談學生實驗設計能力的培養

摘要：一個完整的探究式學習大致包括七個要素，“實驗設計”是其中的一個重要要素.本文擬從“如何培養學生的實驗設計能力，實驗設計時應注意哪些問題”來闡述學生實驗設計能力的培養.

關鍵詞：實驗設計能力；思維程序；注意問題

作者簡介：薛福成（1966-），男，中學一級教師，研究方向：物理教育教學.所謂實驗設計能力，就是學生運用已具有的物理知識和實驗技能，構思出解決問題方案的本領.一般來說，一個完整的探究式學習大致包括七個要素，即：提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗與收集數據、分析與論證、評估、交流與合作.“實驗設計”是其中一個重要的要素，它是實現《課程標準》中“過程與方法”目標中培養學生“信息收集和信息處理能力”的渠道，是科學探究能否實現的必要條件， 是培養學生創新意識和創造能力、檢驗“探究式教學”與“研究性學習”效果如何的較好題型和有效途徑.

根據學生在認知過程中的作用實驗設計題主要有：探索性實驗設計、創造性實驗設計和驗證性實驗設計三類.

1培養方法

11思維程序

如何培養學生的實驗設計能力，需要告訴他們設計的方法.因為方法的掌握可以說是能力形成的一種標志.掌握的方法多，意味著能力高；掌握的方法少，意味著能力低 .方法分為兩類，一類為“程序化的方法”，是由許多環節、要素組成的操作過程，簡稱為“過程”；另一類就是解決具體問題的具體化方法，簡稱為“方法”.這兩者可以合稱為“過程與方法”.因此，要培養學生的實驗設計能力，就應該在課堂教學中培養學生掌握各種相應的方法.

這二類題目的實驗設計，其實質都是根據實驗題目，明確提出的問題，運用已具備的物理知識或實驗技能，有時甚至是根據實驗題目所給的信息或提示，構思出解決該問題的方案.

這一思維過程，可按如圖所示的程序進行.

12實例分析

下面結合具體實例，對其思維程序作簡要分析.

例題老師給小明同學如下器材：一只較粗的平底試管、一些小石子、一只杯子、水、刻度尺.請小明設計一個可直接測定（粗略）液體密度的裝置.小明犯了難，請你幫他設計一下，寫出設計過程及使用方法.

思維程序分析這是一道創造性實驗設計題.該類題目具有一定的難度，需要學生具有一定的綜合能力以及知識遷移能力，方可解決問題，因此該類題目宜放在掌握了探索性實驗設計和驗證性實驗設計后再進行.

（1）明確問題

將一試管改制成可以測液體密度的裝置.

（2）構思實驗假設

利用試管粗略測定液體的“密度”，我們知道應當通過它浸入被測液體中的“深淺”來判定.這樣，我們就必須在“密度”和“深度”兩個量之間，找到一個聯系二者的函數關系式.根據此關系式，達到解決問題的目的.

（3）知識、技能組合

根據題意，運用已學過的知識，試管中放入適量小石塊，以使其放入被測液體中漂浮，這時：F浮=G

即ρ液gV排=G

ρ液gShˊ=G

ρ液=GgSh′（h′為試管沒入被測液體中的深度）

此式就是我們要找的函數關系式.經過分析，首先要在杯內注入適量的水，將放有小石塊的試管放入水中使其漂浮.再根據上述關系，找到一組組對應數據，從而改制測量工具.

（4）方案確定

經過前三步的分析、思考、梳理，即可完成設計方案.

方案如下：

裝置改制過程：將試管中放入適量的小石子，使其能豎直漂浮在水中， 此時水面到達的試管處就是1g/ cm3（在試管壁上標定好）.然后再用刻度尺測出浸入水中的試管的深度h.

∵漂浮

∴F浮=G

即ρ水gV排=G

ρ水gSh=G

∴ρ水=GgSh

設GgS=K（常數）

則ρ水=GgSh=kh

K=ρ水h=1·h

因此，漂浮在其它液體中：ρ液=GgSh′=Kh′=hh′

這樣，根據上述關系，找到密度與深度的對應關系：

當h′=1cm時，ρ液=h（g/cm3）；

當h′=2cm時，ρ液=h2 （g/cm3）；

……

當h′=0.1cm時，ρ液=10h（g/cm3）；

當h′=0.2cm時，ρ液=5h（g/cm3）；

……

按上述對應關系在試管外壁上標好密度刻度盤.

使用方法：將裝有適量石子的試管放入被測液體中，根據液面到達的刻度，從密度刻度盤上便可直接讀出被測液體的密度.

2設計時應注意的問題

（1）科學合理性

實驗設計的原理、程序以及方法等，都必須與物理知識的科學性和實驗操作的合理性相一致.

（2）簡約性

實驗的設計等需盡可能的采用簡單的儀器或裝置，用較少的實驗步驟，用較短的時間來完成實驗.這就是實驗的“簡約性”.

（3）安全性

實驗的設計在操作中，要盡量避免危險.另外，所選藥品要盡量避免有毒藥品.如，水銀等.

（4）效果明顯性

就是按照你設計的實驗進行操作或改造的裝置進行使用時，產生的現象等要明顯、直觀，便于觀察與記錄.

（5）多樣性

就是設計的方案可以是多種多樣的，并非唯一.