淺析初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力

蘇美秋

摘? ?要：發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)能力和發(fā)展需要是新時(shí)代教育的中心目標(biāo)?？茖W(xué)探究是學(xué)習(xí)物理的主要方法，實(shí)驗(yàn)探究是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力的主要途徑，而想要真正帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷探究實(shí)驗(yàn)過程，落實(shí)物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，只有讓學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，才能積極高效地參與到實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；科學(xué)探究；學(xué)生實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

引言

科學(xué)探究活動(dòng)是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出問題、形成猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案、獲取與處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并做解釋[ 1 ]。而實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是決定實(shí)驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵一環(huán)，它是在對(duì)探究問題有了猜想之后，就有了明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模鶕?jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，明確取得證據(jù)的途徑和方法，確定收集證據(jù)的范圍和要求，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，制定出實(shí)驗(yàn)計(jì)劃[ 2 ]。它包含的內(nèi)容有：實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)；需要測(cè)量哪些物理量；這些量測(cè)出后怎樣分析處理；以及測(cè)量這些量所需要儀器和器材；儀器的精度要求和材料的要求與技術(shù)處理等等（當(dāng)因素較多時(shí)，常采用控制變量法來研究）[ 2 ]。

1? 初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的必要性

2001年我國課改就提出要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，盡管過去了二十幾年，但由于教育資源的不均衡，尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)，很多學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)還停留在表面，科學(xué)探究也是流于形式。就分組探究實(shí)驗(yàn)來說，每次實(shí)驗(yàn)課前，教師還是習(xí)慣花相當(dāng)長的時(shí)間，面面俱到地講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、儀器、操作步驟以及注意事項(xiàng)，然后學(xué)生才依照現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)步驟機(jī)械地完成實(shí)驗(yàn)，有些學(xué)生甚至草率實(shí)驗(yàn)，隨便湊幾個(gè)數(shù)據(jù)。這樣的所謂的實(shí)驗(yàn)探究課已經(jīng)脫離了新課標(biāo)所要達(dá)成的探究意義，頂多只能算是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是學(xué)生不明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，不理解?shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)內(nèi)驅(qū)力不足。而如果想要真正帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷探究實(shí)驗(yàn)過程，落實(shí)物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，只讓學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模e極地參與實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，才能主動(dòng)、高效地讓學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中。

2? 初中物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則

2.1? 科學(xué)性原則

物理實(shí)驗(yàn)要客觀、真實(shí)地反映和揭示物理概念和物理規(guī)律，因此，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)應(yīng)該以客觀規(guī)律為基準(zhǔn)，不能選擇有悖于科學(xué)性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[ 3 ]。像在探究串聯(lián)電路電壓規(guī)律時(shí)，如果將開關(guān)接在兩燈泡之間，在測(cè)量單個(gè)燈泡的電壓時(shí)，有的學(xué)生會(huì)直接測(cè)量單個(gè)燈泡的電壓，而有的又會(huì)測(cè)量開關(guān)和其中一個(gè)燈泡的總電壓，然而在測(cè)兩燈泡的總電壓時(shí)往往又會(huì)發(fā)現(xiàn)有的學(xué)生會(huì)測(cè)量兩燈泡和開關(guān)的總電壓，這樣就有可能造成兩燈泡兩端的總電壓不等于各自兩端的電壓之和。殊不知開關(guān)、接線處等由于接觸不良會(huì)分得較大的電壓，所以，在設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，盡可能將開關(guān)移到兩燈之外，測(cè)量兩燈總電壓時(shí)盡量不包括開關(guān)。

2.2? 簡單性原則

對(duì)于初中生來說，不管是要探索某個(gè)物理現(xiàn)象，還是要驗(yàn)證某個(gè)物理規(guī)律，實(shí)驗(yàn)過程中選用的器材和方法應(yīng)盡可能簡單。像在探究壓力作用效果與什么因素有關(guān)時(shí)，可以利用礦泉水瓶、氣球、書包、文具等日常用品做實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)器材的選擇上更簡潔、更接地氣，揭開物理實(shí)驗(yàn)的神秘面紗，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。

2.3? 自主性原則

物理實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生通過交流討論，自主設(shè)計(jì)，可以根據(jù)自己的需要，是利用純文字還是文字加圖，又或者是利用純圖，不用拘泥于固定的格式，只要能清楚的描述出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的可行性，有力地保障實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，這就是一份成功的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。像在探究“凸透鏡成像規(guī)律”時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)凸透鏡有關(guān)鍵點(diǎn)（焦點(diǎn)），因此，有些學(xué)生通過討論發(fā)現(xiàn)可以以焦點(diǎn)作為參照點(diǎn)，以焦點(diǎn)以外和焦點(diǎn)以內(nèi)分開進(jìn)行探究，也有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)用圖像可以更清晰、直觀地描述出實(shí)驗(yàn)步驟和方法等，這時(shí)，教師可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行指導(dǎo)或者是提供交流平臺(tái)，在交流中學(xué)生的思維火花激烈碰撞，學(xué)生的探究欲望空前高漲。

2.4? 安全性原則

設(shè)計(jì)的任何實(shí)驗(yàn)都要考慮到學(xué)生的動(dòng)手能力、心理意志和環(huán)境安全等因素[ 3 ]。像“探究速度的變化”時(shí)，不能將學(xué)生帶到車流多的地段去實(shí)地測(cè)量或者是讓學(xué)生從陡坡騎自行車往下沖；做電學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，要控制好電壓；做熱學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果用到熱水、酒精燈，教師要統(tǒng)一管理，并在周邊備好浸濕的毛巾和其它的消防設(shè)備。

3? 初中物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本步驟

3.1? 明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

引導(dǎo)學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，確定要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量什么物理量，或者是要利用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證、探索什么物理規(guī)律。對(duì)于測(cè)量性實(shí)驗(yàn)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮?，弄清是該用直接測(cè)量還是間接測(cè)量方法，如果是直接測(cè)量，該選用什么測(cè)量工具，如果間接測(cè)量，應(yīng)利用什么原理，再間接測(cè)出哪些物理量，選出合適的測(cè)量工具。對(duì)于驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，要聯(lián)系所學(xué)知識(shí)，明確所要驗(yàn)證的物理量與相關(guān)物理量之間的定量關(guān)系，弄清實(shí)驗(yàn)要測(cè)定的物理量。對(duì)于探究性實(shí)驗(yàn)，要廣泛、發(fā)散地思考，聯(lián)系相關(guān)的物理現(xiàn)象，看看該物理現(xiàn)象投射出哪些相關(guān)的因素，它們之間可能存在著什么關(guān)系，再確定適宜的實(shí)驗(yàn)方法。例如在探究“電阻大小的影響因素”時(shí)，教師利用課件播放家庭電路中用到了銅導(dǎo)線，高壓電線用到了鋁絞線，開關(guān)觸點(diǎn)甚至用到了銀，教師還可以繼續(xù)播放課件，展示大山深處一戶架設(shè)了細(xì)長導(dǎo)線的人家，他家的電燈總是比別家相同規(guī)格的電燈暗了好多等等。學(xué)生根據(jù)畫面就很容易猜出電阻的影響因素有可能是導(dǎo)體的材料、長度和橫截面積。這樣，學(xué)生就明確了該用控制變量法去探究每個(gè)因素跟電阻的具體關(guān)系。

3.2? 確定實(shí)驗(yàn)方法、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案

初中物理實(shí)驗(yàn)主要用到的方法有：控制變量法、等效替代法、轉(zhuǎn)換法 、實(shí)驗(yàn)推理法（理想實(shí)驗(yàn)法）、類比法、物理模型法（理想模型法）等等。在學(xué)生明確了實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹螅M(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生弄清實(shí)驗(yàn)中所需的方法，像在“科學(xué)探究：物質(zhì)的比熱容”時(shí)，利用生活實(shí)例，設(shè)置情境，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到物質(zhì)的吸熱能力可能跟物質(zhì)種類、物質(zhì)質(zhì)量和升高的溫度都有關(guān)系，因此，實(shí)驗(yàn)中得控制變量。緊接著又引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到熱量測(cè)量的困難，從而得出利用轉(zhuǎn)換法，用加熱時(shí)間來反映物體吸熱的多少。最后再引導(dǎo)學(xué)生一步步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案：用電加熱棒比用酒精燈好（好控制）；對(duì)水與煤油加熱比對(duì)水與沙子加熱好（受熱均勻）；用相同的燒杯等等。

4? 引導(dǎo)學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要收放有度

初中物理教學(xué)中只有少部分探究實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以獨(dú)立完成。如在探究“磁極相互作用”時(shí)，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過了“電荷的相互作用”后就很容易理解實(shí)驗(yàn)如何操作，這時(shí)教師就可以全盤放手，讓學(xué)生自己獨(dú)立地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。但是大部分的物理探究實(shí)驗(yàn)都有一定的難度，教師如果全盤放手，想要讓學(xué)生純粹依靠自己設(shè)計(jì)出有效的實(shí)驗(yàn)方案，并將實(shí)驗(yàn)方案具體化，對(duì)于初中學(xué)生來說這基本上是不可能完成的。如果這樣，往往會(huì)出現(xiàn)的是要么依照課本、按圖索驥、照搬程序、機(jī)械實(shí)驗(yàn)，要么是無從下手、盲目實(shí)驗(yàn)。因此，教師要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，設(shè)置科學(xué)合理的問題情境，一步步地引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)方案。例如：像“科學(xué)探究：速度的變化”時(shí)，由于這是學(xué)生進(jìn)行的第一次接觸物理科學(xué)探究，所以教師要把每一個(gè)問題掰開、細(xì)化，直到學(xué)生明白：什么是實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；什么是?shí)驗(yàn)原理；什么是實(shí)用方案；如何設(shè)計(jì)方案等。

下面就以“科學(xué)探究：速度的變化”這節(jié)課來講解如何引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。

提出問題：汽車在一段筆直的高速公路行駛時(shí)速度會(huì)變化嗎？你如何判斷？（用課件播放視頻）

提問引導(dǎo)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：

蹦極的人從高空墜落時(shí)速度變化嗎？（課件播放視頻）

在拉力繩未拉開前，你可以用什么方法來判斷速度是否變化？

如果用頻閃相機(jī)在這段時(shí)間內(nèi)對(duì)人進(jìn)行拍照，用該照片與物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)的照片進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)什么不同？（勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體每相鄰的兩次照片位置距離相等，拉力繩未拉伸前人每相鄰的兩次照片位置距離不相等）

如果把拉力繩未拉伸前，人下落的這段路程分為相等的上下兩端，這兩段的速度會(huì)相同嗎？（不同）

根據(jù)v=s/t，在實(shí)驗(yàn)室里，如何利用前面所學(xué)的長度和時(shí)間的測(cè)量來探究物體速度的變化？如何讓路程（長度）和時(shí)間的測(cè)量更加準(zhǔn)確？（學(xué)生討論）

在實(shí)驗(yàn)室，研究空中墜落的物體好還是研究從斜面下滑的物體好？（斜面好）

根據(jù)以上設(shè)置的一個(gè)個(gè)層層深入的情境問題，學(xué)生漸漸明晰了實(shí)驗(yàn)該怎么探究下去，這樣引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)記錄表格的設(shè)計(jì)也就水到渠成了。

還有些實(shí)驗(yàn)，教師要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，該放就放，該收就收，做到收放自如。例如：在“科學(xué)探究：怎樣產(chǎn)生感應(yīng)電流”時(shí)，教師利用課件播放了發(fā)電站發(fā)電機(jī)的工作視頻，讓學(xué)生知道發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)需要消耗機(jī)械能，學(xué)生在學(xué)過了電動(dòng)機(jī)為什么轉(zhuǎn)動(dòng)的基礎(chǔ)上就很容易知道，只有讓導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)才有可能產(chǎn)生電流，這時(shí)教師就可以放手讓學(xué)生先試著自己去完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探索，發(fā)現(xiàn)電流表指針有時(shí)候會(huì)偏轉(zhuǎn)，有時(shí)候不偏轉(zhuǎn)；指針有時(shí)候左偏，有時(shí)候右偏。接下來，教師可以引導(dǎo)學(xué)生去回顧、思考：指針偏轉(zhuǎn)不同，相應(yīng)的導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向是否也不同。然后，教師再引導(dǎo)學(xué)生思考：導(dǎo)體可以有幾種運(yùn)動(dòng)方向。最后，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)出完整的實(shí)驗(yàn)方案。這樣，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有放有收，不但培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力，同時(shí)又降低了學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的難度。學(xué)生從實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中獲得了成功的喜悅，為后面實(shí)驗(yàn)的順利探究提供了有效的保障。

5? 結(jié)語

“謀定而后動(dòng)，知止而有得”，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要緊隨時(shí)代的腳步，立足課堂，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，有效地提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，這樣，才能將培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)落到實(shí)處。

參考文獻(xiàn)

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［3］ 何小敏.初中物理實(shí)驗(yàn)的一般原則與特殊原則〔J〕.試題與研究，2022（16）：73-74.