“設計實驗方案”教學的幾種策略

“設計實驗方案”是實驗探究的一個重要環節.在探究教學中，我們常常見到有兩種做法，一是為了培養學生實驗設計的能力，教師完全放手讓學生自行設計實驗方案，二是教師由于擔心學生缺乏實驗設計的能力，或為了節約課堂教學的時間，把設計好的實驗方案直接給予學生，讓學生照方抓藥地進行有關操作.事實上，這兩個比較極端的做法并非能夠適用于所有課題的探究實驗. 那么，對于“設計實驗方案”的教學，我們是否有著更多的策略可供我們選擇，各種策略各適用于怎樣不同的情形？運用不同策略時應當注意哪些問題？

策略1. 教師給出現成的實驗方案

這是設計實驗方案教學的最低要求.這種策略通常適用于實驗設計難度較大，學生能力較低的情形.雖然給學生以現成的實驗方案，學生未能經歷實驗方案設計的過程，但在運用這一策略時，教師應當通過提出相關問題，促進學生領會實驗設計的思想，避免實驗的盲目性，并得到實驗設計的思維訓練.

案例1：探究平面鏡面像的特點

在教學平面鏡成像時，我們常讓學生按如下實驗步驟探究物體在平面鏡內成的像的位置、大小與物體之間的關系.

（1）如圖1所示，在桌面上平鋪一張白紙，并用直尺和鉛筆在紙上畫一道直線.

（2）用支架將透明玻璃豎放在白紙上，玻璃板的前表面落在直線上.

（3）把一支點燃的蠟燭放在玻璃板的前面，并用鉛筆畫出這支蠟燭的位置，可以看到玻璃后面將會出現蠟燭的像.

（4）另拿一支相同的（不點燃的）蠟燭放在平板玻璃的后面并作移動，直到無論人在玻璃前面哪個位置看，玻璃后面的蠟燭與玻璃前面蠟燭的像都能完全重合.

（5）撤掉玻璃，用鉛筆畫出玻璃后面的蠟燭的位置.利用三角板檢測一下：兩支蠟燭與鏡面的位置存在什么關系？

（6）改變蠟燭的位置，重新進行實驗.

（7）根據實驗所獲得的信息進行概括：兩支蠟燭與鏡面的位置存在什么關系？

本實驗設計之巧妙在于利用了平面玻璃，使學生既能看到鏡前蠟燭在鏡后的像，也能透過玻璃看到后面的蠟燭，并使兩者完全重合.如此高招要初中學生自行想出難度很大，所以，給學生以現成的方案是一個可取的選擇. 為了克服學生實驗的盲目性，并學習本實驗精巧的設計思想，實驗操作之前，教師可讓學生圍繞實驗方案弄清如下幾個問題.

①實驗為什么要取平面玻璃，而不取通常背面鍍銀的平面鏡？

②為什么要求使玻璃的前表面而不是后表面落在直線上？

③為什么要取兩支蠟燭，而且兩支蠟燭要取一樣長？

④實驗中，在觀察玻璃后面的蠟燭與玻璃前面蠟燭的像是否完全重合時，為什么眼睛要在不同的位置看，而不能只是在某個位置看？

⑤玻璃后面的蠟燭與玻璃前面蠟燭的像完全重合意味著什么？

策略2. 教師給出實驗裝置，讓學生說明操作方法或預言實驗現象

有些探究實驗的方案雖然由教師給出，但并不意味著讓學生完全置身于實驗設計活動之外.教師還是應當創設條件，提供一些機會讓學生介入活動的構思過程，一種可取的做法是：教師給出完整的實驗裝置，要求學生根據實驗裝置，說明操作方法，或預言實驗將會出現的現象.這一策略同樣適用于實驗設計難度較大的情形，但由于學生需要根據實驗裝置說明操作方法，以及預言實驗現象，其要求要比策略1稍高些.

案例2：探究液體的沸點與壓強的關系

教師：（先向學生介紹高原地區食物不容易燒熟的事實）請你根據高原地區食物不容易燒熟這一事實，對液體的沸點與氣壓的關系提出一個假說，并說明理由.

學生：高原地區食物不容易燒熟這一事實表明高原地區水的沸點較低，而海拔越高處，氣壓也越低.可見，液體的沸點與壓強可能與氣壓有關，氣壓越低，液體的沸點也越低.

教師：以下讓我們用實驗方法來探究液體的沸點與壓強的關系（出示如圖2的實驗裝置）.如果我想用這個實驗裝置，你認為應該如何改變瓶內氣壓的大小呢？

學生：注射器活塞向里推時，瓶內氣壓增大.注射器活塞往外拉時，瓶內氣壓減小.

教師：如果你的假說成立的話，實驗時應在什么時候將注射器活塞向里推？此時將會出現什么現象？什么時候注射器活塞向外拉？此時將會出現什么現象？

學生：當水燒開時，讓酒精燈繼續加熱.若將注射器活塞向里推時，應當看到水停止沸騰的現象.當水燒開后，將酒精燈移開，此時水不再沸騰.若在此時將注射器活塞往外拉時，應當看到瓶內的水重新沸騰起來.

策略3. 學生在教師引導下完成實驗設計

這是實驗探究最為常用的一種教學策略.它避免了給學生現成的實驗方案，學生失去設計實驗訓練之機會，也使學生擺脫了在實驗設計中缺乏足夠的輔助而無從下手之苦惱.教師對學生設計實驗的引導，可以是通過提出相關的問題，促使學生逐一解決實驗設計中的每一個細節；也可以是給出一部分實驗設計的方案，即提供給學生實驗方案的半成品，引導學生完成實驗方案.這既為學生創造了思維加工的機會，又降低了學生思維的難度.

案例3：探究力和運動的關系

為了探究力和運動的關系，課本采用的是一個斜面實驗，它是對伽利略斜面實驗的一個模擬.但一般學生難以完全獨立完成這個實驗方案的設計.為此，教師可以采用如下方式對學生進行引導.

師：（用手推一下小車，使其在水平面上運動，并慢慢停下來）小車在水平面上運動時，是水平面的阻力使小車的速度變小，最后停下來.現在讓我們利用這個小車來研究水平面大小不同的阻力對小車運動的影響. 如何改變水平面對小車阻力的大小？

生：用不同的材料鋪在水平面上，可以改變水平面對小車阻力的大小.

師：怎樣反映不同阻力對小車運動影響的不同呢？

生：可以用小車在不同材料鋪的平面上可運動的路程長短來反映.

師：小車運動的距離除了跟阻力大小有關外，還跟小車的初速度大小有關. 為了探究阻力的影響，應當保證小車每次在不同材料上運動時具有相同的初速度.怎樣才能做到這一點呢？

生：（經討論）可以利用一個斜面.（如果學生有困難，教師可以給出斜面，并問學生：如何如何利用斜面使小車獲得相同的初速度？）只要小車每次從斜面的同一位置滑下，則它每次在水平面上運動的初速度就相同.

師：請同學們根據以上思路寫出完整的實驗方案.

上述案例中，教師給出了小車在水平面上運動的方案（以及給出斜面這一措施），為學生完成實驗設計奠定了基礎.并借助引導性問題為學生尋找改變阻力和控制小車初速度的方法提供了思維支架.

策略4. 教師給出有缺陷的方案，讓學生改進

學生在設計實驗方案時往往存在著這樣那樣的缺陷，教師可以根據學生的缺陷，制定出有缺陷的實驗方案，讓學生改進.這種策略有助于培養學生批判反思性思維，它既使學生成為評價的主體，也使學生在分析評價他人的錯誤中避免自己犯同樣的錯誤，從而學會實驗設計的基本方法，提高實驗設計的能力.

案例4：探究電流與電壓、電阻之間的關系

為了探究通過某段導體的電流跟哪些因素有關，教師先根據電壓是產生電流的原因，及電阻是導體對電流的阻礙作用，引導學生認識到：通過某段導體的電流，可能跟導體兩端的電壓有關，電壓越大，電流越大；可能跟導體的電阻有關，電阻越大，電流越小.在此基礎上，教師給出如下的實驗方案，讓學生通過評析，作出改進.

（1）探究電流與電壓的關系

①按如圖3所示的電路圖連接電路；

②調節滑動變阻器，使電路中的電流有適當的數值；

③保持電阻R的阻值不變，先用1節干電池作電源，用電流表測出電路中的電流I1；

④再改用2節、3節干電池作電源，用電流表分別測出電流I2、I3；

⑤概括出電流與電壓的關系.

（2）探究電流與電阻的關系

①按如圖4所示的電路連接電路；

②調節滑動變阻器，使電路中的電流有適當的數值；

③保持電路中電池的個數不變，R先用5歐的電阻，測出電路中的電流I1′；

④R再用10歐、15歐的電阻，分別測出I2′、I3′；

⑤概括出電流與電阻的關系.

（3）根據上述兩組實驗，概括出電流與電壓、電阻的關系.

學生通過討論，發現上述兩組實驗設計存在的缺陷是：在圖3電路中，改變電池的個數很不方便，而且由于滑動變阻器的存在，電池個數增多時，電阻R兩端的電壓是否隨之成倍增大并不確定。在圖4電路中，當電阻R的阻值成倍增大時，由于滑動變阻器的存在，電阻R兩端的電壓并非保持不變.改進的方案是：應當在電阻R兩端并聯一只電壓表，并通過滑動變阻器來改變電阻R兩端的電壓，及保持電阻兩端電壓不變.

策略5．讓學生自行設計實驗方案

這是設計實驗方案教學的最高要求.這種策略適用于實驗設計對學生來說較容易，學生有足夠的能力自主解決實驗設計的相關問題.在這種情形下，如果教師仍不放手讓學生自主設計，就會剝奪學生實驗設計訓練的機會，限制了學生思維的發展.

在教學中運用這一策略時，有時可以讓學生個體獨立進行設計，有時可以讓學生以小組合作的形式進行設計.有時可以給學生全部或部分實驗器材，有時則不給學生任何器材，或給學生多余的器材，讓學生作出選擇或作出不同的組合.個體獨立的方式利于培養學生獨立思考的能力，而小組合作的方式則利于培養學生的協作精神，促進學生取長補短.給學生器材可以為實驗設計提供一些提示，從而降低設計的難度；而不給學生任何器材時，問題具有更大的開放性，利于培養學生思維的發散性.

案例5：探究阿基米德原理

通過實驗探究浮力大小的相關因素，是初中物理教學的重要內容.當師生經過充分討論確定了浮力大小可能的相關因素后，為了進一步通過實驗得出定量的結論，我們要求學生設計方案進行實驗.其做法有：

（1）給學生彈簧秤、量筒、大燒杯（裝有水）、小燒杯、溢杯、小石塊、細線.要求學生設計實驗方案，探究物體在液體中受到的浮力跟哪些因素有關，關系如何.（說明：利用這些器材設計的方案并非唯一，例如可以用溢杯、小燒杯、量筒測出物體排開液體的體積；也可以直接利用量筒測出物體排開液體的體積）

（2）要求學生設計實驗方案，探究物體在液體中受到的浮力跟哪些因素有關，關系如何.并列出所需的實驗器材.

讓學生自行設計實驗方案往往不是一步到位的.教學時應當通過師生和生生之間的交流，糾正學生設計方案中的一些錯誤，從而使學生設計的方案得到完善，或者比較不同的實驗方案，作出恰當的選擇.

探究教學是新課程倡導的教學方式多樣化的一種選擇，而教學方式多樣化是體現在教學的每個細節之中的.本文所述的設計實驗方案教學的多種策略反映的就是探究教學中某個局部環節教學的多樣化. 值得指出的是，文中所述的只是設計實驗方案教學中幾種常用的策略，它并沒有，也不可能概全，而且其運用也是靈活多變的.我們應當根據不同的探究課題和學生的實際，尋找到更多適用的策略，并加以靈活地運用.