“實(shí)驗(yàn)設(shè)計”的評估、改進(jìn)和優(yōu)化

左清平

摘 要：科學(xué)評估是實(shí)驗(yàn)設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計中，教師應(yīng)該關(guān)注設(shè)計過程，在師生合作中引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會：正確選擇器材，應(yīng)用科學(xué)的方法、盡可能的減小誤差，設(shè)計可操作的方案等。本文論述如何學(xué)會評估、學(xué)會改進(jìn)，在評估中改進(jìn)、在改進(jìn)中創(chuàng)新，從而設(shè)計出優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)方案。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)設(shè)計；評估；改進(jìn)；優(yōu)化

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-6148(2006)12(S)-0056-2

在科學(xué)探究中，一個優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)設(shè)計，可以讓學(xué)生輕松經(jīng)歷真實(shí)的科學(xué)探究、構(gòu)建正確的知識體系，提高科學(xué)探究的效率。那么，在教學(xué)中如何引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)方案呢?要學(xué)會評估、學(xué)會改進(jìn)，在評估中改進(jìn)、在改進(jìn)中創(chuàng)新，從而設(shè)計出優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)方案。筆者在教學(xué)中，對如何引導(dǎo)學(xué)生評估、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計，有些膚淺的認(rèn)識和做法，愿與各位同行商榷。

1 器材的選擇是否合理。

即器材的選擇是否符合精度，實(shí)驗(yàn)是否能正常進(jìn)行，得出科學(xué)的結(jié)論。

例1 小李想通過實(shí)驗(yàn)探究本地大氣壓究竟有多大，他設(shè)計的方案是：將蘸水的塑料掛衣鉤的吸盤按在毛玻璃板上，擠出里面的空氣，用彈簧稱鉤著吸盤掛鉤緩慢向上拉，直到吸盤脫離玻璃板，記錄剛拉脫時的拉力，這就等于大氣壓對吸盤的壓力，然后依據(jù)p=F／S求出大氣壓。他選用的器材是：量程為10N的彈簧秤，底面積為10cm2的吸盤。請評估他選用器材是否合理？

評估分析 從理論上說，該方案的設(shè)計是可行的，但所選的器材不能測出本地大氣壓的值。因?yàn)閾?jù)p=F／S得F=pS≈105Pa×10×10-4m2=100N。超出了測力計的量程，應(yīng)該更換測力計或換用面積更小的吸盤。另外毛玻璃太粗糙，吸盤內(nèi)的空氣不能排盡，吸盤與玻璃板脫離時的面積可能小于10cm2，都會給實(shí)驗(yàn)帶來很大的誤差，都是設(shè)計該實(shí)驗(yàn)時必須考慮到的。

2 是否較好的應(yīng)用了控制變量法等科學(xué)研究方法。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計中會用到許多科學(xué)方法，其中控制變量法是經(jīng)常用到的方法，學(xué)生在設(shè)計實(shí)驗(yàn)時常會顧此失彼，因此這是評估改進(jìn)的一個重要內(nèi)容。

例2 在探究通電螺線管的磁性強(qiáng)弱與哪些因素有關(guān)時，小王猜想與，A．電流大小有關(guān)；B．線圈的匝數(shù)有關(guān)；C．線圈的形狀有關(guān)。在驗(yàn)證猜想B時他設(shè)計了這樣的方案：把一長根細(xì)漆包銅絲分別在半支鉛筆和新鉛筆上一匝挨一匝繞了50匝和100匝，然后串聯(lián)在兩節(jié)干電池上，閉合開關(guān)后，發(fā)現(xiàn)兩個螺線管吸起的大頭針的個數(shù)差不多，因此他說“通電螺線管磁性的強(qiáng)弱與匝數(shù)無關(guān)”，在組與組間交流時他發(fā)現(xiàn)與同學(xué)們的結(jié)論不一樣，你認(rèn)為他的實(shí)驗(yàn)方案有什么問題？應(yīng)該怎樣更正？

評估分析 小王沒有控制螺線管的外形一樣。雖然通過串聯(lián)控制了電流一樣，但是由于繞在長短不同的鉛筆上，使其外形長短不同，二螺線管的漏磁情況不同，導(dǎo)致兩端的磁性差不多。更正：將50匝和100匝的細(xì)漆包線分別繞在長短一樣的鉛筆上。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計是否盡可能減小了實(shí)驗(yàn)誤差。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計中選用精度高的儀器，多次測量取平均值以及改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法等都會有效減小實(shí)驗(yàn)誤差。

例3 為了測量100kg玉米種子的粒數(shù)N，甲的測量方法是：先用分度值是50g的桿秤測量出50g玉米，求出單粒質(zhì)量m，再根據(jù)N=100kg/m求出粒數(shù)N；乙的測量方法是：先用天平測出10粒種子的質(zhì)量M，求出單粒質(zhì)量m=M/10，再據(jù)N=100kg/m求出粒數(shù)N；丙的方法是：先用天平稱出100粒種子的質(zhì)量M，求出單粒質(zhì)量m=M／100，再據(jù)N=100kg／m求出粒數(shù)N，請分析三個人的測量方法誰的最好?

評估分析 甲選用的桿秤精度不夠，乙選用的樣本粒數(shù)太少，都會有很大的誤差，只有 丙的方法最好。

4 實(shí)驗(yàn)方案是否具有可操作性。

有些實(shí)驗(yàn)方案從理論上說是可行的，但實(shí)際上不具備可操作性，最終導(dǎo)致科學(xué)探究失敗。

例4 小李用電能表(600r／kW．h)測一只“220V 100W”的舊電燈泡的實(shí)際功率時，他是這樣設(shè)計的：只讓這只燈泡工作，工作一分鐘之后停止計時，記下表盤所轉(zhuǎn)的圈數(shù)n，算出電功率P=n／10(kW)，請對該方案進(jìn)行評估。

評估分析 這個方案理論上說是可行的，但是舊的“220V 100W”的電燈泡的實(shí)際功率小于100W，即只有這顆燈泡工作時，電能表1min所轉(zhuǎn)圈數(shù)小于1圈，實(shí)際上是不可測量的——不具有可操作性。如果他把測量時間延長到10min或更長時間，并且讓電能表轉(zhuǎn)整數(shù)圈，才可操作。

5 分析論證、處理數(shù)據(jù)的方法是否科學(xué)。

例5 下表是小李同學(xué)在測量小燈泡電阻的實(shí)驗(yàn)中設(shè)計的記錄數(shù)據(jù)的表格

根據(jù)設(shè)計的表格可見，他設(shè)計的處理數(shù)據(jù)的方法是：①利用歐姆定律求電阻，②通過求平均值減小實(shí)驗(yàn)誤差，請問他設(shè)計的處理數(shù)據(jù)的方法科學(xué)嗎?

評估分析 由于小燈泡的電阻隨溫度的升高而增大，所以計算它的平均電阻是沒有意義的，相反這一欄的設(shè)計，會干擾學(xué)生發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的電阻與溫度的關(guān)系，所以在表格設(shè)計中不應(yīng)該加這一欄。

6 依據(jù)設(shè)計的實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論是否具有普遍性。

例6 張華同學(xué)在探究串聯(lián)電路的電壓規(guī)律時，他選取了兩只完全一樣的燈泡和其它合適的器材，請問他用所選的器材能夠得到科學(xué)的結(jié)論嗎?

評估分析 用科學(xué)探究的方法構(gòu)建知識體系，必須采用由特殊到一般的思維推理方法，所以在設(shè)計實(shí)驗(yàn)時，所選的器材必須具有一般的代表性，才能得到具有普遍性的結(jié)論。張華在設(shè)計這個實(shí)驗(yàn)時選用了兩個完全一樣的燈泡，這兩個燈泡在電路中的分壓相等，勢必得到“串聯(lián)電路中用電器均分電壓”的錯誤結(jié)論，應(yīng)該換用不同規(guī)格的燈泡來做這個實(shí)驗(yàn)。

7 所設(shè)計實(shí)驗(yàn)操作時是否安全。

選擇了有毒有害的器材沒有，實(shí)驗(yàn)過程中是否會有易燃易爆等不安全的現(xiàn)象發(fā)生。

例7 小王同學(xué)在設(shè)計探究比較不同物質(zhì)的吸熱能力的實(shí)驗(yàn)時，他選擇了兩個完全一樣的電加熱器、廣口保溫杯，老師給他提供的加熱對象中有：水、沙子、細(xì)鐵屑、煤油、汽油、濃鹽酸、食用油、陶瓷屑。請你幫他選擇兩種最適合的加熱對象。

評估分析 從安全的角度考慮，煤油、汽油、細(xì)鐵屑、濃鹽酸、食用油均不得入選，選

擇水和陶瓷屑是最合適的。

上述實(shí)例是在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)時，常見的典型錯誤，這些錯誤干擾了學(xué)生經(jīng)歷真實(shí)的探究過程，甚至得出錯誤的結(jié)論。筆者認(rèn)為，教師在引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)時，主導(dǎo)地位體現(xiàn)在積極的參與設(shè)計、評估設(shè)計，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，在師生合作中逐漸引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會評估、改進(jìn)、創(chuàng)新，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計能力，掌握優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案的方法，從而輕松經(jīng)歷科學(xué)探究過程、提高科學(xué)探究效率、構(gòu)建正確的知識體系。

參考文獻(xiàn)：

［1］杜敏主編.《教師教學(xué)用書.物理》（八年級上、下冊 九年級）.人教版

［2］彭前程主編.《義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書.物理》（八年級上、下冊 九年級）.人教版

(欄目編輯王柏廬)

編后語：2006年即將渡過，在過去的一年中，本刊發(fā)表了幾百篇稿件，論及中學(xué)物理教育和教學(xué)工作的方方面面，不少文章非常優(yōu)秀。在歲末，我們衷心地感謝廣大作者對我國物理教育事業(yè)的忠誠，對提高教學(xué)水平的執(zhí)著，無私的奉獻(xiàn)精神和對本刊的大力支持……因而，我們能向全國物理教師們奉獻(xiàn)豐富多采的教學(xué)資源，得到廣大讀者們的厚愛。希望在新的一年中，我們能與物理教育界的同仁們繼續(xù)攜手共進(jìn)，更上一層樓。順祝朋友們新年快樂。

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