高中學生物理實驗設計能力的培養

新課程標準指出：“高中物理課程應促進學生自主學習，讓學生積極參與、樂于探究、勇于實驗、勤于思考。通過多樣化的教學方式，幫助學生學習物理知識與技能，培養其科學探究能力，使其逐步形成科學態度與科學精神。”實驗設計能力是指學生能綜合、靈活地運用所學的知識、方法，獨立地研究問題，通過創造性的實驗設計去驗證知識、獲得知識和進行探索性研究的能力。實驗設計的內容包括根據要求確定實驗原理，設計實驗方案，選擇實驗儀器，編擬實驗步驟，設計實驗表格等。可見，實驗設計能力的培養是新課程標準的要求。這種能力的培養過程實質也就是科學素質、創新精神的形成過程，同時它也是中學生將來在社會生產實踐中必須具備的能力。

1 加強實驗設計思想的教學，培養實驗設計能力

科學家完成一個成功的實驗需要經歷曲折的探索、設計過程，因此引導學生領會前人的實驗設計思想，體驗科學家所經歷的探索過程，是一條培養學生具有設計實驗能力的有效途徑。每一個實驗都有各自的設計思想，每一個成功的實驗其設計思想總是包含著對已有知識的靈活應用與創造性的科學構想。如萬有引力常量測定的實驗、觀察桌面微小形變實驗中所體現出放大的設計思想等；研究加速度與合外力、質量的關系，研究勻速圓周運動中向心力與質量、角速度、半徑的關系等實驗中所體現出控制的設計思想；平拋運動規律的探究等實驗中體現出的對比的設計思想等。所以在教學只有加強設計思想的教學，才能更好地培養設計實驗的能力，這是每一位物理教師在平時教學中都必須要注意的。

2 增強實驗的探索性，形成實驗設計能力

現行山東科學技術出版社發行的高一物理新教材中的實驗，探索性實驗的比例有所增加，這種安排有利于培養學生的設計實驗能力。因此教師應根據學生的實際情況，本著循序漸進的原則，精心安排并引導學生做好課本上的每個探索性實驗，就研究什么問題?設計什么方案?使用什么儀器?觀察什么現象?記錄什么數據?如何處理數據?如何進行誤差分析等一系列問題引導學生進行實驗設計，讓學生在教師引導下，通過設計實踐來提高自己的設計實驗的能力。下面以“探索彈力和彈簧伸長的關系”實驗為例，列表如下：

最終形成了該實驗的構想，從而完成整個實驗的方案設計和操作。

3 編擬實驗設計題，強化實驗設計能力

目前，中學物理教學中的實驗設計性試題，一般是根據課本中已出現的物理實驗的基本原理，所使用的基本器材以及實驗中學過的有關方法，設計一些新的實驗，按照實驗的設計方案及要求，完成實驗有關內容；或者是提供有關的實驗器材以及實驗的目的要求，根據有關知識以及在實驗中學過的方法，自己設計實驗方案，并完成實驗要求。在中學生初步具備了設計實驗能力的基礎上，教師可以有針對性地編擬一些設計性實驗題來強化學生的設計能力。限于中學生的知識和能力，編擬題目要求不宜過高，過程不宜太復雜，一般可從三個角度考慮編題。

3.1 從測量物理量來編題

如在講完自由落體運動規律后，可提出用什么方法測重力加速度?(滴水法、落桿法、頻閃照相法等)；講完滑動摩擦后，提出如何測一張紙與桌面間的動摩擦因數等。這類題較容易，便于結合學生所學的物理知識，促進學生利用基礎知識來進行實驗設計。

3.2 改變現有實驗條件來編題

如超重和失重規律的探究實驗中，除了用彈簧秤做演示實驗外還可以用什么來做實驗。這類題有一定難度，有利于培養學生的發散性思維，學生所設計的方案只要有道理的，教師均應鼓勵。

3.3 從實驗應用來編題

如設計一個測自行車所受阻力的方案、如何利用自由落體運動的規律來測量樓房的高度等，這類問題要求較高，只有學生具備了較強的實驗設計能力后才可出現。

4 通過實際操作，提高實驗設計能力

學生在進行實驗設計的過程中，經常會出現在理論上可行，但實際操作卻無法做到的情況。比如，在勻變速直線運動的實驗探究中，有的同學不用帶滑輪的長木板，直接在實驗桌上做實驗，理論上是可行，但實驗誤差較大。在實際操作中會發現：有的同學對打點計時器的用法不知如何使用、有的同學電源使用錯誤、有的同學對紙帶不知如何使用、有的同學對帶滑輪的長木板使用錯誤、有的同學不知如何處理紙帶等等，導致無法做成這個實驗。

只有通過實踐檢驗是正確的實驗設計，才是一個成功的實驗。因此在教學中應盡可能創造條件讓學生在設計好實驗方案后進行實際操作，增強學生的感性認識，這樣才能使他們的實驗設計更加合理、更切合實際，從而提高他們的實驗設計能力。

5 通過課外小實驗來加強設計實驗能力的培養

課外小實驗常需要學生自己設計實驗原理、尋找器材和裝配儀器等，它有利于培養學生克服困難，利用簡單設備做好實驗的精神，也是培養學生設計實驗能力不可忽視的一環。“用最平常的儀器作出最好的成果才算真本事”（卡文迪許實驗室看法），這是一個實驗者應有的信念。

如講完高中物理必修一中滑動摩擦力一節后，可安排學生這樣的一道實驗，請同學們設計一個測量紙與桌面之間動摩擦因素的實驗。有一些設計性課外小實驗是以“討論與交流”的形式在教材中單獨列出，如高中物理必修一中第49頁中“他們采用了什么方法測量井深”，這些設計性課外小實驗，方法靈活，取材容易，并因所給的測量工具不同，而要求尋找不同的實驗原理和方法，由學生獨立尋找和操作，易于發揮學生的主觀能動性，養成愛獨立設計實驗的好習慣。

另外，課外小實驗的內容也可以由教師或實驗能力較強的同學共同來編制，分實驗組獨立設計和操作完成。適時還可以舉辦設計性小實驗操作競賽，以便激發學生對課外實驗的興趣。

現在，對設計實驗能力的考核已越來越被各級考試所重視（如高考、全國競賽實驗考核等），這就要求我們的實驗教學應加強設計能力的培養。總之，培養學生設計實驗的能力是中學物理實驗教學中的一個重要方面，也是提高教學質量，培養創造性人才的極好途徑。只要教師能認真研究中學物理的實驗教學，并根據學生的實際情況，由淺入深，循序漸進，一定能逐步提高學生的實驗設計能力。

(欄目編輯趙保鋼)