探索性实验设计的几个原则

根据探索性物理实验的设计思想，结合我们具体设计中的体会与经验，我们认为有必要进一步制订探索性实验的设计原则。这是因为，设计原则的制订则会对设计的指导更臻于具体，并对探索性实验的设计选题、设计思路等方面给予理论指导，从而指导我们设计出符合学生认知水平发展的实验来。

一、探索性原则

探索性原则是指：所设计的实验包含的物理规律往往隐藏在较深的层次，需要学生去挖掘；实验的条件和结果之间往往存在着较大的距离，需要学生去跨越；解决问题的方法与途径往往不太明确，需要学生通过尝试错误，提出假设并验证假设来寻找。探索性实验作为一种发现学习活动，首先需要学生进行深入仔细的观察，并对外界输入信息和刺激进行过滤，唤起并指引注意做出有选择的记忆检索，并结合输入信息进行评价，从而提出假设，进行试误性尝试，以便检验假设。这样，学生在解决问题的过程中，不仅能学会并形成一定的认知策略和技巧，同时也激发了他们的智慧潜力，并有助于形成内在的学习动机。因此，探索性实验的性质本身要求我们的设计要在条件与目的之间设置“障碍”，学生在越障的过程中，实际上是通过思维的中介在条件与目的之间架起一座认知“桥梁”。皮亚杰认为，引起儿童认知上的冲突，引起最佳或最大限度的不平衡，才能激发儿童的求知欲和好奇心。按照他的平衡学说，冲突是认知结构重新组织和随后发展的基础。

二、趣味和实用性原则

探索性实验的设计要充分考虑学生的心理特点和认知水平，实验设计要求生动、有趣，能使学生在进行实验探索时，自始至终保持很高的兴趣。在探索性实验设计中强调趣味性原则是因为，探索性实验作为一种学习活动，不能依靠教师的督促使学生完成，而要通过设计良好的实验本身来激发学生的兴趣，使学生从好奇出发，进而发生兴趣，只有这样，才能使学生自觉自愿地参与实验探究活动。探索性物理实验的设计不仅有观察、测量的过程，而且需要建立物理模型，对实验的现象和结果用根据物理模型得出的表达式进行解释，从而培养学生运用理论解决实际问题的能力。

在设计中提出这一原则的理由是：多年来我们对物理实验的教学功能缺乏深入的研究，存在着一种普遍的观点，认为实验是附属于论、服务于理论的手段。实验的目的和作用常被归纳为正确观察、测量、读数和记录数据。根据实验数据验证物理规律。其实，物理实验不仅仅是用作训练技能，验证规律，而且它也是探索物理现象和规律的手段之一。它与物理理论相伴而行，密不可分。

提出理论联系实际原则的理由还在于：物理模型在学生的探究过程中还有三种功能。①它具有相关功能。它以合理的方式把我们研究的物理现象和结论联系在一起。②它具有解释功能。物理模型可用来说明或解释观测现象和得出的结论。③它具有启发功能。它能提出进一步研究的新假说、新问题和新实验。当学生在探究过程中认识到物理模型的上述功能后，就会逐步走出观测资料和实验归纳的局限，接受并学会提出和检验物理模型的方法。

例1 城市路灯光控开关。

设计要求：天黑时灯自动亮，天明时则自动熄灭

例2 温度报警器（热敏电阻式报警器）。

设计要求：某环境温度达到一定高时报警器响

例3 自动收衣架。

设计要求：下雨时自动收衣架

三、简易性原则

实验的设计要尽可能采用较少的仪器，所使用的仪器要尽可能简单，设计的选题要尽可能与日常生活实际相联系，实验的原理要尽可能在高中物理范围之内。这就是简易性原则。麦克斯韦在评价简单仪器时曾说过：“这些实验的教育价值，往往与仪器的复杂性成反比，学生用自制的仪器虽然经常出毛病，但他却会比用仔细调整好的仪器学到更多的东西。仔细调整的仪器学生易干依赖，而不敢拆成零件。”这很好地说明了简单仪器特有的教育价值。

采用简单的器材还容易突出实验的物理原理，而不为那复杂的结构所干扰，因而能获得更好的效果。事实上，实验的效果往往与仪器的复杂程度成反比。比如，我们设计的“探索热水瓶的保温性能”实验，所使用的器材仅是一只温度计（100℃），而其研究对象却是家家都有的热水瓶。要求学生探索热水瓶内的热水温度（T）与时间（t）的函数关系T＝f（t）。这个实验由于器材简单、情境活泼，很容易激发学生的兴趣。并且易于突出其物理本质，又富于探索性。这样的实验设计较好地体现了探索性实验的特点。

四、科学性设计原则

在探索性物理实验的设计中，首先，必须保证实验的设计不出现科学性错误，这是最根本的要求。其次，实验设计要具有科学思想和科学方法的教育因素。还是以前面的设计为例，设计前要明确与非门的基本理论。

科学性原则在实验设计中的要求还在于，把科学的物理思想和方法渗透到设计之中，使学生在解决探索性实验的过程中，形成科学的物理思想，学会并运用科学的方法解决问题。比如，通过观察、比较、判断、推理提出假设的思想，以及把误差分析应用于实验之中的思想。还有应用图像法处理实验数据的方法，以及由此而产生的“曲线改直”，内推、外推的方法，提出物理模型，建立经验公式的方法等等。这些思想与方法都有很好的科学性与思想性，在学生解决问题过程中，起着一种诱因或刺激作用，引导着他们去思考、去发现，从而使探索性实验真正起到培养科学思想与方法的目的。

(作者单位系江西鹰潭四中)