對一個初中物理探究實驗設計的評析

摘 要：物理探究實驗在教學中占有重要的地位，實驗現象和實驗結論的準確性對學生物理概念的構建和規律總結有重要影響，因此實驗方案的設計與器材的選擇及數據收集至關重要，下文是筆者在教學實踐中對一個探究實驗設計的思考及改進，供同仁們參考。

關鍵詞：實驗;設計;思考

一、 物理實驗是研究物理現象和規律的重要方法

自從“近代物理學之父”伽利略創立了實驗方法論（即以實驗為主、數學和演繹相結合的方法）以來，觀察和實驗成了研究物理現象和規律的重要方法與手段。實驗方法的確立和實現，才使科學從哲學中脫離出來，擺脫依托亞里士多德的思辨為主、單純觀察為輔的階段，走上獨立發展的學問道路。物理實驗是人為控制條件下促使物理現象發生和變化的實驗，它有助于人們重復觀察現象的發生和發展，研究其變化規律，促進人們對自然現象的認識和規律的利用。初中階段學生具有好奇心、求知欲望強的特點，對于物理實驗和現象的觀察感興趣，教學中教師多提供實驗和觀察的機會，有利于激發學生學習物理的興趣及信心，同時也是提升學生科學素養的重要途徑。

二、 探究實驗案例

以《探究物質的密度》一節課中的探究物體的質量與體積關系為例[八年級物理上冊（粵教滬科版）]，該實驗結果是引入物質密度概念的關鍵，具有舉足輕重的作用。

（一）教材中實驗設計：

1. 取兩塊形狀規則但體積不同的木塊，用天平和直尺分別測出它們的質量和體積。

2. 取兩塊體積不同的實心鐵塊，用天平和量筒把它們的質量和體積分別測量出來。

優點：分別用不同的方法測量物體的體積，拓展了學生測量物體體積的思維視角，用天平稱物體的質量鞏固了天平的使用方法。

缺點：在教學實踐中發現，首先是直尺測量形狀規則的物體體積誤差比較大，造成兩塊木塊所測的木塊質量與體積之比差異較大，這結果不利于物質的密度特性概念的引出。其次是目前學校實驗室中很難找到體積不同的實心鐵塊。三是同一種物質只測兩組數據，所得結論不夠嚴密。

（二）教學實踐中一些教師對此實驗的設計

在一次縣級新五屆教師教學技能比賽中發現，對這個實驗兩位教師有不同的設計方法：

甲教師實驗設計：

1. 提供器材：天平、量筒、燒杯、水、銅柱和銅塊、鐵柱和鐵塊、鋁柱和鋁塊，直尺。

2. 師生共同討論實驗方案：研究對象分別為銅、鐵、鋁和水四種物質;討論了物體體積的兩種測量方法，確定用量筒和水測體積。

3. 收集實驗數據：全班分四大實驗組，每一大組研究一種物質的質量與體積關系。

4. 教師隨機抽取每一個大組的一些實驗小組的數據如下：

5. 實驗數據整理如下：

6. 分析與綜合：教師引導學生分析表中研究對象的質量與體積之比，發現只有水是恒定的;其他物質的質量與體積的比值，由于實驗誤差造成了較大差異。

乙教師實驗設計：

1. 提供器材：天平、體積不同而材料相同的木塊若干、同體積的同種金屬圓柱若干。

2. 師生共同討論實驗方案：

（1）研究對象是誰？（木塊、金屬圓柱）

（2）需要測量哪些物理量？怎樣測？（質量、體積，形狀規則的物體體積可用刻度尺量或水浴法測量）

（3）通過描點作圖畫出 m-V 圖像，找出物體質量與體積的關系

3. 實驗數據收集：

為節約時間，老師提供研究對象的體積，學生只要測出質量即可。〖HJ0.55mm〗

下圖為教師隨機抽取的學生實驗小組數據及圖像：

4. 整理后的實驗記錄表：

5. 實驗分析與綜合：

（1）從實驗數據描繪的質量與體積關系圖看，物體的質量與體積基本成正比。

（2）從表中物體質量與體積的比值來看，同種物質的比值基本相同，不同物質一般不同。

評析：

（1）兩位老師都對教材中的實驗器材和方法進行了改進，都明確該探究實驗結論對物質密度概念引入的重要作用，也能提供學生進行實驗探究設計及實驗數據收集、分析綜合的機會，體驗物理探究的樂趣，增強學習物理的信心;實驗過程與結論也基本能幫助學生對密度概念的構建。

（2）甲教師的實驗設計由于實驗器材的局限性，每種金屬只能提供兩種樣品，每小組的實驗數據偏少，對實驗結論的支撐力度不夠;另外由于教師在學生實驗過程中對量筒中水位的讀數指導不到位，學生測出物體體積誤差較大，所測物體的質量與體積之比沒有規律性，不利于學生密度概念的建構。

（3）乙教師的實驗設計增加了 m-V 圖像的描繪，給學生有一個直觀的物體質量與體積的關系;但是不要求學生測物體的體積，雖然得出了理想的實驗結論并節約了實驗時間，但學生對所給的相關體積數據是有疑問的，缺少真實性，學生也少了一次用不同方法測物體體積的機會。

三、 筆者在教學實踐中將實驗設計進行如下改進

1. 器材選用：天平、量筒（100mL）、水、銅線、鋁線。（銅線用橫截面積為2.5mm2的單股銅導線去皮對折，三段實心金屬線的長度分別為1m、1.5m、2m;鋁線用橫截面積為6mm2的單股鋁導線去皮對折，三段實心金屬線的長度分別為1m、1.5m、2.3m，如下圖）。

2. 用量筒和水分別測出它們的體積，用天平測出其質量。

3. 收集實驗數據如下表：

4. 分析與綜合，從上表中實驗數據可知，實驗結果與理想目標還是比較接近的，同種物體的質量與體積之比基本相同，有利于學生對物質密度特性的認識，對于密度概念的引入有水到渠成的功效。

以上實驗設計的優點：

1. 材料容易找，利用身邊的材料。

2. 導線經折疊后易放入量筒（實驗室中容量大的量筒難找），便于用水浴法測體積且精度相對較高，可減小實驗誤差。

3. 同種物質可測三組數據，更容易形成實驗結論。

四、 教學啟示

初中物理實驗一般分為測量工具使用類實驗、測量類實驗和探究性實驗三類;探究性實驗在教學中占有重要地位和作用，它一般是探究物理現象及變化規律或物質的相關性質，為物理概念的構建和物理規律的總結奠定基礎。為確保教學中實驗現象明顯或成功，課前必須周密思考與準備，從實驗方案的設計、實驗器材的選用、實驗操作的關鍵環節及實驗現象或結果的明顯度等方面進行多次實踐演練，找出實驗中可能會出現的問題;課中要適時指導學生實驗，特別是在實驗設計、數據收集與結果分析方面加以指導;課后對實驗的設計與結果進行總結，為下次教學改進提供參考;在器材選用方面，盡可能利用實驗室中的器材或生活中的材料，多給學生創造實驗探究的機會，使物理課既有味又有趣。

參考文獻：

[1]朱綋雄.物理學方法概念[M].北京：清華大學出版社，2008：41-42.

[2]華東地區初中物理編寫組.物理八年級上冊[M].廣州：廣東教育出版社、上海科學技術出版社，2012.

作者簡介：

容科勇，中學高級，廣西壯族自治區桂林市，廣西桂林市陽朔縣教育局教研室。