淺析初中物理實驗教學中培養學生的實驗設計能力

蘇美秋

摘? ?要：發展學生的核心素養，培養學生多樣化的學習能力和發展需要是新時代教育的中心目標。科學探究是學習物理的主要方法，實驗探究是培養學生的科學探究能力的主要途徑，而想要真正帶領學生經歷探究實驗過程，落實物理核心素養的培養要求，只有讓學生明確實驗目的，自主設計實驗方案，才能積極高效地參與到實驗探究活動中。

關鍵詞：核心素養；科學探究；學生實驗；實驗設計

引言

科學探究活動是指基于觀察和實驗提出問題、形成猜想與假設、設計實驗與制定方案、獲取與處理信息、基于證據得出結論并做解釋[ 1 ]。而實驗設計是決定實驗成功與否的關鍵一環，它是在對探究問題有了猜想之后，就有了明確的實驗目的，根據實驗目的，明確取得證據的途徑和方法，確定收集證據的范圍和要求，設計出相應的實驗方案，制定出實驗計劃[ 2 ]。它包含的內容有：實驗的理論依據；需要測量哪些物理量；這些量測出后怎樣分析處理；以及測量這些量所需要儀器和器材；儀器的精度要求和材料的要求與技術處理等等（當因素較多時，常采用控制變量法來研究）[ 2 ]。

1? 初中物理實驗教學中設計實驗方案的必要性

2001年我國課改就提出要培養學生的科學探究能力，盡管過去了二十幾年，但由于教育資源的不均衡，尤其是偏遠地區，很多學校的實驗教學還停留在表面，科學探究也是流于形式。就分組探究實驗來說，每次實驗課前，教師還是習慣花相當長的時間，面面俱到地講解實驗目的、原理、儀器、操作步驟以及注意事項，然后學生才依照現成的實驗步驟機械地完成實驗，有些學生甚至草率實驗，隨便湊幾個數據。這樣的所謂的實驗探究課已經脫離了新課標所要達成的探究意義，頂多只能算是驗證性實驗。造成這種現象的主要原因是學生不明確實驗目的，不理解實驗方法，實驗內驅力不足。而如果想要真正帶領學生經歷探究實驗過程，落實物理核心素養的培養要求，只讓學生明確實驗目的，積極地參與實驗方案的設計，才能主動、高效地讓學生參與到實驗探究活動中。

2? 初中物理實驗設計的原則

2.1? 科學性原則

物理實驗要客觀、真實地反映和揭示物理概念和物理規律，因此，設計實驗方案時應該以客觀規律為基準，不能選擇有悖于科學性的實驗設計[ 3 ]。像在探究串聯電路電壓規律時，如果將開關接在兩燈泡之間，在測量單個燈泡的電壓時，有的學生會直接測量單個燈泡的電壓，而有的又會測量開關和其中一個燈泡的總電壓，然而在測兩燈泡的總電壓時往往又會發現有的學生會測量兩燈泡和開關的總電壓，這樣就有可能造成兩燈泡兩端的總電壓不等于各自兩端的電壓之和。殊不知開關、接線處等由于接觸不良會分得較大的電壓，所以，在設計該實驗方案時，盡可能將開關移到兩燈之外，測量兩燈總電壓時盡量不包括開關。

2.2? 簡單性原則

對于初中生來說，不管是要探索某個物理現象，還是要驗證某個物理規律，實驗過程中選用的器材和方法應盡可能簡單。像在探究壓力作用效果與什么因素有關時，可以利用礦泉水瓶、氣球、書包、文具等日常用品做實驗。在實驗器材的選擇上更簡潔、更接地氣，揭開物理實驗的神秘面紗，培養學生的實驗興趣。

2.3? 自主性原則

物理實驗方案的設計可以讓學生通過交流討論，自主設計，可以根據自己的需要，是利用純文字還是文字加圖，又或者是利用純圖，不用拘泥于固定的格式，只要能清楚的描述出實驗設計方案的可行性，有力地保障實驗順利進行，這就是一份成功的實驗設計。像在探究“凸透鏡成像規律”時，學生發現凸透鏡有關鍵點（焦點），因此，有些學生通過討論發現可以以焦點作為參照點，以焦點以外和焦點以內分開進行探究，也有的學生發現用圖像可以更清晰、直觀地描述出實驗步驟和方法等，這時，教師可以適當地進行指導或者是提供交流平臺，在交流中學生的思維火花激烈碰撞，學生的探究欲望空前高漲。

2.4? 安全性原則

設計的任何實驗都要考慮到學生的動手能力、心理意志和環境安全等因素[ 3 ]。像“探究速度的變化”時，不能將學生帶到車流多的地段去實地測量或者是讓學生從陡坡騎自行車往下沖；做電學實驗時，要控制好電壓；做熱學實驗時，如果用到熱水、酒精燈，教師要統一管理，并在周邊備好浸濕的毛巾和其它的消防設備。

3? 初中物理實驗設計的基本步驟

3.1? 明確實驗目的

引導學生明確實驗目的，確定要通過實驗測量什么物理量，或者是要利用實驗來驗證、探索什么物理規律。對于測量性實驗，明確實驗目的后，弄清是該用直接測量還是間接測量方法，如果是直接測量，該選用什么測量工具，如果間接測量，應利用什么原理，再間接測出哪些物理量，選出合適的測量工具。對于驗證實驗，要聯系所學知識，明確所要驗證的物理量與相關物理量之間的定量關系，弄清實驗要測定的物理量。對于探究性實驗，要廣泛、發散地思考，聯系相關的物理現象，看看該物理現象投射出哪些相關的因素，它們之間可能存在著什么關系，再確定適宜的實驗方法。例如在探究“電阻大小的影響因素”時，教師利用課件播放家庭電路中用到了銅導線，高壓電線用到了鋁絞線，開關觸點甚至用到了銀，教師還可以繼續播放課件，展示大山深處一戶架設了細長導線的人家，他家的電燈總是比別家相同規格的電燈暗了好多等等。學生根據畫面就很容易猜出電阻的影響因素有可能是導體的材料、長度和橫截面積。這樣，學生就明確了該用控制變量法去探究每個因素跟電阻的具體關系。

3.2? 確定實驗方法、優化實驗方案

初中物理實驗主要用到的方法有：控制變量法、等效替代法、轉換法 、實驗推理法（理想實驗法）、類比法、物理模型法（理想模型法）等等。在學生明確了實驗目的之后，要進一步引導學生弄清實驗中所需的方法，像在“科學探究：物質的比熱容”時，利用生活實例，設置情境，讓學生認識到物質的吸熱能力可能跟物質種類、物質質量和升高的溫度都有關系，因此，實驗中得控制變量。緊接著又引導學生認識到熱量測量的困難，從而得出利用轉換法，用加熱時間來反映物體吸熱的多少。最后再引導學生一步步優化實驗方案：用電加熱棒比用酒精燈好（好控制）；對水與煤油加熱比對水與沙子加熱好（受熱均勻）；用相同的燒杯等等。

4? 引導學生物理實驗設計要收放有度

初中物理教學中只有少部分探究實驗學生可以獨立完成。如在探究“磁極相互作用”時，學生已經學過了“電荷的相互作用”后就很容易理解實驗如何操作，這時教師就可以全盤放手，讓學生自己獨立地設計實驗。但是大部分的物理探究實驗都有一定的難度，教師如果全盤放手，想要讓學生純粹依靠自己設計出有效的實驗方案，并將實驗方案具體化，對于初中學生來說這基本上是不可能完成的。如果這樣，往往會出現的是要么依照課本、按圖索驥、照搬程序、機械實驗，要么是無從下手、盲目實驗。因此，教師要根據學生的實際情況，設置科學合理的問題情境，一步步地引導學生設計出科學合理的實驗方案。例如：像“科學探究：速度的變化”時，由于這是學生進行的第一次接觸物理科學探究，所以教師要把每一個問題掰開、細化，直到學生明白：什么是實驗目的；什么是實驗原理；什么是實用方案；如何設計方案等。

下面就以“科學探究：速度的變化”這節課來講解如何引導學生進行實驗方案的設計。

提出問題：汽車在一段筆直的高速公路行駛時速度會變化嗎？你如何判斷？（用課件播放視頻）

提問引導，設計實驗方案：

蹦極的人從高空墜落時速度變化嗎？（課件播放視頻）

在拉力繩未拉開前，你可以用什么方法來判斷速度是否變化？

如果用頻閃相機在這段時間內對人進行拍照，用該照片與物體做勻速直線運動的照片進行對比，可以發現什么不同？（勻速直線運動的物體每相鄰的兩次照片位置距離相等，拉力繩未拉伸前人每相鄰的兩次照片位置距離不相等）

如果把拉力繩未拉伸前，人下落的這段路程分為相等的上下兩端，這兩段的速度會相同嗎？（不同）

根據v=s/t，在實驗室里，如何利用前面所學的長度和時間的測量來探究物體速度的變化？如何讓路程（長度）和時間的測量更加準確？（學生討論）

在實驗室，研究空中墜落的物體好還是研究從斜面下滑的物體好？（斜面好）

根據以上設置的一個個層層深入的情境問題，學生漸漸明晰了實驗該怎么探究下去，這樣引導學生設計出實驗步驟，實驗記錄表格的設計也就水到渠成了。

還有些實驗，教師要根據學生的實際情況，該放就放，該收就收，做到收放自如。例如：在“科學探究：怎樣產生感應電流”時，教師利用課件播放了發電站發電機的工作視頻，讓學生知道發電機發電時需要消耗機械能，學生在學過了電動機為什么轉動的基礎上就很容易知道，只有讓導體在磁場中運動才有可能產生電流，這時教師就可以放手讓學生先試著自己去完成實驗。學生通過實驗探索，發現電流表指針有時候會偏轉，有時候不偏轉；指針有時候左偏，有時候右偏。接下來，教師可以引導學生去回顧、思考：指針偏轉不同，相應的導體運動方向是否也不同。然后，教師再引導學生思考：導體可以有幾種運動方向。最后，讓學生自主設計出完整的實驗方案。這樣，教師在實驗教學中有放有收，不但培養了學生的科學探究能力，同時又降低了學生設計實驗的難度。學生從實驗方案設計中獲得了成功的喜悅，為后面實驗的順利探究提供了有效的保障。

5? 結語

“謀定而后動，知止而有得”，在物理實驗教學中，教師要緊隨時代的腳步，立足課堂，培養學生的實驗設計能力，讓學生成為學習的主體，有效地提高學生的科學探究能力，這樣，才能將培養學生的物理學科核心素養落到實處。

參考文獻

［1］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準〔S〕.2022年版.北京：北京師范大學出版社，2022：5.

［2］ 張普發.實驗探究的七個基本環節〔J〕.科技資訊，2007（7）：129.

［3］ 何小敏.初中物理實驗的一般原則與特殊原則〔J〕.試題與研究，2022（16）：73-74.