注重实验设计 引导学生探究

胡 彬

（苏州市一中分校，江苏 苏州 215004）

随着新课程改革的不断深入，探究式教学在课堂教学中越来越受到教师与学生的关注，但很多实验也只是按教材的分析按部就班地进行纯理论的讲解，关键的实验方案构思和设计训练被忽视了，学生只能照方抓药，缺乏自己的思考.不利于学生智力的开发和创新能力的培养.为了提高学生多方面的科学素养，让学生真正的自主探究，笔者认为有必要在教学过程中启发和引导学生设计实验，让学生体验实验设计的基本过程，现就笔者多年的工作实践，谈谈自己在物理教学中的几点尝试.

1 创设各种情境，激发学生学习欲望

如果直接让学生设计实验方案，很多学生往往无从入手，使思维陷入困境.久而久之，学生就会对实验设计产生逃避心理.如果教师创设出丰富多彩的情境，就能为学生提供一个思考的平台，既能激发学生思维的兴趣，又能调动他们头脑中已有的知识与生活经验，疏通学生的思维通道，进入实验设计的最佳状态.

（1）生活情境.

物理源于生活、贴近生活.我们身边处处都能发现和物理有关的现象，物理教学内容也与生活生产实际紧密联系在一起.生活实际具有不容质疑的真实性而易于被学生接受，在课堂上创设学生熟悉的、有趣的、新奇的生活情境，可以引起学生学习的兴趣，引导学生积极主动地思考，使学生自然沉浸到生活情境中，激发学生解决问题的探究欲望，增强学生的学习动力.

案例1.在“压强”这节课的教学过程中，可以先铺设以下情境：一对青年男女在海边的沙滩上漫步，请学生比较哪个人对沙滩压力的作用效果更明显.之后显示两人脚印的特写，体重较大的男生的脚印浅，体重较小的女生的脚印反而深.设置这个认知冲突，目的是为接下来的实验“探究影响压力作用效果的因素”打下基础，也能有效突破学生实验设计时的难点，了解如何从具体现象中比较压力作用效果的明显程度.

（2）问题情境.

学问始于疑，疑赖于问.问题是实验设计的动力和催化剂，当学生的思维没有得到启发时，教师可通过创设问题情境，提供一些解决问题的方式或信息，让学生步步深入地去分析去解决，从而开启学生的思维之门，使学生的实验设计有一个明确的方向.

案例2.在“探究影响滑动摩擦力的因素”时，可以创设以下一系列的问题情境：如何测量滑动摩擦力的大小？弹簧测力计的拉力和摩擦力是同一个力吗？如何做才能从弹簧测力计的示数中知道滑动摩擦力的大小？如何改变接触面的粗糙程度？如何研究接触面粗糙程度对滑动摩擦力大小的影响？从形式上看是教师设疑，学生答疑.但实际上，学生在教师的引导下，在解决当前问题的同时又发现新问题，在积极思考的同时也突破了实验设计的一个个难点.

2 提供多种器材，活跃学生思维

所谓“兵马未动，粮草先行”，选择合适的实验仪器是进行实验的基础.选择器材要根据研究的具体内容分析各种器材的特点，多方面考虑到器材的安全性、实验的误差、实验操作的方便与否，对实验研究的优势和劣势等因素.器材的灵活选择将影响学生设计出各种不同的实验方案，可以活跃学生思维，挖掘学生潜力.所以，在进行探究所需器材的准备时，可多提供一些与该探究无关或可以作为替代的器件，供学生自主选择，最大限度地培养学生的科学探究能力.

案例3.在“探究平面镜成像特点”的实验中，教师可以提供平面镜、2mm厚的茶色玻璃、5mm厚的透明玻璃，学生通过分析了解到平面镜虽然成像清晰，但看不见镜后的物体，无法确定像的位置；5mm厚的透明玻璃由于太厚，会透过玻璃板呈现两个像，也不利于实验的进行，所以应该选用2mm厚的茶色玻璃，既能确定镜后像的位置，成像的清晰度也比透明玻璃好.在选择辅助器材时，是选择蜡烛，还是选择棋子；是选择刻度尺，还是选择方格纸？学生在教师的指导下，模拟实验情景，可以根据自己的分析逐个进行选择，然后构思解决问题的实验方案.

案例4.在“探究二力平衡的条件”时，可以给学生多种实验器材供其自由选择：两端拴有细绳的小卡片、两端拴有细绳的小车、两端拴有细线的木块、铁架台、定滑轮、钩码若干、弹簧测力计等，让学生自由讨论实验方案并设计实验.在这样的设计思路下，学生会提出多种实验方案，绝不会仅限于教材上的思路.最终将所有方案分析比较，发现选用小卡片作为实验对象最为合理，原因在于质量小，重力可以忽略不计，基本不受摩擦力的影响，在理想状态下近似为二力平衡.

多种实验器材的选择将带来多种的实验方案，多种的实验方案将带来多重思维火花的碰撞，学生在这样的思维训练下，不仅知道了实验怎么做，还知道了为什么要这样做，甚至还知道了还可以怎么做.设计思路和方法的掌握，对于学生解决类似的问题，乃至将来解决没有遇到的问题都是有帮助的.

3 运用科学方法，构建学生思路

学生在教师的引导下知道了实验设计的大致方向，但学生离设计出真正科学合理且可行的实验方案还有一定的距离，需要教师进行正确有效的指导，以学生原有的知识结构与初步想法为起点，探究合理恰当的方法，自主设计实验方案.

（1）转换法.

设计实验时，某些物理量不容易直接测量或某些物理实验现象直接观察有些困难，通常用一些非常直观的现象去认识或用易测量的物理量间接测量.

案例5.“探究导体产生焦耳热与哪些因素有关”活动中，热量是无法直接测量的，那么在设计实验过程中如何将“电流产生的热量多少”反映出来呢？这就需要用到转换法.教师可利用一些生活情境引导学生分析：有热量产生必然温度也会随之升高，学生在设计实验时自然而然就会将热量的多少转换成温度变化量的大小.通过教师的引导，一方面使学生在已有知识的基础上找到了与未知知识沟通的“桥梁”，另一方面使学生的认知自然而然扩展到新领域，这样学生不但了解如何设计实验而且也收获了方法.

（2）控制变量法.

设计实验时，当研究多个物理量之间的关系时，就需要控制其他几个物理量不变，依次研究其中某一个物理量变化所产生的影响，这就是常用的控制变量法.

案例5的活动中，教师在引导学生知道如何判断导体产生的焦耳热大小后，需要提醒学生：由于焦耳热大小可能与多个因素有关，在设计实验时，只能先研究其中一个物理量对焦耳热的影响，比如研究焦耳热与电阻大小的关系时，就要控制电流、电压、通电时间不变，只改变电阻大小；要研究焦耳热与电流大小的关系时，就只能改变电流，而控制其他量均不变.通过教师恰当的引导，学生就能设计出完整且科学合理的电路图和实验方案，在设计实验的过程中又兼顾了思维方法.

（3）比值替换法.

大部分探究型、验证型的实验设计都需要用到控制变量法，而很多测量型的实验设计则需要用比值替换法来思考.设计实验时，如果某一个物理量无法直接测量，不妨变换角度，可以用另外两个基本物理量的“比”来替换这个物理量，如速度、密度、压强、功率等物理量的测量.

案例6.在“测量小灯泡的额定功率”的实验中，应首先让学生明确，要得到小灯泡的功率，就要测量出电压和电流的大小.为此，可以设计以下师生互动形式的对话来引导学生设计出完整的实验方案.

师：测量电功率的实验原理，即电功率的计算公式是什么？（生：P＝UI）

师：为了测定小灯泡的功率，必须测出哪些有关的物理量？（生：小灯泡两端的电压和通过小灯泡的电流.）

师：测这些物理量需要哪些实验器材？（生：测电压需要电压表，测电流需要电流表.）

师：在什么条件下测出的功率才是小灯泡的额定功率？（生：小灯泡两端的电压等于它的额定电压）

师：为了调节电压大小，我们需要用什么实验器材？（生：滑动变阻器）

师：请根据刚才提示设计出测量小灯泡额定功率的电路图和实验方案.

通过循序渐进的问题引导，以学生已有的知识为出发点，让学生逐步认识到如何根据实验原理中的相关物理量来设计实验.学生在对要素的剖析过程的同时，对实验设计的方法也有了一个完整的认识，并自然形成了分析问题的方法，最后大多数学生在教师的引导下都能按照计划顺利完成实验设计.

除了上述列举的之外，还有很多其他方法，例如比较法、等效替代法、模型法、科学推理法等，在设计实验研究一个物理问题或物理规律时，往往需要同时用到几种研究方法.教师要及时引导学生紧紧围绕着“猜想与假设”，积极寻找、设计验证“猜想与假设”的实验方法.

4 交流实验方案，提高学生能力

由于实验设计具有开放性的特点，再加上每个学生自己有独特的思考方法和不同的解决途径，设计水平高低不同，得出的结果是多种多样的.所以，在写出实验方案后，教师要及时引导学生交流设计成果，说明各自的设计思路、依据的实验原理、采用的实验方法、主要的实验步骤及对实验结果的预期等.在学生明确实验设计的基本环节、遵循的主要原则的基础上，着重讨论设计的创新之处，如实验材料的选择、实验方法的改进、实验顺序的安排等.

学生在交流讨论的过程中，不仅能学会用科学的术语条理清晰地表达自己的思路，学会对自己或他人的观点做出简单的评述和分析，也能相互启发和借鉴，取长补短，有利于学生进行深入思考和持续探究，从而真正学会学习、学会思考、学会探究，这正是新课标的要求.

当学生对实验分析和实验设计的规律性有了一定的认识时，教师也要积极地引导学生运用已理解和掌握的实验设计模式，去解决实际问题.

总之，要让学生乐于探究、学会探究，需要教师将实验设计环节落实在每一节实验课上，发挥好教师引导者的角色，根据学生的思维发展状况，创设合理的情境，鼓励学生打开思路、积极思考，并恰当地引导学生设计实验方案，交流、调整和确定实验方案，从而提高学生的学习能力、思维能力和创新能力.