初中物理開放性實驗設計能力的培養

周楓

摘 要：在初中物理課堂實驗教學中，應重視培養學生的實驗設計能力，促進學生主體性的養成。只有在日常學習中夯實基礎、多進行日常訓練并摸索出實驗設計的方法，才能有效地提升開放性實驗設計的能力。

關鍵詞：開放性實驗設計能力；夯實基礎；日常訓練；總結方法

引言

物理學是以實驗為基礎的學科，物理實驗是物理課程的重要組成部分。《中共中央國務院關于深化教育改革全面推進素質教育的決定》中明確提出：“實施素質教育，就是全面貫徹黨的教育方針，以提高國民素質為根本宗旨，以培養學生的創造精神和實踐能力為重點” [1 ]。而初中物理開放性實驗設計正是以創新為核心，培養學生實驗遷移能力的一種高層次的綜合能力考核。因此，在初中物理實驗教學中培養學生的實驗設計能力已經成為適應當前課程改革和教育目的的需要。

1 相關研究

1.1 概念界定

開放性實驗設計能力是指運用已學過的測量儀器和實驗方法以及有關的知識，按題給要求自行設計實驗方案，研究物理現象、探索物理規律或測定物理量的能力 [2 ]。

1.2 現狀

開放性實驗設計題是近幾年全國各地的中考物理試題中頻繁出現的新題型，這類題涉及的知識面廣、解法靈活、思維方法獨特，著力考查學生對于重要實驗儀器的原理及使用方法的掌握情況，同時對學生的設計，語言表述等能力都提出了較高的要求，加上該類題具有很強的開放性，學生對此題型的解答能力明顯不足，往往不得要領，只能望洋興嘆、無從下手。

2 初中物理課堂實驗培養學生實驗設計能力的教學策略探討

能力的養成并非一朝一夕，我們如何在日常教學中潛移默化地提升學生開放性實驗設計的能力呢？下面我談一下對于提升開放性實驗設計能力的些許體會。

2.1 夯實基礎，為實驗設計能力的提升掃清障礙

能力的培養要建立在扎實的基本功之上，對于實驗設計能力而言，基本功包含了能熟練地記憶并運用公式、物理原理、物理規律， 對實驗儀器的原理了如指掌，對儀器的使用駕輕就熟等等。而這一切都源自日常的積累。

2.1.1 教師在日常教學中要注重學生的記、思、解和說

具體來說，就是要注重學生學習基礎知識，并要求學生牢固、準確地掌握；要讓學生發揮想象力，平時注意對學生邏輯思維能力的培養；要用多種方法解答的問題，盡可能利用多種方法解答，拓寬學生解題思路；要有意識地多讓學生說，讓學生對物理原理、規律有更深入的認識和理解。

2.1.2 教師應讓學生熟悉開放性實驗題所涉及的知識范圍

縱觀初中物理課本，密度、壓強、浮力、電阻、電功率的測定是開放性實驗設計題涉及的熱點。學生應深刻理解上述物理量的定義、相關公式，明確這些物理量與哪些因素有關。例如：密度公式是ρ=，測密度時，一般可以從質量與體積兩方面入手。

2.1.3 教師應通過具體實驗讓學生熟知實驗設計的諸多思維方法

例如，在研究音叉振動發聲時，如何設計實驗說明音叉正在振動呢？這就需要應用到放大法，可以在音叉旁邊懸掛乒乓球，通過乒乓球的振動將音叉振動的現象放大；再如測量細絲直徑時，可以將細絲緊密纏繞在鉛筆上，用纏繞的總寬度除以圈數，這便是利用了累計法；當然，實驗設計的方法還包含模擬法、轉換法、比較法、替代法、控制變量法等等，這就需要學生熟知每一種的測量方法，只有這樣，在具體的實驗設計中，才能做到游刃有余。

2.1.4 教師應創造盡可能多的動手操作機會

在初中階段，要求學生會用的重要儀器包括刻度尺、天平、量筒、測力計、電流表、電壓表、滑動變阻器等，教師應讓學生親自接觸以上實驗器材，讓學生在實驗中進一步熟悉重要的物理儀器原理及使用規則。只有對每個儀器的使用都得心應手，了解儀器的適用范圍，才可以在設計實驗時，進行合理地選材。

總之，開發性實驗設計是對學生物理實驗知識和實驗能力的綜合考查，只有扎扎實實地練好基本功，才有助于迅速、準確地設計出實驗方案。

2.2 日常訓練，把課堂變成實驗設計能力的鍛煉場

如果你吃掉一把鹽，你會覺得難以下咽，但如果把鹽灑入湯中，你不知不覺地吃掉了所有的鹽，還覺得湯十分地美味。同樣地，與其讓孩子一到考試，就害怕實驗設計題，倒不如把實驗設計滲透到日常的課堂教學中，讓他們在實驗中玩，最終必然能在玩中提升實驗設計的能力。

例如：在講到聲音的產生時，我讓學生利用身邊的器材發出聲音，并交流一下這個聲音是如何產生的。學生的學習熱情頓時高漲起來，有人撕下一張紙，用雙手抓住紙的兩端內外伸縮，果然聲響很大；有人用筆敲擊筆盒；有人固定住尺子的一端，用手撥動另一端，甚至有位學習成績不太好的學生，用手摸著聲帶大喊我老師我愛你，這一個個來源于學生們自己的設計，讓他們對聲音的產生印象深刻。

再如，講到壓力的作用效果與壓力的大小關系時，我同樣不提供器材，讓學生自己想辦法進行實驗設計，其實，我在有意識地培養學生的選材能力。基于日常課堂上的鍛煉，學生漸漸適應了利用生活中看似無關的材料進行實驗，有學生拿起自帶的礦泉水瓶，一邊演示一邊說：“我先輕捏瓶子，后來用力捏，發現在受力面積一定時，壓力越大時，壓力的作用效果越明顯”，有的學生拿起了一支圓珠筆，用食指頂住筆尖，用力之后，大叫一聲：“你看，我的手馬上痛了，而且手指凹陷得更明顯了”，有的學生站起來說道：“我什么器材都不需要，你看，我臉上的肉多，手指越用力按，臉形變越厲害”，一番話引得全班哄堂大笑。

課堂上，通過設計良好的實驗本身來激發學生的興趣，使學生從好奇出發，進而發生興趣，只有這樣，才能使學生自覺自愿地參與實驗設計活動，而且，在這樣的課堂學習環境中，學生激情飛揚、活力四射，真正的學會、會學，實驗設計能力真正的得到提高，同時，學生的創造精神和實踐能力也得到了有效培養。

2.3 總結方法，讓實驗設計有章可循

橫看成嶺側成峰，開放性實驗設計題的分類有很多種，但我想從探究性（驗證性）和測定性這兩方面談談實驗設計的方法。

（1）探究性（驗證性）實驗

這類題大多數是給定結論，尋求條件。例如請你根據所學知識設計一個實驗探究滑動摩擦力的大小與哪些因素有關，或是設計一個實驗證明液體壓強的存在。

當面對這類題時，第一，要明確研究對象，我們“以證明液體壓強的存在”為例，通過審題，我們知道要證明的結論是液體壓強的存在。那么，液體壓強就是要研究的對象；第二，思考與研究對象相關的物理原理、規律。在這道題中，就是要在腦海中搜索與液體壓強相關的規律，例如液體對容器的底部、側壁有壓強、同一液體的壓強隨深度的增加而增大等等。第三，根據所選的原理、規律進行選材和制訂步驟。假設我們選擇液體對容器的底部有壓強這一規律，那么我們應該選擇水、裝水的礦水瓶、保鮮膜及細線。步驟如下：往礦泉水瓶中裝足量水，將保鮮膜包在瓶口，并用細線綁緊，將瓶口朝下，發現膜向下凸起。

（2）測定性實驗設計

此類實驗有的是給足條件，讓你測量某個物理量（如例1）；有的是條件不足，讓你自行選擇器材后，再測量出某個物理量（如例2）。

例1 提供電源、若干導線、開關、電流表、一個已知阻值的電阻、一個滑動變阻器這些器材，要求測出一個未知電阻的阻值。

例2 只提供量筒這一種測量工具，器材自選，如何測定橡皮泥的密度，請你寫出實驗步驟和需要測量的物理量。

以例2進行分析，這類設計題應從何入手呢？這時候，腦海中必定會出現許多的問號：沒有天平怎么測橡皮泥的質量呢？還要選擇哪些器材？是先寫步驟還是先確定要測的物理量？

對于此類實驗設計依然有可遵循的解題方法：第一、明確解題思路（如圖1）；通過思路分析，步步深入。題目提供了量筒，說明橡皮泥的體積可求得，所以我們可以從質量除以體積這個公式入手，而質量如何測量呢？當一個物理量無法直接測量時，往往可尋找與之有關系的物理量間接測量，這就是實驗設計的思維在此處的應用。于是我們想到重力與質量間的聯系。這樣的思維其實也體現了課程總目標中提到的學習一定的物理基礎知識，養成良好的思維習慣，在解決問題或做決定時能嘗試運用科學原理和科學方法。那么，繼續思考重力大小如何測量呢？一樣要利用間接測量的思維方法，在有水的情況下，只要物體漂浮，那么重力和浮力就相等，于是想到讓橡皮泥漂浮，方法就是捏成碗狀，此時的浮力可利用阿基米德原理的展開式求得。

完成了思路分析，我們便可以進行第二步，就是在思路分析中尋找直接測量的物理量；從思路的第一條橫向分支，我們明確了要測橡皮泥質量，就要先測出V1和V2，從第二條分支，明確了若要測橡皮泥的體積，就要再測V3，于是，要直接測量的物理量有三個。

第三步，就是利用需要直接測量的物理量確定實驗步驟。該實驗的步驟可分為三步：①往量筒中倒適量水，讀出水的體積V1；②將橡皮泥捏成碗狀，使其漂浮于量筒的水中，記下液面對應的示數V2；③將橡皮泥捏成實心球狀，使其沉于量筒的水中，記下液面對應的示數V3。

2.4 積極思考，將知識進行遷移、拓寬

一道開放性實驗設計題的價值不光體現在學生能否有效的將課本的知識遷移到題目中，還體現在能否進一步地引申發展成為另一個新問題。

例如在上述測橡皮泥密度的實驗設計后，教師能否拋出這樣的問題引發學生的思考：還有哪些物體的密度可以用量筒這一種測量工具進行測量？也就是能用該方法進行密度測量的物體要具備什么特點？通過討論，似乎答案仍沒有浮出水面。于是，我在黑板上寫了：“可 可 ”這行字讓學生進行填空，每條橫線只能各填一個字。頓時，學生們的思維被打開了，一個學生說到可以漂浮，才能利用浮力求重力，第一空填“漂”，接下來，第二空的答案馬上被揭開，是“沉”，因為只有浸沒，才能測體積。學生沉浸在猜字的喜悅中，我又發問：考古學家在墓堆里發現了一個玉質的小酒杯，你能利用量杯測出它的密度嗎？由于剛才的“可漂可沉”四個字深入人心，學生馬上說出先讓酒杯開口向上漂浮于水中，再讓它浸沒水中；我又問：小木塊的密度會測嗎？木塊“可漂”，可以利用針壓法讓其浸沒，同樣可以測出它的密度。

新課程強調教學過程是師生交往、共同發展的互動過程[3 ]。通過一個個問題的拋出，學生深刻地理解了利用量筒測密度可應用在哪些物體上，更重要的是，學生的思維得到了遷移和拓寬。

總之，在日常的教學活動中，教師如果能正確處理好傳授知識與培養能力兩者關系，那么，這對促進學生的全面發具有十分重要而現實的意義 [4 ]。

我相信，只要能在平時效仿撒鹽喝湯的做法，那么，久而久之，學生們將不再懼怕實驗設計，而是能充分領略到它的魅力。

參考文獻：

[1] 陳友道.中學物理設計性實驗案例研究[M].北京：人民教育出版社，2005.

[2] 楊寶山.我國高中物理課程教學大綱變革的歷史回顧[J].教育史研究，2007.

[3] 教育部基礎教育司.走進新課程：與課程實施者對話[M].北京：北京師范大學出版社，2009.

[4] 唐中華.課堂教學互動方法研究.高教研究[J].西南科技大學學報，2007.