浅析初中物理实验教学中培养学生的实验设计能力

苏美秋

摘   要：发展学生的核心素养，培养学生多样化的学习能力和发展需要是新时代教育的中心目标。科学探究是学习物理的主要方法，实验探究是培养学生的科学探究能力的主要途径，而想要真正带领学生经历探究实验过程，落实物理核心素养的培养要求，只有让学生明确实验目的，自主设计实验方案，才能积极高效地参与到实验探究活动中。

关键词：核心素养；科学探究；学生实验；实验设计

引言

科学探究活动是指基于观察和实验提出问题、形成猜想与假设、设计实验与制定方案、获取与处理信息、基于证据得出结论并做解释[ 1 ]。而实验设计是决定实验成功与否的关键一环，它是在对探究问题有了猜想之后，就有了明确的实验目的，根据实验目的，明确取得证据的途径和方法，确定收集证据的范围和要求，设计出相应的实验方案，制定出实验计划[ 2 ]。它包含的内容有：实验的理论依据；需要测量哪些物理量；这些量测出后怎样分析处理；以及测量这些量所需要仪器和器材；仪器的精度要求和材料的要求与技术处理等等（当因素较多时，常采用控制变量法来研究）[ 2 ]。

1  初中物理实验教学中设计实验方案的必要性

2001年我国课改就提出要培养学生的科学探究能力，尽管过去了二十几年，但由于教育资源的不均衡，尤其是偏远地区，很多学校的实验教学还停留在表面，科学探究也是流于形式。就分组探究实验来说，每次实验课前，教师还是习惯花相当长的时间，面面俱到地讲解实验目的、原理、仪器、操作步骤以及注意事项，然后学生才依照现成的实验步骤机械地完成实验，有些学生甚至草率实验，随便凑几个数据。这样的所谓的实验探究课已经脱离了新课标所要达成的探究意义，顶多只能算是验证性实验。造成这种现象的主要原因是学生不明确实验目的，不理解实验方法，实验内驱力不足。而如果想要真正带领学生经历探究实验过程，落实物理核心素养的培养要求，只让学生明确实验目的，积极地参与实验方案的设计，才能主动、高效地让学生参与到实验探究活动中。

2  初中物理实验设计的原则

2.1  科学性原则

物理实验要客观、真实地反映和揭示物理概念和物理规律，因此，设计实验方案时应该以客观规律为基准，不能选择有悖于科学性的实验设计[ 3 ]。像在探究串联电路电压规律时，如果将开关接在两灯泡之间，在测量单个灯泡的电压时，有的学生会直接测量单个灯泡的电压，而有的又会测量开关和其中一个灯泡的总电压，然而在测两灯泡的总电压时往往又会发现有的学生会测量两灯泡和开关的总电压，这样就有可能造成两灯泡两端的总电压不等于各自两端的电压之和。殊不知开关、接线处等由于接触不良会分得较大的电压，所以，在设计该实验方案时，尽可能将开关移到两灯之外，测量两灯总电压时尽量不包括开关。

2.2  简单性原则

对于初中生来说，不管是要探索某个物理现象，还是要验证某个物理规律，实验过程中选用的器材和方法应尽可能简单。像在探究压力作用效果与什么因素有关时，可以利用矿泉水瓶、气球、书包、文具等日常用品做实验。在实验器材的选择上更简洁、更接地气，揭开物理实验的神秘面纱，培养学生的实验兴趣。

2.3  自主性原则

物理实验方案的设计可以让学生通过交流讨论，自主设计，可以根据自己的需要，是利用纯文字还是文字加图，又或者是利用纯图，不用拘泥于固定的格式，只要能清楚的描述出实验设计方案的可行性，有力地保障实验顺利进行，这就是一份成功的实验设计。像在探究“凸透镜成像规律”时，学生发现凸透镜有关键点（焦点），因此，有些学生通过讨论发现可以以焦点作为参照点，以焦点以外和焦点以内分开进行探究，也有的学生发现用图像可以更清晰、直观地描述出实验步骤和方法等，这时，教师可以适当地进行指导或者是提供交流平台，在交流中学生的思维火花激烈碰撞，学生的探究欲望空前高涨。

2.4  安全性原则

设计的任何实验都要考虑到学生的动手能力、心理意志和环境安全等因素[ 3 ]。像“探究速度的变化”时，不能将学生带到车流多的地段去实地测量或者是让学生从陡坡骑自行车往下冲；做电学实验时，要控制好电压；做热学实验时，如果用到热水、酒精灯，教师要统一管理，并在周邊备好浸湿的毛巾和其它的消防设备。

3  初中物理实验设计的基本步骤

3.1  明确实验目的

引导学生明确实验目的，确定要通过实验测量什么物理量，或者是要利用实验来验证、探索什么物理规律。对于测量性实验，明确实验目的后，弄清是该用直接测量还是间接测量方法，如果是直接测量，该选用什么测量工具，如果间接测量，应利用什么原理，再间接测出哪些物理量，选出合适的测量工具。对于验证实验，要联系所学知识，明确所要验证的物理量与相关物理量之间的定量关系，弄清实验要测定的物理量。对于探究性实验，要广泛、发散地思考，联系相关的物理现象，看看该物理现象投射出哪些相关的因素，它们之间可能存在着什么关系，再确定适宜的实验方法。例如在探究“电阻大小的影响因素”时，教师利用课件播放家庭电路中用到了铜导线，高压电线用到了铝绞线，开关触点甚至用到了银，教师还可以继续播放课件，展示大山深处一户架设了细长导线的人家，他家的电灯总是比别家相同规格的电灯暗了好多等等。学生根据画面就很容易猜出电阻的影响因素有可能是导体的材料、长度和横截面积。这样，学生就明确了该用控制变量法去探究每个因素跟电阻的具体关系。

3.2  确定实验方法、优化实验方案

初中物理实验主要用到的方法有：控制变量法、等效替代法、转换法 、实验推理法（理想实验法）、类比法、物理模型法（理想模型法）等等。在学生明确了实验目的之后，要进一步引导学生弄清实验中所需的方法，像在“科学探究：物质的比热容”时，利用生活实例，设置情境，让学生认识到物质的吸热能力可能跟物质种类、物质质量和升高的温度都有关系，因此，实验中得控制变量。紧接着又引导学生认识到热量测量的困难，从而得出利用转换法，用加热时间来反映物体吸热的多少。最后再引导学生一步步优化实验方案：用电加热棒比用酒精灯好（好控制）；对水与煤油加热比对水与沙子加热好（受热均匀）；用相同的烧杯等等。

4  引导学生物理实验设计要收放有度

初中物理教学中只有少部分探究实验学生可以独立完成。如在探究“磁极相互作用”時，学生已经学过了“电荷的相互作用”后就很容易理解实验如何操作，这时教师就可以全盘放手，让学生自己独立地设计实验。但是大部分的物理探究实验都有一定的难度，教师如果全盘放手，想要让学生纯粹依靠自己设计出有效的实验方案，并将实验方案具体化，对于初中学生来说这基本上是不可能完成的。如果这样，往往会出现的是要么依照课本、按图索骥、照搬程序、机械实验，要么是无从下手、盲目实验。因此，教师要根据学生的实际情况，设置科学合理的问题情境，一步步地引导学生设计出科学合理的实验方案。例如：像“科学探究：速度的变化”时，由于这是学生进行的第一次接触物理科学探究，所以教师要把每一个问题掰开、细化，直到学生明白：什么是实验目的；什么是实验原理；什么是实用方案；如何设计方案等。

下面就以“科学探究：速度的变化”这节课来讲解如何引导学生进行实验方案的设计。

提出问题：汽车在一段笔直的高速公路行驶时速度会变化吗？你如何判断？（用课件播放视频）

提问引导，设计实验方案：

蹦极的人从高空坠落时速度变化吗？（课件播放视频）

在拉力绳未拉开前，你可以用什么方法来判断速度是否变化？

如果用频闪相机在这段时间内对人进行拍照，用该照片与物体做匀速直线运动的照片进行对比，可以发现什么不同？（匀速直线运动的物体每相邻的两次照片位置距离相等，拉力绳未拉伸前人每相邻的两次照片位置距离不相等）

如果把拉力绳未拉伸前，人下落的这段路程分为相等的上下两端，这两段的速度会相同吗？（不同）

根据v=s/t，在实验室里，如何利用前面所学的长度和时间的测量来探究物体速度的变化？如何让路程（长度）和时间的测量更加准确？（学生讨论）

在实验室，研究空中坠落的物体好还是研究从斜面下滑的物体好？（斜面好）

根据以上设置的一个个层层深入的情境问题，学生渐渐明晰了实验该怎么探究下去，这样引导学生设计出实验步骤，实验记录表格的设计也就水到渠成了。

还有些实验，教师要根据学生的实际情况，该放就放，该收就收，做到收放自如。例如：在“科学探究：怎样产生感应电流”时，教师利用课件播放了发电站发电机的工作视频，让学生知道发电机发电时需要消耗机械能，学生在学过了电动机为什么转动的基础上就很容易知道，只有让导体在磁场中运动才有可能产生电流，这时教师就可以放手让学生先试着自己去完成实验。学生通过实验探索，发现电流表指针有时候会偏转，有时候不偏转；指针有时候左偏，有时候右偏。接下来，教师可以引导学生去回顾、思考：指针偏转不同，相应的导体运动方向是否也不同。然后，教师再引导学生思考：导体可以有几种运动方向。最后，让学生自主设计出完整的实验方案。这样，教师在实验教学中有放有收，不但培养了学生的科学探究能力，同时又降低了学生设计实验的难度。学生从实验方案设计中获得了成功的喜悦，为后面实验的顺利探究提供了有效的保障。

5  结语

“谋定而后动，知止而有得”，在物理实验教学中，教师要紧随时代的脚步，立足课堂，培养学生的实验设计能力，让学生成为学习的主体，有效地提高学生的科学探究能力，这样，才能将培养学生的物理学科核心素养落到实处。

参考文献

［1］ 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准〔S〕.2022年版.北京：北京师范大学出版社，2022：5.

［2］ 张普发.实验探究的七个基本环节〔J〕.科技资讯，2007（7）：129.

［3］ 何小敏.初中物理实验的一般原则与特殊原则〔J〕.试题与研究，2022（16）：73-74.