到的數據、現象進行整理（如制作表格、繪制圖表），通過比較、分析、歸納，判斷它們是否支持最初的假設。
2. 評估與交流：反思實驗過程是否存在誤差或可以改進的地方，并將自己的研究過程和結論以報告、演講等形式與他人交流，接受檢驗和討論。

三、科學實驗中的重要概念
1. 變量：實驗中可以變化的條件。分為：
- 自變量（ manipulated variable ）：由實驗者主動改變的條件。

• 因變量（ responding variable ）：由于自變量改變而發生變化的量，是實驗需要觀察和測量的結果。

• 控制變量（ controlled variable ）：實驗中除自變量外，其他需要保持不變的量，以確保實驗的公平性。

1. 對照組與實驗組：

• 對照組：通常指處于自然狀態或未施加實驗處理的組，用作比較的標準。

• 實驗組：施加了實驗處理（改變自變量）的組。

• 目的：通過對比，清晰地顯現出實驗處理的效果。

1. 重復實驗：為了減少偶然誤差，使結論更可靠，實驗往往需要重復多次。

四、常用測量工具及使用
1. 長度測量：基本工具是刻度尺。使用要點：“放正、貼緊、對齊、視線垂直”。國際單位是米(m)。
2. 體積測量：
- 規則固體：用刻度尺測量后計算。

• 液體和形狀不規則固體：常用量筒或量杯。讀數時視線應與液面凹形底部（如水銀則為凸形頂部）相平。固體體積常用“排水法”測量。

• 單位：立方米(m3)、升(L)、毫升(mL)。

1. 溫度測量：工具是溫度計（常用液體溫度計）。原理：液體的熱脹冷縮。使用前觀察量程和分度值；測量時玻璃泡要與被測物充分接觸，不能碰壁；讀數時溫度計不能離開被測物，視線與液柱上表面相平。單位：攝氏度(℃)。
2. 時間測量：基本工具是秒表。單位：秒(s)。
3. 質量測量：實驗室常用托盤天平。使用前調平衡（游碼歸零，調節平衡螺母）；稱量時“左物右碼”，用鑷子加減砝碼，先大后小，最后移動游碼。單位：千克(kg)。

五、科學、技術、社會與環境（STSE）
1. 科學與技術的區別與聯系：
- 科學：目的是認識自然，回答“是什么”和“為什么”。

• 技術：目的是改造自然，解決“怎么做”的問題。

• 聯系：科學發現為技術進步提供理論基礎，技術進步為科學研究提供新的工具和手段，二者相互促進。

1. 科學發展的影響：科學在推動社會進步、改善生活質量（如醫療、通訊）的也可能帶來一些新的問題（如環境污染、倫理挑戰）。因此，需要以負責任的態度發展和應用科學。

本章核心：理解科學探究的本質是一個不斷提出問題、解決問題、修正和完善認識的過程。掌握科學探究的基本步驟和實驗設計思想（特別是控制變量法），是學習整個科學課程的基礎。從身邊的觀察開始，保持好奇心和嚴謹的態度，你就在實踐科學。