“实验设计”的评估、改进和优化

左清平

摘 要：科学评估是实验设计的一个重要环节，学生在实验设计中，教师应该关注设计过程，在师生合作中引导学生学会：正确选择器材，应用科学的方法、尽可能的减小误差，设计可操作的方案等。本文论述如何学会评估、学会改进，在评估中改进、在改进中创新，从而设计出优秀的实验方案。

关键词：实验设计；评估；改进；优化

中图分类号：G633.7 文献标识码：A文章编号：1003-6148(2006)12(S)-0056-2

在科学探究中，一个优秀的实验设计，可以让学生轻松经历真实的科学探究、构建正确的知识体系，提高科学探究的效率。那么，在教学中如何引导学生设计出优秀的实验方案呢?要学会评估、学会改进，在评估中改进、在改进中创新，从而设计出优秀的实验方案。笔者在教学中，对如何引导学生评估、改进实验设计，有些肤浅的认识和做法，愿与各位同行商榷。

1 器材的选择是否合理。

即器材的选择是否符合精度，实验是否能正常进行，得出科学的结论。

例1 小李想通过实验探究本地大气压究竟有多大，他设计的方案是：将蘸水的塑料挂衣钩的吸盘按在毛玻璃板上，挤出里面的空气，用弹簧称钩着吸盘挂钩缓慢向上拉，直到吸盘脱离玻璃板，记录刚拉脱时的拉力，这就等于大气压对吸盘的压力，然后依据p=F／S求出大气压。他选用的器材是：量程为10N的弹簧秤，底面积为10cm2的吸盘。请评估他选用器材是否合理？

评估分析 从理论上说，该方案的设计是可行的，但所选的器材不能测出本地大气压的值。因为据p=F／S得F=pS≈105Pa×10×10-4m2=100N。超出了测力计的量程，应该更换测力计或换用面积更小的吸盘。另外毛玻璃太粗糙，吸盘内的空气不能排尽，吸盘与玻璃板脱离时的面积可能小于10cm2，都会给实验带来很大的误差，都是设计该实验时必须考虑到的。

2 是否较好的应用了控制变量法等科学研究方法。

在实验设计中会用到许多科学方法，其中控制变量法是经常用到的方法，学生在设计实验时常会顾此失彼，因此这是评估改进的一个重要内容。

例2 在探究通电螺线管的磁性强弱与哪些因素有关时，小王猜想与，A．电流大小有关；B．线圈的匝数有关；C．线圈的形状有关。在验证猜想B时他设计了这样的方案：把一长根细漆包铜丝分别在半支铅笔和新铅笔上一匝挨一匝绕了50匝和100匝，然后串联在两节干电池上，闭合开关后，发现两个螺线管吸起的大头针的个数差不多，因此他说“通电螺线管磁性的强弱与匝数无关”，在组与组间交流时他发现与同学们的结论不一样，你认为他的实验方案有什么问题？应该怎样更正？

评估分析 小王没有控制螺线管的外形一样。虽然通过串联控制了电流一样，但是由于绕在长短不同的铅笔上，使其外形长短不同，二螺线管的漏磁情况不同，导致两端的磁性差不多。更正：将50匝和100匝的细漆包线分别绕在长短一样的铅笔上。

3 实验设计是否尽可能减小了实验误差。

实验设计中选用精度高的仪器，多次测量取平均值以及改进实验方法等都会有效减小实验误差。

例3 为了测量100kg玉米种子的粒数N，甲的测量方法是：先用分度值是50g的杆秤测量出50g玉米，求出单粒质量m，再根据N=100kg/m求出粒数N；乙的测量方法是：先用天平测出10粒种子的质量M，求出单粒质量m=M/10，再据N=100kg/m求出粒数N；丙的方法是：先用天平称出100粒种子的质量M，求出单粒质量m=M／100，再据N=100kg／m求出粒数N，请分析三个人的测量方法谁的最好?

评估分析 甲选用的杆秤精度不够，乙选用的样本粒数太少，都会有很大的误差，只有 丙的方法最好。

4 实验方案是否具有可操作性。

有些实验方案从理论上说是可行的，但实际上不具备可操作性，最终导致科学探究失败。

例4 小李用电能表(600r／kW．h)测一只“220V 100W”的旧电灯泡的实际功率时，他是这样设计的：只让这只灯泡工作，工作一分钟之后停止计时，记下表盘所转的圈数n，算出电功率P=n／10(kW)，请对该方案进行评估。

评估分析 这个方案理论上说是可行的，但是旧的“220V 100W”的电灯泡的实际功率小于100W，即只有这颗灯泡工作时，电能表1min所转圈数小于1圈，实际上是不可测量的——不具有可操作性。如果他把测量时间延长到10min或更长时间，并且让电能表转整数圈，才可操作。

5 分析论证、处理数据的方法是否科学。

例5 下表是小李同学在测量小灯泡电阻的实验中设计的记录数据的表格

根据设计的表格可见，他设计的处理数据的方法是：①利用欧姆定律求电阻，②通过求平均值减小实验误差，请问他设计的处理数据的方法科学吗?

评估分析 由于小灯泡的电阻随温度的升高而增大，所以计算它的平均电阻是没有意义的，相反这一栏的设计，会干扰学生发现导体的电阻与温度的关系，所以在表格设计中不应该加这一栏。

6 依据设计的实验所得结论是否具有普遍性。

例6 张华同学在探究串联电路的电压规律时，他选取了两只完全一样的灯泡和其它合适的器材，请问他用所选的器材能够得到科学的结论吗?

评估分析 用科学探究的方法构建知识体系，必须采用由特殊到一般的思维推理方法，所以在设计实验时，所选的器材必须具有一般的代表性，才能得到具有普遍性的结论。张华在设计这个实验时选用了两个完全一样的灯泡，这两个灯泡在电路中的分压相等，势必得到“串联电路中用电器均分电压”的错误结论，应该换用不同规格的灯泡来做这个实验。

7 所设计实验操作时是否安全。

选择了有毒有害的器材没有，实验过程中是否会有易燃易爆等不安全的现象发生。

例7 小王同学在设计探究比较不同物质的吸热能力的实验时，他选择了两个完全一样的电加热器、广口保温杯，老师给他提供的加热对象中有：水、沙子、细铁屑、煤油、汽油、浓盐酸、食用油、陶瓷屑。请你帮他选择两种最适合的加热对象。

评估分析 从安全的角度考虑，煤油、汽油、细铁屑、浓盐酸、食用油均不得入选，选

择水和陶瓷屑是最合适的。

上述实例是在教学中引导学生设计实验时，常见的典型错误，这些错误干扰了学生经历真实的探究过程，甚至得出错误的结论。笔者认为，教师在引导学生设计实验时，主导地位体现在积极的参与设计、评估设计，关注学生的学习过程，在师生合作中逐渐引导学生学会评估、改进、创新，提高学生的实验设计能力，掌握优化实验方案的方法，从而轻松经历科学探究过程、提高科学探究效率、构建正确的知识体系。

参考文献：

［1］杜敏主编.《教师教学用书.物理》（八年级上、下册 九年级）.人教版

［2］彭前程主编.《义务教育课程标准实验教科书.物理》（八年级上、下册 九年级）.人教版

(栏目编辑王柏庐)

编后语：2006年即将渡过，在过去的一年中，本刊发表了几百篇稿件，论及中学物理教育和教学工作的方方面面，不少文章非常优秀。在岁末，我们衷心地感谢广大作者对我国物理教育事业的忠诚，对提高教学水平的执着，无私的奉献精神和对本刊的大力支持……因而，我们能向全国物理教师们奉献丰富多采的教学资源，得到广大读者们的厚爱。希望在新的一年中，我们能与物理教育界的同仁们继续携手共进，更上一层楼。顺祝朋友们新年快乐。

<注>：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文