蔡曉藝 陳慧靈

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

關(guān)鍵詞：綜合實(shí)踐活動;實(shí)驗;實(shí)驗設(shè)計能力;

義務(wù)教育的物理課程是以提高全體學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為目標(biāo)的自然科學(xué)基礎(chǔ)課程。新標(biāo)準(zhǔn)中明確提出要讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗探究過程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，提高學(xué)生分析、解決問題的能力。實(shí)驗探究中最為重要的要素就是設(shè)計實(shí)驗與制定計劃。實(shí)驗?zāi)芊耥樌M(jìn)行，實(shí)驗過程是否科學(xué)，實(shí)驗結(jié)果是否可靠，都依賴于實(shí)驗設(shè)計，所以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗探究能力尤為重要。

實(shí)驗設(shè)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(xué)生充分思考與討論，且教學(xué)過程中為了保證教學(xué)進(jìn)度，不少有意義的活動不得不舍去，這樣就導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗設(shè)計能力沒有辦法得到很好的鍛煉。同時，實(shí)驗設(shè)計時，要求學(xué)生明確探究目的和已有條件，選擇科學(xué)的方法以及所需器材。而學(xué)生對實(shí)驗設(shè)計并不感興趣，也就很難重視它的作用了 [1 ]?！冻踔形锢斫虒W(xué)中培養(yǎng)學(xué)生初步實(shí)驗設(shè)計能力的研究》中對初步實(shí)驗設(shè)計能力培養(yǎng)的現(xiàn)狀調(diào)查研究結(jié)果表明，在學(xué)生學(xué)習(xí)物理的實(shí)際能力水平中，72.7%的教師認(rèn)為最困難的是設(shè)計實(shí)驗方法和步驟 [2 ]。確實(shí)如此，大部分學(xué)生的實(shí)驗設(shè)計能力比較薄弱。筆者對本校初二、初三學(xué)生進(jìn)行了有關(guān)物理實(shí)驗探究能力的調(diào)查問卷（調(diào)查對象91人），顯示85.71%的學(xué)生不能很好的完成設(shè)計實(shí)驗與制定計劃。

如何提高學(xué)生對實(shí)驗設(shè)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(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》中提出，從小學(xué)至高中設(shè)置綜合實(shí)踐活動。綜合實(shí)驗活動是一門基于生活實(shí)踐領(lǐng)域的課程，與學(xué)生的自身生活和社會生活有著密切的聯(lián)系。課題組嘗試?yán)镁C合實(shí)踐活動的這種特點(diǎn)來拓展課堂，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高學(xué)生的實(shí)驗設(shè)計能力。以下是課題組做的一些嘗試。

1 ? 以生活為基礎(chǔ)，探索新的實(shí)驗方案

美國教育家杜威提出的教學(xué)過程的五個步驟中，第一個步驟就是給學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個課題情境，情境必須與實(shí)際經(jīng)驗相聯(lián)系，使學(xué)生產(chǎn)生興趣。綜合實(shí)踐活動就可以為學(xué)生提供這樣一個課題情境。

在學(xué)習(xí)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?；顒臃譃閮蓚€課時。第一課時，請學(xué)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(xué)生動手操作。首先，教師先對測量密度的原理和常規(guī)方法進(jìn)行復(fù)習(xí)。接下來，在常規(guī)方法的基礎(chǔ)上學(xué)生根據(jù)自己的物體制定自己的測量方案。在討論的過程中學(xué)生會發(fā)現(xiàn)有些物品會漂浮在水面上，有的體積比較大放不進(jìn)量筒中。這些問題如何解決？這時，教師引導(dǎo)學(xué)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(jìn)量筒里的物體，這時著重引導(dǎo)學(xué)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(xué)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(dǎo)學(xué)生考慮實(shí)驗設(shè)計的準(zhǔn)確性問題。馬上就有學(xué)生提出了改進(jìn)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(xué)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(zhǔn)確測量。這時教師可以引導(dǎo)學(xué)生換一個角度思考，能不能去測量水的質(zhì)量，再利用ρ=，求出排開水的體積？有了初步的想法之后，讓學(xué)生分組討論，得出更加完善的實(shí)驗方案：

方法一：①用托盤天平測出物體的質(zhì)量m0。②測出空的小燒杯的質(zhì)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(zhì)量m2。物體的密度表達(dá)式：ρ=ρ水。

方法二：①用托盤天平測出物體的質(zhì)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(zhì)量m1。④往燒杯中加水至標(biāo)記位置，測量此時的總質(zhì)量m2。物體的密度表達(dá)式：ρ=ρ水。

以上方案中，學(xué)生已經(jīng)考慮到了實(shí)驗的可操作性和準(zhǔn)確性，但是還是存在一定的誤差。視學(xué)生的學(xué)習(xí)情況而定，還可以繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生討論是否還能進(jìn)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(zhì)量m0。②往燒杯中注入一定量的水，并做好標(biāo)記。測量此時燒杯與水的總質(zhì)量m1。③將水倒出，放入物體，再往燒杯中加水至標(biāo)記處，測量此時整個燒杯的質(zhì)量m2。物體的密度表達(dá)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(chǔ)，研究對象都是身邊熟悉的事物，因此學(xué)生們熱情高漲。不僅增加了實(shí)驗的趣味性，更重要的是拓展了實(shí)驗設(shè)計的深度。在討論的過程中不斷根據(jù)實(shí)際情況，修改實(shí)驗方案，從中得出最佳的方案。在設(shè)計實(shí)驗的過程中，培養(yǎng)了學(xué)生設(shè)計實(shí)驗的能力。

2 ? 以經(jīng)典實(shí)驗為切入點(diǎn)，改造實(shí)驗設(shè)計

在初中物理教材上有許多經(jīng)典的物理實(shí)驗，這些經(jīng)典實(shí)驗包含著設(shè)計者對物理原理和現(xiàn)有實(shí)驗設(shè)備的靈活運(yùn)用 [3 ]。綜合實(shí)踐課上，我們提供了一些經(jīng)典的物理實(shí)驗作為研究對象，讓學(xué)生深入挖掘，嘗試改進(jìn)。這樣活動的關(guān)鍵在于學(xué)生一定要明確實(shí)驗?zāi)康?。知道?jīng)典實(shí)驗做什么以后，嘗試著體驗科學(xué)家的探究過程，通過思考與討論不斷地改進(jìn)實(shí)驗設(shè)計，靈活使用實(shí)驗器材，來實(shí)現(xiàn)設(shè)計的科學(xué)性、可操作性和準(zhǔn)確性。

比如，以“王冠之謎”為線索，體驗阿基米德原理的發(fā)現(xiàn)過程的活動?；顒訒r，應(yīng)該首先讓學(xué)生明確實(shí)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(guān)系。那么這個實(shí)驗的重點(diǎn)就在于如何測量浮力和排開液體的重力。浮力的測量引導(dǎo)學(xué)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(xué)生創(chuàng)設(shè)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(xué)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(dǎo)學(xué)生思考如何減小誤差？學(xué)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(jīng)過一番討論后學(xué)生很容易想到用溢水杯。在操作時，為了實(shí)驗結(jié)果的準(zhǔn)確，學(xué)生們很容易就能討論合理的實(shí)驗步驟。

再如，測量大氣壓的實(shí)驗。第一個測出大氣壓數(shù)值的托里拆利實(shí)驗，這個實(shí)驗的精妙之處在于：利用轉(zhuǎn)換法，當(dāng)液體平衡時，液體產(chǎn)生的壓強(qiáng)等于大氣壓強(qiáng)，來間接測得大氣壓。實(shí)驗的局限性在于：用密度大的汞取代水，而汞具有揮發(fā)性和毒性，現(xiàn)在的物理課堂上基本上沒有演示。在學(xué)生充分了解了實(shí)驗的優(yōu)缺點(diǎn)之后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生將思路轉(zhuǎn)向馬德堡半球?qū)嶒?。?lián)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(dǎo)學(xué)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(yīng)盡量排出空氣。當(dāng)F拉=F壓，吸盤處于什么狀態(tài)？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(shù)？又可得到緩慢增大拉力。視線跟隨指針做好讀書準(zhǔn)備。拉開瞬間迅速讀取數(shù)據(jù)。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(guān)”、“電阻大小與哪些因素有關(guān)”等都可以進(jìn)行相應(yīng)的改造拓展。改造過程中不僅有傳承，也有創(chuàng)新的理念，提高了學(xué)生的思維能力，提升了學(xué)生實(shí)驗設(shè)計能力。

3 ? 以小制作為載體，自主完成設(shè)計

綜合實(shí)踐課的形式可以是多種多樣的，以設(shè)計制作的形式開展的綜合實(shí)踐課，能夠幫助學(xué)生主動地參與其中。為了更好的完成制作，學(xué)生自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識設(shè)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(xué)生要明確彈簧測力計是如何工作的，引導(dǎo)學(xué)生對彈力的知識進(jìn)行研究。在了解了彈簧伸長量與拉力之間的關(guān)系的定量關(guān)系之后，學(xué)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(diào)節(jié)的指針等。接著，學(xué)生要解決刻度劃分的問題。通過引導(dǎo)與討論，學(xué)生根據(jù)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(jìn)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(shí)際制作的過程中，學(xué)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(dǎo)學(xué)生尋找相應(yīng)的知識去解決實(shí)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(jī)等等。在活動中，學(xué)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(xué)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(yǎng)了學(xué)生設(shè)計實(shí)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(shí)踐活動與物理課結(jié)合在一起，利用綜合實(shí)踐活動的趣味性，來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;利用它的學(xué)科延伸性來拓展課堂;利用它的自主性和創(chuàng)造性來提高學(xué)生的實(shí)驗設(shè)計能力。在活動中，教師引導(dǎo)學(xué)生既動手又動腦，經(jīng)過一年的綜合實(shí)踐活動的學(xué)習(xí)，學(xué)生們鍛煉了動手能力，培養(yǎng)了實(shí)驗設(shè)計能力，提高了科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]丁鎖勤.以經(jīng)典實(shí)驗為切入點(diǎn)，培養(yǎng)中學(xué)生的物理實(shí)驗設(shè)計能力[J].數(shù)理化解題研究（高中版），2014（10）：59～60.