学生“设计实验”能力的培养

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089 (2012)01-0033-02

设计实验需要一种组合不同部分而形成的整体能力，按布鲁姆关于知识领域学习水平分类，属一种较高级别的“综合” 能力。这种能力代表了实验活动较高水平，是活化知识、进行创造性活动所必须具备的一种能力，与发散性思维能力、敏锐的观察力、丰富的想象力以及情感、意志、兴趣等心理品质密切相关。它针对某些现有的实际情况或根据某些具体的要求设计出合理有效的实验，包括对实验原理的理解、原理图绘制、仪器的选择、实验步骤的制定，表格的设计和数据的处理，及对实验装置的操作。

1 从教材中许多著名的实验里寻找设计思想

每个实验都有其各自的设计思想，有些实验要从实验结果充分说明被验证规律出发，而有些实验则以探索所研究物理量之间的关系出发。一个成功的实验，其设计思想总包含着对已有知识的灵活应用与创造性的科学构思。许多著名的实验，其设计思路是极为巧妙而又有独到之处的。科学家完成一个成功实验需要经历曲折的探索、设计过程。因此可通过引导学生领会前人实验的设计思想，体验科学家所经历的探索过程，提高学生对实验设计的意识，从而培养学生设计实验的能力。

2 从教师对演示实验的改进中体验设计意图

做好演示实验可以使学生更好地掌握概念、理解规律。实验效果的好坏，直接影响到结论的可靠性，从而影响学生对该知识的接受。为提高实验效果，根据教学的实际情况及现有的条件，我们会对某些演示实验进行一些必要增删和改进。教学中通过对新增实验的原理讲解和改进后实验与原实验的对比，引导学生对实验设计的深刻思考，并让学生领悟其中的设计意图。

有些演示实验，照搬教材效果并不好，但对其稍加改进其效果就大不一样。如做受迫振动演示时，可先照教材做一遍，学生发现振子难以达到稳定状态，再叫一位学生上来操作，情况也类似，然后教师提问学生：做好实验的关键在哪里，有办法改进吗?让学生探讨后，教师再从器材篮内取出一只装水的烧杯，将振子浸入水中增加阻力，这时摇动手柄，振子就会较快地进入稳定状态，且在水中看有放大的效果。对比前后两次实验，学生会发现有时改进实验的装置并不困难，只要把新学的知识和技能灵活应用，就会收到较好的效果。

从现行的教学体制改革和世界发展的趋势来看，对物理演示实验要求精炼、典型化，要克服以教师表演为主的实验。一些演示实验可改成边学边实验和实行学生分组实验。所以教师对教材中的某些演示实验进行改进，从实验的具体设计介绍，到学生成功的演示实验，学生体会到设计成功实验仍需要知识和技巧的灵活运用，需要创造性的独立思考和探索。

3 从照着教材做实验逐步过渡到能做部分实验设计

设计实验是一种高水平的实验活动，其对应着一种较高级别的综合能力。它的掌握要建立在一定的理论知识和实验实践的基础上，并在相应水平上反复训练。作为一项能力培养的目标，要求督促学生更自觉、更有目的的做好每一个实验。现行的教材中提供了一定数量的学生分组实验，大体可分为四类，即：基本仪器使用、测定物理量、验证类和探索类实验。教师针对同类实验的共性，找出共同之处，明确要求进行系统的、有针对的指导。让学生从基本仪器的操作、观察、分析等能力的培养中逐步使自身的创造思维和设计实验能力得到提高。

3.1 基本仪器使用实验。

这类实验在教材中占学生实验总数的四分之一。练部分常用测量仪器，例如有游标卡尺、螺旋测微器、滑动变阻器、电流表、电压表等等。这类实验要求学生明确仪器的用途，了解其构造，理解原理，掌握正确的操作方法和规则。掌握好基本仪器的使用是做好其它物理实验的基础，也是进行高水平设计实验活动必备的能力。严格规范训练，有利于学生掌握使用基本仪器的技能，有利于养成良好的实验习惯和严谨的态度。

3.2 测定物理量及验证类实验。

这类实验约占学生实验总数的三分之一。例如有：测定电源的电动势及内阻、伏安法测电阻、测定玻璃的折射率、验证牛顿第二定律、验证理想气体状态方程等等。它们的共性是通过对物理量的测量，使学生正确的理解概念和规律，理解各物理量的关系及规律成立的条件。在实验之前必须明确实验原理，这就是被应用的物理规律的具体表现。明确了原理后，需要的教材、实验的步骤安排、数据的处理就做到心中有数了。学生在实验的过程中，逐步运用常规或变通的实验办法来测定待测量的方法，并懂得寻找精确的测量方法来减少实验误差，从而学会选择实验的有关器材，这些能力的提高都对设计实验能力的培养有着积极的作用。

3.3 探索类实验V

观察凸透镜成像规律、电场中等势线测绘、连接串并联电路、观察双缝干涉现象等等，这类实验要求在学习新概念、规律之前，学生通过实验去探索物理量间的关系，从而总结出物理规律。教师在进行指导时应注意一下几点：

3.3.1 注意物理量间的关系。实验前要引导学生明确研究对象及相关联的物理知识，指出思考方向和线索，然后动手实验，让学生能动脑进行观察、思考分析。

3.3.2 注意研究方法指导。物理实验中涉及多个因素相互应变的情况，有些常规的处理法。例如凸透镜成像的规律中，物距U、焦距f、像距V；欧姆定律中的电流I、电压U、电阻R，这类实验常采用固定一个（或多个）因素不变，分别测出任意剩下两个物理量相应的变化规律。

3.3.3 注意数据的处理。实验中研究的物理量被测定的结论需要列表或画图像，应用一定的数学知识进行计算、对比，经抽象思维的逻辑整理后，找出规律。如实验出现较大误差，则需要找原因。这类探索类实验，教材中没有具体的设计方案和步骤，无法照葫芦画瓢，在教师的指导下，引导学生自己去独立思考，完成自己的“发现”，做到分析与推理相印证，理论与实践相一致，由知识的“接受者”成为知识的“发现者”。学生掌握的不是教师硬灌或教材上的死知识，而是通过自己的实验、探索、发现的是有血有肉的活知识，并从中训练和学会了探索知识的科学方法。

总之，“设计实验”能力的培养是一项漫长艰难而有意义的工作，不可能一蹴而就。它需要通过对学生实验能力的多方面、多角度的培养，循序渐进，逐步提高。