对一个初中物理探究实验设计的评析

摘 要：物理探究实验在教学中占有重要的地位，实验现象和实验结论的准确性对学生物理概念的构建和规律总结有重要影响，因此实验方案的设计与器材的选择及数据收集至关重要，下文是笔者在教学实践中对一个探究实验设计的思考及改进，供同仁们参考。

关键词：实验;设计;思考

一、 物理实验是研究物理现象和规律的重要方法

自从“近代物理学之父”伽利略创立了实验方法论（即以实验为主、数学和演绎相结合的方法）以来，观察和实验成了研究物理现象和规律的重要方法与手段。实验方法的确立和实现，才使科学从哲学中脱离出来，摆脱依托亚里士多德的思辨为主、单纯观察为辅的阶段，走上独立发展的学问道路。物理实验是人为控制条件下促使物理现象发生和变化的实验，它有助于人们重复观察现象的发生和发展，研究其变化规律，促进人们对自然现象的认识和规律的利用。初中阶段学生具有好奇心、求知欲望强的特点，对于物理实验和现象的观察感兴趣，教学中教师多提供实验和观察的机会，有利于激发学生学习物理的兴趣及信心，同时也是提升学生科学素养的重要途径。

二、 探究实验案例

以《探究物质的密度》一节课中的探究物体的质量与体积关系为例[八年级物理上册（粤教沪科版）]，该实验结果是引入物质密度概念的关键，具有举足轻重的作用。

（一）教材中实验设计：

1. 取两块形状规则但体积不同的木块，用天平和直尺分别测出它们的质量和体积。

2. 取两块体积不同的实心铁块，用天平和量筒把它们的质量和体积分别测量出来。

优点：分别用不同的方法测量物体的体积，拓展了学生测量物体体积的思维视角，用天平称物体的质量巩固了天平的使用方法。

缺点：在教学实践中发现，首先是直尺测量形状规则的物体体积误差比较大，造成两块木块所测的木块质量与体积之比差异较大，这结果不利于物质的密度特性概念的引出。其次是目前学校实验室中很难找到体积不同的实心铁块。三是同一种物质只测两组数据，所得结论不够严密。

（二）教学实践中一些教师对此实验的设计

在一次县级新五届教师教学技能比赛中发现，对这个实验两位教师有不同的设计方法：

甲教师实验设计：

1. 提供器材：天平、量筒、烧杯、水、铜柱和铜块、铁柱和铁块、铝柱和铝块，直尺。

2. 师生共同讨论实验方案：研究对象分别为铜、铁、铝和水四种物质;讨论了物体体积的两种测量方法，确定用量筒和水测体积。

3. 收集实验数据：全班分四大实验组，每一大组研究一种物质的质量与体积关系。

4. 教师随机抽取每一个大组的一些实验小组的数据如下：

5. 实验数据整理如下：

6. 分析与综合：教师引导学生分析表中研究对象的质量与体积之比，发现只有水是恒定的;其他物质的质量与体积的比值，由于实验误差造成了较大差异。

乙教师实验设计：

1. 提供器材：天平、体积不同而材料相同的木块若干、同体积的同种金属圆柱若干。

2. 师生共同讨论实验方案：

（1）研究对象是谁？（木块、金属圆柱）

（2）需要测量哪些物理量？怎样测？（质量、体积，形状规则的物体体积可用刻度尺量或水浴法测量）

（3）通过描点作图画出 m-V 图像，找出物体质量与体积的关系

3. 实验数据收集：

为节约时间，老师提供研究对象的体积，学生只要测出质量即可。〖HJ0.55mm〗

下图为教师随机抽取的学生实验小组数据及图像：

4. 整理后的实验记录表：

5. 实验分析与综合：

（1）从实验数据描绘的质量与体积关系图看，物体的质量与体积基本成正比。

（2）从表中物体质量与体积的比值来看，同种物质的比值基本相同，不同物质一般不同。

评析：

（1）两位老师都对教材中的实验器材和方法进行了改进，都明确该探究实验结论对物质密度概念引入的重要作用，也能提供学生进行实验探究设计及实验数据收集、分析综合的机会，体验物理探究的乐趣，增强学习物理的信心;实验过程与结论也基本能幫助学生对密度概念的构建。

（2）甲教师的实验设计由于实验器材的局限性，每种金属只能提供两种样品，每小组的实验数据偏少，对实验结论的支撑力度不够;另外由于教师在学生实验过程中对量筒中水位的读数指导不到位，学生测出物体体积误差较大，所测物体的质量与体积之比没有规律性，不利于学生密度概念的建构。

（3）乙教师的实验设计增加了 m-V 图像的描绘，给学生有一个直观的物体质量与体积的关系;但是不要求学生测物体的体积，虽然得出了理想的实验结论并节约了实验时间，但学生对所给的相关体积数据是有疑问的，缺少真实性，学生也少了一次用不同方法测物体体积的机会。

三、 笔者在教学实践中将实验设计进行如下改进

1. 器材选用：天平、量筒（100mL）、水、铜线、铝线。（铜线用横截面积为2.5mm2的单股铜导线去皮对折，三段实心金属线的长度分别为1m、1.5m、2m;铝线用横截面积为6mm2的单股铝导线去皮对折，三段实心金属线的长度分别为1m、1.5m、2.3m，如下图）。

2. 用量筒和水分别测出它们的体积，用天平测出其质量。

3. 收集实验数据如下表：

4. 分析与综合，从上表中实验数据可知，实验结果与理想目标还是比较接近的，同种物体的质量与体积之比基本相同，有利于学生对物质密度特性的认识，对于密度概念的引入有水到渠成的功效。

以上实验设计的优点：

1. 材料容易找，利用身边的材料。

2. 导线经折叠后易放入量筒（实验室中容量大的量筒难找），便于用水浴法测体积且精度相对较高，可减小实验误差。

3. 同种物质可测三组数据，更容易形成实验结论。

四、 教学启示

初中物理实验一般分为测量工具使用类实验、测量类实验和探究性实验三类;探究性实验在教学中占有重要地位和作用，它一般是探究物理现象及变化规律或物质的相关性质，为物理概念的构建和物理规律的总结奠定基础。为确保教学中实验现象明显或成功，课前必须周密思考与准备，从实验方案的设计、实验器材的选用、实验操作的关键环节及实验现象或结果的明显度等方面进行多次实践演练，找出实验中可能会出现的问题;课中要适时指导学生实验，特别是在实验设计、数据收集与结果分析方面加以指导;课后对实验的设计与结果进行总结，为下次教学改进提供参考;在器材选用方面，尽可能利用实验室中的器材或生活中的材料，多给学生创造实验探究的机会，使物理课既有味又有趣。

参考文献：

[1]朱綋雄.物理学方法概念[M].北京：清华大学出版社，2008：41-42.

[2]华东地区初中物理编写组.物理八年级上册[M].广州：广东教育出版社、上海科学技术出版社，2012.

作者简介：

容科勇，中学高级，广西壮族自治区桂林市，广西桂林市阳朔县教育局教研室。