利用綜合實踐課培養學生實驗設計能力

蔡曉藝 陳慧靈

摘 ? 要：實驗設計是探究性實驗的一個關鍵環節，影響到實驗過程的科學性與實驗結果的可靠性。因而對學生實驗設計能力的培養尤為重要，但平時教學中因課堂時間限制等原因難以有效地培養學生的實驗設計能力，本文介紹借助綜合實踐的平臺，拓展課堂，發展學生的實驗設計能力。以生活為基礎、以小制作為載體、以經典實驗為切入點，有目的有計劃地安排活動，在活動過程中使學生實驗設計能力得到較充分的鍛煉與提升。

關鍵詞：綜合實踐活動;實驗;實驗設計能力;

義務教育的物理課程是以提高全體學生科學素養為目標的自然科學基礎課程。新標準中明確提出要讓學生經歷實驗探究過程，培養學生的創新能力，培養學生的探究能力，提高學生分析、解決問題的能力。實驗探究中最為重要的要素就是設計實驗與制定計劃。實驗能否順利進行，實驗過程是否科學，實驗結果是否可靠，都依賴于實驗設計，所以培養學生的實驗探究能力尤為重要。

實驗設計是需要時間的，平時的課堂時間緊，未必都能留出足夠的時間讓學生充分思考與討論，且教學過程中為了保證教學進度，不少有意義的活動不得不舍去，這樣就導致學生實驗設計能力沒有辦法得到很好的鍛煉。同時，實驗設計時，要求學生明確探究目的和已有條件，選擇科學的方法以及所需器材。而學生對實驗設計并不感興趣，也就很難重視它的作用了 [1 ]。《初中物理教學中培養學生初步實驗設計能力的研究》中對初步實驗設計能力培養的現狀調查研究結果表明，在學生學習物理的實際能力水平中，72.7%的教師認為最困難的是設計實驗方法和步驟 [2 ]。確實如此，大部分學生的實驗設計能力比較薄弱。筆者對本校初二、初三學生進行了有關物理實驗探究能力的調查問卷（調查對象91人），顯示85.71%的學生不能很好的完成設計實驗與制定計劃。

如何提高學生對實驗設計的興趣，提高參與程度，一直是我們課題組一直在思考的問題。我國2001年頒布的《基礎教育課程改革綱要（試行）》中提出，從小學至高中設置綜合實踐活動。綜合實驗活動是一門基于生活實踐領域的課程，與學生的自身生活和社會生活有著密切的聯系。課題組嘗試利用綜合實踐活動的這種特點來拓展課堂，鍛煉學生的創造性思維，提高學生的實驗設計能力。以下是課題組做的一些嘗試。

1 ? 以生活為基礎，探索新的實驗方案

美國教育家杜威提出的教學過程的五個步驟中，第一個步驟就是給學生創設一個課題情境，情境必須與實際經驗相聯系，使學生產生興趣。綜合實踐活動就可以為學生提供這樣一個課題情境。

在學習測量物體密度時，我們開展了一次測量家中的某個物品的密度的活動。活動分為兩個課時。第一課時，請學生將他們有興趣測量的物品帶來，討論物品的測量方案。第二課時，讓學生動手操作。首先，教師先對測量密度的原理和常規方法進行復習。接下來，在常規方法的基礎上學生根據自己的物體制定自己的測量方案。在討論的過程中學生會發現有些物品會漂浮在水面上，有的體積比較大放不進量筒中。這些問題如何解決？這時，教師引導學生思考，固體的體積測量方法是排水法，只要能讓物體浸沒在水中，量筒中變化的體積就是這個固體的體積。對于會漂浮在水面上的物體可以用針將其壓入水里，就可以測出體積。而體積較大沒辦法放進量筒里的物體，這時著重引導學生思考只需要測得排出的水的體積，也可以間接得知物體的體積。如何收集排開的水呢？學生會想到，將物體放入裝滿水的燒杯，再用一個更大的容器去盛接溢出的水。討論到這里，教師就可以引導學生考慮實驗設計的準確性問題。馬上就有學生提出了改進方案，可以用溢水杯，將溢水杯小桶里收集到的水倒入量筒中測量體積。這時還會有學生想到，溢水杯中的水無法完全倒入量筒，水的體積沒辦法準確測量。這時教師可以引導學生換一個角度思考，能不能去測量水的質量，再利用ρ=，求出排開水的體積？有了初步的想法之后，讓學生分組討論，得出更加完善的實驗方案：

方法一：①用托盤天平測出物體的質量m0。②測出空的小燒杯的質量m1 ③在溢水杯中裝滿水，將物體放入溢水杯中，用小燒杯盛溢出的水，測出小燒杯的總質量m2。物體的密度表達式：ρ=ρ水。

方法二：①用托盤天平測出物體的質量m0。②將物體放入燒杯中，在燒杯中注入一定量的水，并在少燒杯上做好記號。③取出物體，測量出此時燒杯與水的總質量m1。④往燒杯中加水至標記位置，測量此時的總質量m2。物體的密度表達式：ρ=ρ水。

以上方案中，學生已經考慮到了實驗的可操作性和準確性，但是還是存在一定的誤差。視學生的學習情況而定，還可以繼續引導學生討論是否還能進一步減小誤差。討論出用以下方法完成體積較大的固體密度測量：

①用托盤天平測出物體的質量m0。②往燒杯中注入一定量的水，并做好標記。測量此時燒杯與水的總質量m1。③將水倒出，放入物體，再往燒杯中加水至標記處，測量此時整個燒杯的質量m2。物體的密度表達式：ρ=ρ水=ρ水。

類似的活動，還有測量飲料的密度，測量家用電器電阻、電功率等等。以生活為基礎，研究對象都是身邊熟悉的事物，因此學生們熱情高漲。不僅增加了實驗的趣味性，更重要的是拓展了實驗設計的深度。在討論的過程中不斷根據實際情況，修改實驗方案，從中得出最佳的方案。在設計實驗的過程中，培養了學生設計實驗的能力。

2 ? 以經典實驗為切入點，改造實驗設計

在初中物理教材上有許多經典的物理實驗，這些經典實驗包含著設計者對物理原理和現有實驗設備的靈活運用 [3 ]。綜合實踐課上，我們提供了一些經典的物理實驗作為研究對象，讓學生深入挖掘，嘗試改進。這樣活動的關鍵在于學生一定要明確實驗目的。知道經典實驗做什么以后，嘗試著體驗科學家的探究過程，通過思考與討論不斷地改進實驗設計，靈活使用實驗器材，來實現設計的科學性、可操作性和準確性。

比如，以“王冠之謎”為線索，體驗阿基米德原理的發現過程的活動。活動時，應該首先讓學生明確實驗的目的。阿基米德原理是為了探究物體受到的浮力與排開液體重力的關系。那么這個實驗的重點就在于如何測量浮力和排開液體的重力。浮力的測量引導學生利用稱重法完成，但是測量排開液體重力的時候會遇上一定的困難。這時可以為學生創設這樣的情景：如果你是阿基米德，你會用什么辦法來收集溢出的水呢？學生能馬上想到利用一個更大的容器來盛接，但是會有比較大的誤差。再引導學生思考如何減小誤差？學生提出可以將燒杯傾斜，將水裝至出水口。把物體浸沒在水中后，溢出來的水就從出水口流出，這樣可以減少誤差。經過一番討論后學生很容易想到用溢水杯。在操作時，為了實驗結果的準確，學生們很容易就能討論合理的實驗步驟。

再如，測量大氣壓的實驗。第一個測出大氣壓數值的托里拆利實驗，這個實驗的精妙之處在于：利用轉換法，當液體平衡時，液體產生的壓強等于大氣壓強，來間接測得大氣壓。實驗的局限性在于：用密度大的汞取代水，而汞具有揮發性和毒性，現在的物理課堂上基本上沒有演示。在學生充分了解了實驗的優缺點之后，教師可以引導學生將思路轉向馬德堡半球實驗。聯想平時生活中常見的小吸盤，思考能否利用小吸盤來測量大氣壓。測量大氣壓需要用到公式P=■，那就得測出壓力F和受力面積S。引導學生思考以下幾個問題：玻璃板可以隨意放置嗎？討論玻璃板水平時（向上拉，向下拉），豎直時的受力情況，得出玻璃板豎直時可以避開重力帶來的干擾。吸盤吸在玻璃板上有什么要求？討論得出吸盤和玻璃板之間應盡量排出空氣。當F拉=F壓，吸盤處于什么狀態？討論后選擇：吸盤被拉開的瞬間讀取F拉，此時F壓=F拉，從而獲得F壓。如何讀取拉開的瞬間的彈簧測力計示數？又可得到緩慢增大拉力。視線跟隨指針做好讀書準備。拉開瞬間迅速讀取數據。受力面積S怎么測？可以用刻度尺透過透明的玻璃板測量吸盤直徑d，再利用面積公式得到S。

像“滑動摩擦力的大小與哪些因素有關”、“電阻大小與哪些因素有關”等都可以進行相應的改造拓展。改造過程中不僅有傳承，也有創新的理念，提高了學生的思維能力，提升了學生實驗設計能力。

3 ? 以小制作為載體，自主完成設計

綜合實踐課的形式可以是多種多樣的，以設計制作的形式開展的綜合實踐課，能夠幫助學生主動地參與其中。為了更好的完成制作，學生自主學習相關知識設計制作出滿意的作品。同時在過程中體驗到制作的樂趣與成功的喜悅。

例如自制彈簧測力計的活動。首先，學生要明確彈簧測力計是如何工作的，引導學生對彈力的知識進行研究。在了解了彈簧伸長量與拉力之間的關系的定量關系之后，學生要選擇合適的器材。比如，原長比較合適的彈簧，容易做記號的刻度盤，可以調節的指針等。接著，學生要解決刻度劃分的問題。通過引導與討論，學生根據選擇的器材劃分處零刻度線、量程與分度值。最后，用制作好的彈簧測力計進行測量。再如，制作噴氣式小船的活動中，小船的工作原理是非常簡單的。但是在實際制作的過程中，學生會遇到如何減慢氣球的噴氣速度，如何減小小船在水中的阻力，如何使小船保持平衡等問題。引導學生尋找相應的知識去解決實際問題。

類似的活動項目還有，自制浮沉子，走馬燈，萬花筒，潛望鏡，滾擺，制作小電動機等等。在活動中，學生對自己感興趣的制作充滿熱情，很有積極性。在制作時，遇上難題，學生也都能夠積極地思考與討論，解決問題。這樣不僅對知識有了更深的理解，也培養了學生設計實驗的能力。

課題組成員有目的有計劃的開展一系列的活動，把綜合實踐活動與物理課結合在一起，利用綜合實踐活動的趣味性，來提高學生的學習興趣;利用它的學科延伸性來拓展課堂;利用它的自主性和創造性來提高學生的實驗設計能力。在活動中，教師引導學生既動手又動腦，經過一年的綜合實踐活動的學習，學生們鍛煉了動手能力，培養了實驗設計能力，提高了科學素養。

參考文獻：

[1]李永民.談如何培養學生設計實驗的能力[J].成才之路，2010（34）：78-79.

[2]胡彬.初中物理教學中培養學生初步實驗設計能力的研究[D].江蘇：蘇州大學，2011.

[3]丁鎖勤.以經典實驗為切入點，培養中學生的物理實驗設計能力[J].數理化解題研究（高中版），2014（10）：59～60.