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        “實驗設(shè)計”的評估、改進和優(yōu)化

        2006-12-31 02:57:08左清平
        物理教學(xué)探討 2006年23期
        關(guān)鍵詞:實驗設(shè)計改進評估

        左清平

        摘 要:科學(xué)評估是實驗設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié),學(xué)生在實驗設(shè)計中,教師應(yīng)該關(guān)注設(shè)計過程,在師生合作中引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會:正確選擇器材,應(yīng)用科學(xué)的方法、盡可能的減小誤差,設(shè)計可操作的方案等。本文論述如何學(xué)會評估、學(xué)會改進,在評估中改進、在改進中創(chuàng)新,從而設(shè)計出優(yōu)秀的實驗方案。

        關(guān)鍵詞:實驗設(shè)計;評估;改進;優(yōu)化

        中圖分類號:G633.7 文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1003-6148(2006)12(S)-0056-2

        在科學(xué)探究中,一個優(yōu)秀的實驗設(shè)計,可以讓學(xué)生輕松經(jīng)歷真實的科學(xué)探究、構(gòu)建正確的知識體系,提高科學(xué)探究的效率。那么,在教學(xué)中如何引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出優(yōu)秀的實驗方案呢?要學(xué)會評估、學(xué)會改進,在評估中改進、在改進中創(chuàng)新,從而設(shè)計出優(yōu)秀的實驗方案。筆者在教學(xué)中,對如何引導(dǎo)學(xué)生評估、改進實驗設(shè)計,有些膚淺的認(rèn)識和做法,愿與各位同行商榷。

        1 器材的選擇是否合理。

        即器材的選擇是否符合精度,實驗是否能正常進行,得出科學(xué)的結(jié)論。

        例1 小李想通過實驗探究本地大氣壓究竟有多大,他設(shè)計的方案是:將蘸水的塑料掛衣鉤的吸盤按在毛玻璃板上,擠出里面的空氣,用彈簧稱鉤著吸盤掛鉤緩慢向上拉,直到吸盤脫離玻璃板,記錄剛拉脫時的拉力,這就等于大氣壓對吸盤的壓力,然后依據(jù)p=F/S求出大氣壓。他選用的器材是:量程為10N的彈簧秤,底面積為10cm2的吸盤。請評估他選用器材是否合理?

        評估分析 從理論上說,該方案的設(shè)計是可行的,但所選的器材不能測出本地大氣壓的值。因為據(jù)p=F/S得F=pS≈105Pa×10×10-4m2=100N。超出了測力計的量程,應(yīng)該更換測力計或換用面積更小的吸盤。另外毛玻璃太粗糙,吸盤內(nèi)的空氣不能排盡,吸盤與玻璃板脫離時的面積可能小于10cm2,都會給實驗帶來很大的誤差,都是設(shè)計該實驗時必須考慮到的。

        2 是否較好的應(yīng)用了控制變量法等科學(xué)研究方法。

        在實驗設(shè)計中會用到許多科學(xué)方法,其中控制變量法是經(jīng)常用到的方法,學(xué)生在設(shè)計實驗時常會顧此失彼,因此這是評估改進的一個重要內(nèi)容。

        例2 在探究通電螺線管的磁性強弱與哪些因素有關(guān)時,小王猜想與,A.電流大小有關(guān);B.線圈的匝數(shù)有關(guān);C.線圈的形狀有關(guān)。在驗證猜想B時他設(shè)計了這樣的方案:把一長根細漆包銅絲分別在半支鉛筆和新鉛筆上一匝挨一匝繞了50匝和100匝,然后串聯(lián)在兩節(jié)干電池上,閉合開關(guān)后,發(fā)現(xiàn)兩個螺線管吸起的大頭針的個數(shù)差不多,因此他說“通電螺線管磁性的強弱與匝數(shù)無關(guān)”,在組與組間交流時他發(fā)現(xiàn)與同學(xué)們的結(jié)論不一樣,你認(rèn)為他的實驗方案有什么問題?應(yīng)該怎樣更正?

        評估分析 小王沒有控制螺線管的外形一樣。雖然通過串聯(lián)控制了電流一樣,但是由于繞在長短不同的鉛筆上,使其外形長短不同,二螺線管的漏磁情況不同,導(dǎo)致兩端的磁性差不多。更正:將50匝和100匝的細漆包線分別繞在長短一樣的鉛筆上。

        3 實驗設(shè)計是否盡可能減小了實驗誤差。

        實驗設(shè)計中選用精度高的儀器,多次測量取平均值以及改進實驗方法等都會有效減小實驗誤差。

        例3 為了測量100kg玉米種子的粒數(shù)N,甲的測量方法是:先用分度值是50g的桿秤測量出50g玉米,求出單粒質(zhì)量m,再根據(jù)N=100kg/m求出粒數(shù)N;乙的測量方法是:先用天平測出10粒種子的質(zhì)量M,求出單粒質(zhì)量m=M/10,再據(jù)N=100kg/m求出粒數(shù)N;丙的方法是:先用天平稱出100粒種子的質(zhì)量M,求出單粒質(zhì)量m=M/100,再據(jù)N=100kg/m求出粒數(shù)N,請分析三個人的測量方法誰的最好?

        評估分析 甲選用的桿秤精度不夠,乙選用的樣本粒數(shù)太少,都會有很大的誤差,只有 丙的方法最好。

        4 實驗方案是否具有可操作性。

        有些實驗方案從理論上說是可行的,但實際上不具備可操作性,最終導(dǎo)致科學(xué)探究失敗。

        例4 小李用電能表(600r/kW.h)測一只“220V 100W”的舊電燈泡的實際功率時,他是這樣設(shè)計的:只讓這只燈泡工作,工作一分鐘之后停止計時,記下表盤所轉(zhuǎn)的圈數(shù)n,算出電功率P=n/10(kW),請對該方案進行評估。

        評估分析 這個方案理論上說是可行的,但是舊的“220V 100W”的電燈泡的實際功率小于100W,即只有這顆燈泡工作時,電能表1min所轉(zhuǎn)圈數(shù)小于1圈,實際上是不可測量的——不具有可操作性。如果他把測量時間延長到10min或更長時間,并且讓電能表轉(zhuǎn)整數(shù)圈,才可操作。

        5 分析論證、處理數(shù)據(jù)的方法是否科學(xué)。

        例5 下表是小李同學(xué)在測量小燈泡電阻的實驗中設(shè)計的記錄數(shù)據(jù)的表格

        根據(jù)設(shè)計的表格可見,他設(shè)計的處理數(shù)據(jù)的方法是:①利用歐姆定律求電阻,②通過求平均值減小實驗誤差,請問他設(shè)計的處理數(shù)據(jù)的方法科學(xué)嗎?

        評估分析 由于小燈泡的電阻隨溫度的升高而增大,所以計算它的平均電阻是沒有意義的,相反這一欄的設(shè)計,會干擾學(xué)生發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的電阻與溫度的關(guān)系,所以在表格設(shè)計中不應(yīng)該加這一欄。

        6 依據(jù)設(shè)計的實驗所得結(jié)論是否具有普遍性。

        例6 張華同學(xué)在探究串聯(lián)電路的電壓規(guī)律時,他選取了兩只完全一樣的燈泡和其它合適的器材,請問他用所選的器材能夠得到科學(xué)的結(jié)論嗎?

        評估分析 用科學(xué)探究的方法構(gòu)建知識體系,必須采用由特殊到一般的思維推理方法,所以在設(shè)計實驗時,所選的器材必須具有一般的代表性,才能得到具有普遍性的結(jié)論。張華在設(shè)計這個實驗時選用了兩個完全一樣的燈泡,這兩個燈泡在電路中的分壓相等,勢必得到“串聯(lián)電路中用電器均分電壓”的錯誤結(jié)論,應(yīng)該換用不同規(guī)格的燈泡來做這個實驗。

        7 所設(shè)計實驗操作時是否安全。

        選擇了有毒有害的器材沒有,實驗過程中是否會有易燃易爆等不安全的現(xiàn)象發(fā)生。

        例7 小王同學(xué)在設(shè)計探究比較不同物質(zhì)的吸熱能力的實驗時,他選擇了兩個完全一樣的電加熱器、廣口保溫杯,老師給他提供的加熱對象中有:水、沙子、細鐵屑、煤油、汽油、濃鹽酸、食用油、陶瓷屑。請你幫他選擇兩種最適合的加熱對象。

        評估分析 從安全的角度考慮,煤油、汽油、細鐵屑、濃鹽酸、食用油均不得入選,選

        擇水和陶瓷屑是最合適的。

        上述實例是在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗時,常見的典型錯誤,這些錯誤干擾了學(xué)生經(jīng)歷真實的探究過程,甚至得出錯誤的結(jié)論。筆者認(rèn)為,教師在引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗時,主導(dǎo)地位體現(xiàn)在積極的參與設(shè)計、評估設(shè)計,關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程,在師生合作中逐漸引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會評估、改進、創(chuàng)新,提高學(xué)生的實驗設(shè)計能力,掌握優(yōu)化實驗方案的方法,從而輕松經(jīng)歷科學(xué)探究過程、提高科學(xué)探究效率、構(gòu)建正確的知識體系。

        參考文獻:

        [1]杜敏主編.《教師教學(xué)用書.物理》(八年級上、下冊 九年級).人教版

        [2]彭前程主編.《義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書.物理》(八年級上、下冊 九年級).人教版

        (欄目編輯王柏廬)

        編后語:2006年即將渡過,在過去的一年中,本刊發(fā)表了幾百篇稿件,論及中學(xué)物理教育和教學(xué)工作的方方面面,不少文章非常優(yōu)秀。在歲末,我們衷心地感謝廣大作者對我國物理教育事業(yè)的忠誠,對提高教學(xué)水平的執(zhí)著,無私的奉獻精神和對本刊的大力支持……因而,我們能向全國物理教師們奉獻豐富多采的教學(xué)資源,得到廣大讀者們的厚愛。希望在新的一年中,我們能與物理教育界的同仁們繼續(xù)攜手共進,更上一層樓。順祝朋友們新年快樂。

        <注>:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文

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