摘要：一個(gè)完整的探究式學(xué)習(xí)大致包括七個(gè)要素，“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”是其中的一個(gè)重要要素.本文擬從“如何培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意哪些問題”來(lái)闡述學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng).

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力；思維程序；注意問題

作者簡(jiǎn)介：薛福成（1966-），男，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：物理教育教學(xué).所謂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，就是學(xué)生運(yùn)用已具有的物理知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，構(gòu)思出解決問題方案的本領(lǐng).一般來(lái)說，一個(gè)完整的探究式學(xué)習(xí)大致包括七個(gè)要素，即：提出問題、猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集數(shù)據(jù)、分析與論證、評(píng)估、交流與合作.“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”是其中一個(gè)重要的要素，它是實(shí)現(xiàn)《課程標(biāo)準(zhǔn)》中“過程與方法”目標(biāo)中培養(yǎng)學(xué)生“信息收集和信息處理能力”的渠道，是科學(xué)探究能否實(shí)現(xiàn)的必要條件， 是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造能力、檢驗(yàn)“探究式教學(xué)”與“研究性學(xué)習(xí)”效果如何的較好題型和有效途徑.

根據(jù)學(xué)生在認(rèn)知過程中的作用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題主要有：探索性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)三類.

1培養(yǎng)方法

11思維程序

如何培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，需要告訴他們?cè)O(shè)計(jì)的方法.因?yàn)榉椒ǖ恼莆湛梢哉f是能力形成的一種標(biāo)志.掌握的方法多，意味著能力高；掌握的方法少，意味著能力低 .方法分為兩類，一類為“程序化的方法”，是由許多環(huán)節(jié)、要素組成的操作過程，簡(jiǎn)稱為“過程”；另一類就是解決具體問題的具體化方法，簡(jiǎn)稱為“方法”.這兩者可以合稱為“過程與方法”.因此，要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，就應(yīng)該在課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生掌握各種相應(yīng)的方法.

這二類題目的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其實(shí)質(zhì)都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)題目，明確提出的問題，運(yùn)用已具備的物理知識(shí)或?qū)嶒?yàn)技能，有時(shí)甚至是根據(jù)實(shí)驗(yàn)題目所給的信息或提示，構(gòu)思出解決該問題的方案.

這一思維過程，可按如圖所示的程序進(jìn)行.

12實(shí)例分析

下面結(jié)合具體實(shí)例，對(duì)其思維程序作簡(jiǎn)要分析.

例題老師給小明同學(xué)如下器材：一只較粗的平底試管、一些小石子、一只杯子、水、刻度尺.請(qǐng)小明設(shè)計(jì)一個(gè)可直接測(cè)定（粗略）液體密度的裝置.小明犯了難，請(qǐng)你幫他設(shè)計(jì)一下，寫出設(shè)計(jì)過程及使用方法.

思維程序分析這是一道創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題.該類題目具有一定的難度，需要學(xué)生具有一定的綜合能力以及知識(shí)遷移能力，方可解決問題，因此該類題目宜放在掌握了探索性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)后再進(jìn)行.

（1）明確問題

將一試管改制成可以測(cè)液體密度的裝置.

（2）構(gòu)思實(shí)驗(yàn)假設(shè)

利用試管粗略測(cè)定液體的“密度”，我們知道應(yīng)當(dāng)通過它浸入被測(cè)液體中的“深淺”來(lái)判定.這樣，我們就必須在“密度”和“深度”兩個(gè)量之間，找到一個(gè)聯(lián)系二者的函數(shù)關(guān)系式.根據(jù)此關(guān)系式，達(dá)到解決問題的目的.

（3）知識(shí)、技能組合

根據(jù)題意，運(yùn)用已學(xué)過的知識(shí)，試管中放入適量小石塊，以使其放入被測(cè)液體中漂浮，這時(shí)：F浮=G

即ρ液gV排=G

ρ液gShˊ=G

ρ液=GgSh′（h′為試管沒入被測(cè)液體中的深度）

此式就是我們要找的函數(shù)關(guān)系式.經(jīng)過分析，首先要在杯內(nèi)注入適量的水，將放有小石塊的試管放入水中使其漂浮.再根據(jù)上述關(guān)系，找到一組組對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，從而改制測(cè)量工具.

（4）方案確定

經(jīng)過前三步的分析、思考、梳理，即可完成設(shè)計(jì)方案.

方案如下：

裝置改制過程：將試管中放入適量的小石子，使其能豎直漂浮在水中， 此時(shí)水面到達(dá)的試管處就是1g/ cm3（在試管壁上標(biāo)定好）.然后再用刻度尺測(cè)出浸入水中的試管的深度h.

∵漂浮

∴F浮=G

即ρ水gV排=G

ρ水gSh=G

∴ρ水=GgSh

設(shè)GgS=K（常數(shù)）

則ρ水=GgSh=kh

K=ρ水h=1·h

因此，漂浮在其它液體中：ρ液=GgSh′=Kh′=hh′

這樣，根據(jù)上述關(guān)系，找到密度與深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

當(dāng)h′=1cm時(shí)，ρ液=h（g/cm3）；

當(dāng)h′=2cm時(shí)，ρ液=h2 （g/cm3）；

……

當(dāng)h′=0.1cm時(shí)，ρ液=10h（g/cm3）；

當(dāng)h′=0.2cm時(shí)，ρ液=5h（g/cm3）；

……

按上述對(duì)應(yīng)關(guān)系在試管外壁上標(biāo)好密度刻度盤.

使用方法：將裝有適量石子的試管放入被測(cè)液體中，根據(jù)液面到達(dá)的刻度，從密度刻度盤上便可直接讀出被測(cè)液體的密度.

2設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題

（1）科學(xué)合理性

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理、程序以及方法等，都必須與物理知識(shí)的科學(xué)性和實(shí)驗(yàn)操作的合理性相一致.

（2）簡(jiǎn)約性

實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)等需盡可能的采用簡(jiǎn)單的儀器或裝置，用較少的實(shí)驗(yàn)步驟，用較短的時(shí)間來(lái)完成實(shí)驗(yàn).這就是實(shí)驗(yàn)的“簡(jiǎn)約性”.

（3）安全性

實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)在操作中，要盡量避免危險(xiǎn).另外，所選藥品要盡量避免有毒藥品.如，水銀等.

（4）效果明顯性

就是按照你設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作或改造的裝置進(jìn)行使用時(shí)，產(chǎn)生的現(xiàn)象等要明顯、直觀，便于觀察與記錄.

（5）多樣性

就是設(shè)計(jì)的方案可以是多種多樣的，并非唯一.