蔡曉藝 陳慧靈

摘 ? 要：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是探究性實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，影響到實(shí)驗(yàn)過程的科學(xué)性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。因而對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)尤為重要，但平時(shí)教學(xué)中因課堂時(shí)間限制等原因難以有效地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，本文介紹借助綜合實(shí)踐的平臺(tái)，拓展課堂，發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。以生活為基礎(chǔ)、以小制作為載體、以經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn)，有目的有計(jì)劃地安排活動(dòng)，在活動(dòng)過程中使學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力得到較充分的鍛煉與提升。

關(guān)鍵詞：綜合實(shí)踐活動(dòng);實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力;

義務(wù)教育的物理課程是以提高全體學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為目標(biāo)的自然科學(xué)基礎(chǔ)課程。新標(biāo)準(zhǔn)中明確提出要讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，提高學(xué)生分析、解決問題的能力。實(shí)驗(yàn)探究中最為重要的要素就是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定計(jì)劃。實(shí)驗(yàn)?zāi)芊耥樌M(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程是否科學(xué)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否可靠，都依賴于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，所以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力尤為重要。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是需要時(shí)間的，平時(shí)的課堂時(shí)間緊，未必都能留出足夠的時(shí)間讓學(xué)生充分思考與討論，且教學(xué)過程中為了保證教學(xué)進(jìn)度，不少有意義的活動(dòng)不得不舍去，這樣就導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力沒有辦法得到很好的鍛煉。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，要求學(xué)生明確探究目的和已有條件，選擇科學(xué)的方法以及所需器材。而學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并不感興趣，也就很難重視它的作用了 [1 ]?！冻踔形锢斫虒W(xué)中培養(yǎng)學(xué)生初步實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的研究》中對(duì)初步實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的現(xiàn)狀調(diào)查研究結(jié)果表明，在學(xué)生學(xué)習(xí)物理的實(shí)際能力水平中，72.7%的教師認(rèn)為最困難的是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法和步驟 [2 ]。確實(shí)如此，大部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力比較薄弱。筆者對(duì)本校初二、初三學(xué)生進(jìn)行了有關(guān)物理實(shí)驗(yàn)探究能力的調(diào)查問卷（調(diào)查對(duì)象91人），顯示85.71%的學(xué)生不能很好的完成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定計(jì)劃。

如何提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的興趣，提高參與程度，一直是我們課題組一直在思考的問題。我國(guó)2001年頒布的《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》中提出，從小學(xué)至高中設(shè)置綜合實(shí)踐活動(dòng)。綜合實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是一門基于生活實(shí)踐領(lǐng)域的課程，與學(xué)生的自身生活和社會(huì)生活有著密切的聯(lián)系。課題組嘗試?yán)镁C合實(shí)踐活動(dòng)的這種特點(diǎn)來拓展課堂，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。以下是課題組做的一些嘗試。

1 ? 以生活為基礎(chǔ)，探索新的實(shí)驗(yàn)方案

美國(guó)教育家杜威提出的教學(xué)過程的五個(gè)步驟中，第一個(gè)步驟就是給學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)課題情境，情境必須與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，使學(xué)生產(chǎn)生興趣。綜合實(shí)踐活動(dòng)就可以為學(xué)生提供這樣一個(gè)課題情境。

在學(xué)習(xí)測(cè)量物體密度時(shí)，我們開展了一次測(cè)量家中的某個(gè)物品的密度的活動(dòng)。活動(dòng)分為兩個(gè)課時(shí)。第一課時(shí)，請(qǐng)學(xué)生將他們有興趣測(cè)量的物品帶來，討論物品的測(cè)量方案。第二課時(shí)，讓學(xué)生動(dòng)手操作。首先，教師先對(duì)測(cè)量密度的原理和常規(guī)方法進(jìn)行復(fù)習(xí)。接下來，在常規(guī)方法的基礎(chǔ)上學(xué)生根據(jù)自己的物體制定自己的測(cè)量方案。在討論的過程中學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)有些物品會(huì)漂浮在水面上，有的體積比較大放不進(jìn)量筒中。這些問題如何解決？這時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生思考，固體的體積測(cè)量方法是排水法，只要能讓物體浸沒在水中，量筒中變化的體積就是這個(gè)固體的體積。對(duì)于會(huì)漂浮在水面上的物體可以用針將其壓入水里，就可以測(cè)出體積。而體積較大沒辦法放進(jìn)量筒里的物體，這時(shí)著重引導(dǎo)學(xué)生思考只需要測(cè)得排出的水的體積，也可以間接得知物體的體積。如何收集排開的水呢？學(xué)生會(huì)想到，將物體放入裝滿水的燒杯，再用一個(gè)更大的容器去盛接溢出的水。討論到這里，教師就可以引導(dǎo)學(xué)生考慮實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性問題。馬上就有學(xué)生提出了改進(jìn)方案，可以用溢水杯，將溢水杯小桶里收集到的水倒入量筒中測(cè)量體積。這時(shí)還會(huì)有學(xué)生想到，溢水杯中的水無法完全倒入量筒，水的體積沒辦法準(zhǔn)確測(cè)量。這時(shí)教師可以引導(dǎo)學(xué)生換一個(gè)角度思考，能不能去測(cè)量水的質(zhì)量，再利用ρ=，求出排開水的體積？有了初步的想法之后，讓學(xué)生分組討論，得出更加完善的實(shí)驗(yàn)方案：

方法一：①用托盤天平測(cè)出物體的質(zhì)量m0。②測(cè)出空的小燒杯的質(zhì)量m1 ③在溢水杯中裝滿水，將物體放入溢水杯中，用小燒杯盛溢出的水，測(cè)出小燒杯的總質(zhì)量m2。物體的密度表達(dá)式：ρ=ρ水。

方法二：①用托盤天平測(cè)出物體的質(zhì)量m0。②將物體放入燒杯中，在燒杯中注入一定量的水，并在少燒杯上做好記號(hào)。③取出物體，測(cè)量出此時(shí)燒杯與水的總質(zhì)量m1。④往燒杯中加水至標(biāo)記位置，測(cè)量此時(shí)的總質(zhì)量m2。物體的密度表達(dá)式：ρ=ρ水。

以上方案中，學(xué)生已經(jīng)考慮到了實(shí)驗(yàn)的可操作性和準(zhǔn)確性，但是還是存在一定的誤差。視學(xué)生的學(xué)習(xí)情況而定，還可以繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生討論是否還能進(jìn)一步減小誤差。討論出用以下方法完成體積較大的固體密度測(cè)量：

①用托盤天平測(cè)出物體的質(zhì)量m0。②往燒杯中注入一定量的水，并做好標(biāo)記。測(cè)量此時(shí)燒杯與水的總質(zhì)量m1。③將水倒出，放入物體，再往燒杯中加水至標(biāo)記處，測(cè)量此時(shí)整個(gè)燒杯的質(zhì)量m2。物體的密度表達(dá)式：ρ=ρ水=ρ水。

類似的活動(dòng)，還有測(cè)量飲料的密度，測(cè)量家用電器電阻、電功率等等。以生活為基礎(chǔ)，研究對(duì)象都是身邊熟悉的事物，因此學(xué)生們熱情高漲。不僅增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性，更重要的是拓展了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的深度。在討論的過程中不斷根據(jù)實(shí)際情況，修改實(shí)驗(yàn)方案，從中得出最佳的方案。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程中，培養(yǎng)了學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。

2 ? 以經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn)，改造實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在初中物理教材上有許多經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)，這些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)包含著設(shè)計(jì)者對(duì)物理原理和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的靈活運(yùn)用 [3 ]。綜合實(shí)踐課上，我們提供了一些經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)作為研究對(duì)象，讓學(xué)生深入挖掘，嘗試改進(jìn)。這樣活動(dòng)的關(guān)鍵在于學(xué)生一定要明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。知道?jīng)典實(shí)驗(yàn)做什么以后，嘗試著體驗(yàn)科學(xué)家的探究過程，通過思考與討論不斷地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，靈活使用實(shí)驗(yàn)器材，來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、可操作性和準(zhǔn)確性。

比如，以“王冠之謎”為線索，體驗(yàn)阿基米德原理的發(fā)現(xiàn)過程的活動(dòng)?；顒?dòng)時(shí)，應(yīng)該首先讓學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)的目的。阿基米德原理是為了探究物體受到的浮力與排開液體重力的關(guān)系。那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)就在于如何測(cè)量浮力和排開液體的重力。浮力的測(cè)量引導(dǎo)學(xué)生利用稱重法完成，但是測(cè)量排開液體重力的時(shí)候會(huì)遇上一定的困難。這時(shí)可以為學(xué)生創(chuàng)設(shè)這樣的情景：如果你是阿基米德，你會(huì)用什么辦法來收集溢出的水呢？學(xué)生能馬上想到利用一個(gè)更大的容器來盛接，但是會(huì)有比較大的誤差。再引導(dǎo)學(xué)生思考如何減小誤差？學(xué)生提出可以將燒杯傾斜，將水裝至出水口。把物體浸沒在水中后，溢出來的水就從出水口流出，這樣可以減少誤差。經(jīng)過一番討論后學(xué)生很容易想到用溢水杯。在操作時(shí)，為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確，學(xué)生們很容易就能討論合理的實(shí)驗(yàn)步驟。

再如，測(cè)量大氣壓的實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)測(cè)出大氣壓數(shù)值的托里拆利實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的精妙之處在于：利用轉(zhuǎn)換法，當(dāng)液體平衡時(shí)，液體產(chǎn)生的壓強(qiáng)等于大氣壓強(qiáng)，來間接測(cè)得大氣壓。實(shí)驗(yàn)的局限性在于：用密度大的汞取代水，而汞具有揮發(fā)性和毒性，現(xiàn)在的物理課堂上基本上沒有演示。在學(xué)生充分了解了實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)之后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生將思路轉(zhuǎn)向馬德堡半球?qū)嶒?yàn)。聯(lián)想平時(shí)生活中常見的小吸盤，思考能否利用小吸盤來測(cè)量大氣壓。測(cè)量大氣壓需要用到公式P=■，那就得測(cè)出壓力F和受力面積S。引導(dǎo)學(xué)生思考以下幾個(gè)問題：玻璃板可以隨意放置嗎？討論玻璃板水平時(shí)（向上拉，向下拉），豎直時(shí)的受力情況，得出玻璃板豎直時(shí)可以避開重力帶來的干擾。吸盤吸在玻璃板上有什么要求？討論得出吸盤和玻璃板之間應(yīng)盡量排出空氣。當(dāng)F拉=F壓，吸盤處于什么狀態(tài)？討論后選擇：吸盤被拉開的瞬間讀取F拉，此時(shí)F壓=F拉，從而獲得F壓。如何讀取拉開的瞬間的彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)？又可得到緩慢增大拉力。視線跟隨指針做好讀書準(zhǔn)備。拉開瞬間迅速讀取數(shù)據(jù)。受力面積S怎么測(cè)？可以用刻度尺透過透明的玻璃板測(cè)量吸盤直徑d，再利用面積公式得到S。

像“滑動(dòng)摩擦力的大小與哪些因素有關(guān)”、“電阻大小與哪些因素有關(guān)”等都可以進(jìn)行相應(yīng)的改造拓展。改造過程中不僅有傳承，也有創(chuàng)新的理念，提高了學(xué)生的思維能力，提升了學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

3 ? 以小制作為載體，自主完成設(shè)計(jì)

綜合實(shí)踐課的形式可以是多種多樣的，以設(shè)計(jì)制作的形式開展的綜合實(shí)踐課，能夠幫助學(xué)生主動(dòng)地參與其中。為了更好的完成制作，學(xué)生自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)制作出滿意的作品。同時(shí)在過程中體驗(yàn)到制作的樂趣與成功的喜悅。

例如自制彈簧測(cè)力計(jì)的活動(dòng)。首先，學(xué)生要明確彈簧測(cè)力計(jì)是如何工作的，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)彈力的知識(shí)進(jìn)行研究。在了解了彈簧伸長(zhǎng)量與拉力之間的關(guān)系的定量關(guān)系之后，學(xué)生要選擇合適的器材。比如，原長(zhǎng)比較合適的彈簧，容易做記號(hào)的刻度盤，可以調(diào)節(jié)的指針等。接著，學(xué)生要解決刻度劃分的問題。通過引導(dǎo)與討論，學(xué)生根據(jù)選擇的器材劃分處零刻度線、量程與分度值。最后，用制作好的彈簧測(cè)力計(jì)進(jìn)行測(cè)量。再如，制作噴氣式小船的活動(dòng)中，小船的工作原理是非常簡(jiǎn)單的。但是在實(shí)際制作的過程中，學(xué)生會(huì)遇到如何減慢氣球的噴氣速度，如何減小小船在水中的阻力，如何使小船保持平衡等問題。引導(dǎo)學(xué)生尋找相應(yīng)的知識(shí)去解決實(shí)際問題。

類似的活動(dòng)項(xiàng)目還有，自制浮沉子，走馬燈，萬花筒，潛望鏡，滾擺，制作小電動(dòng)機(jī)等等。在活動(dòng)中，學(xué)生對(duì)自己感興趣的制作充滿熱情，很有積極性。在制作時(shí)，遇上難題，學(xué)生也都能夠積極地思考與討論，解決問題。這樣不僅對(duì)知識(shí)有了更深的理解，也培養(yǎng)了學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。

課題組成員有目的有計(jì)劃的開展一系列的活動(dòng)，把綜合實(shí)踐活動(dòng)與物理課結(jié)合在一起，利用綜合實(shí)踐活動(dòng)的趣味性，來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;利用它的學(xué)科延伸性來拓展課堂;利用它的自主性和創(chuàng)造性來提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。在活動(dòng)中，教師引導(dǎo)學(xué)生既動(dòng)手又動(dòng)腦，經(jīng)過一年的綜合實(shí)踐活動(dòng)的學(xué)習(xí)，學(xué)生們鍛煉了動(dòng)手能力，培養(yǎng)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，提高了科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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