摘 要：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力是科學(xué)探究的重要組成部分，教師科學(xué)合理地布置探究類作業(yè)對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的提升至關(guān)重要，但實(shí)際作業(yè)中仍存在諸多不足之處.本文針對(duì)初中物理探究類作業(yè)中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的常見誤區(qū)進(jìn)行分類梳理，并結(jié)合具體案例對(duì)誤區(qū)進(jìn)行分析，揭示了一些被長(zhǎng)期掩蓋的錯(cuò)誤根源.

關(guān)鍵詞：初中物理;探究類作業(yè);實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);誤區(qū)及分析

中圖分類號(hào)：G6337???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）20-0032-04

基金項(xiàng)目：北京市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“基于核心素養(yǎng)的科學(xué)教學(xué)問題梳理與解決方案研究”（項(xiàng)目編號(hào)：CDDB18158）.

作者簡(jiǎn)介：秦曉文（1968-），男，山東人，碩士，中學(xué)正高級(jí)教師，北京市特級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教育教學(xué)、科學(xué)探究、教學(xué)評(píng)價(jià).

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力是科學(xué)探究能力的重要組成部分，科學(xué)、合理的探究類作業(yè)可以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力.但教師在實(shí)際教學(xué)中采用的探究類作業(yè)卻存在很多問題和錯(cuò)誤，這樣的作業(yè)不僅不能起到提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的作用，而且還會(huì)產(chǎn)生很多負(fù)面影響.本文將對(duì)“探究類作業(yè)中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的常見誤區(qū)”進(jìn)行梳理和分析，以期拋磚引玉，引發(fā)教師更多的思考和實(shí)踐探索，進(jìn)一步提高探究類作業(yè)的質(zhì)量.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中控制變量不當(dāng)

“控制變量”是科學(xué)探究的重要思想方法，是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的問題之一，但在探究類作業(yè)中常常存在控制變量不當(dāng)?shù)膯栴}，主要包括“沒有控制變量”和“遺漏控制變量”兩種類型.

例題1 請(qǐng)利用酒精，添加適當(dāng)器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明酒精蒸發(fā)吸熱.

原題答案：用棉簽沾適量酒精，涂抹在手背上，如果手背感覺涂抹酒精的地方?jīng)?，就說明涼的感覺是由于酒精蒸發(fā)引起的，從而證明酒精蒸發(fā)吸熱.

分析：這道作業(yè)題原答案提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案沒有控制變量，因而是錯(cuò)誤的.根據(jù)作業(yè)題的探究目的可以判斷，因變量是Q吸，通過手感覺涼體現(xiàn)Q吸，自變量是酒精蒸發(fā).控制變量是酒精的溫度與手的溫度差，如果手背和酒精之間存在溫差，即使酒精不蒸發(fā)，手背也會(huì)感覺到?jīng)?另外，如果室溫低于酒精溫度，也會(huì)導(dǎo)致酒精溫度降低，這種情況下也無法判斷酒精溫度的降低是由于蒸發(fā)引起，還是由于溫差引起.因此，要證明酒精蒸發(fā)吸熱，必須保證酒精的溫度、周圍環(huán)境的溫度（室溫）、測(cè)溫物體（手或者溫度計(jì)）的溫度三者相同.為了控制溫度相同，需要添加溫度計(jì)，用溫度計(jì)代替手，酒精是否吸收熱量可以通過與其接觸的溫度計(jì)的示數(shù)來體現(xiàn).證明酒精蒸發(fā)吸熱的正確實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如下：

（1）用溫度計(jì)測(cè)量室溫，記錄溫度計(jì)的示數(shù);

（2）將適量酒精倒入燒杯中，用溫度計(jì)測(cè)量酒精的溫度，待酒精溫度與室溫相同時(shí)，記錄溫度計(jì)的示數(shù);

（3）再將溫度計(jì)從酒精中取出，隨著酒精的蒸發(fā)，如果觀察到溫度計(jì)的示數(shù)逐漸降低，就說明酒精在蒸發(fā)過程中吸熱.

例題2 欣欣想利用彈簧測(cè)力計(jì)、帶細(xì)繩的長(zhǎng)方體金屬塊、盛有適量水的大燒杯、刻度尺，探究物體在水中所受浮力與所處深度的關(guān)系，請(qǐng)幫助她設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，寫出主要實(shí)驗(yàn)步驟.

原題答案：用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出長(zhǎng)方體金屬塊的重力G，然后將金屬塊緩慢浸入水中，如圖1所示，改變金屬塊下表面所處深度h，將h的測(cè)量值和彈簧測(cè)力計(jì)相應(yīng)的示數(shù)F記錄在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表中，由F浮=G-F計(jì)算出相應(yīng)的F浮并記錄在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表1中.

分析：根據(jù)作業(yè)題的探究目的可以判斷，長(zhǎng)方體金屬塊所受浮力F浮是因變量，金屬塊的底面所處深度h是自變量，水的密度和金屬塊排開水的體積V排是控制變量.金屬塊浸沒水中后，繼續(xù)增大深度h，水的密度和V排均保持不變.但在金屬塊浸入水中到浸沒前的這一過程中，改變深度h的同時(shí)，僅保持了水的密度不變，沒有保持另一個(gè)控制變量V排不變.因此，這一實(shí)驗(yàn)方案是錯(cuò)誤的.金屬塊浸沒前的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案應(yīng)該調(diào)整如下：選用有標(biāo)記線的長(zhǎng)方體金屬塊，如圖2甲所示，用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出長(zhǎng)方體金屬塊的重力G，然后將金屬塊緩慢浸入水中，當(dāng)金屬塊浸入水中的體積為一半時(shí)，如圖2乙所示，測(cè)出金屬塊下表面所處深度h.將金屬塊側(cè)放并懸掛在測(cè)力計(jì)下，當(dāng)金屬塊浸入水中的體積為一半時(shí)，如圖2丙所示，測(cè)出金屬塊下表面所處深度h.將h的測(cè)量值和彈簧測(cè)力計(jì)相應(yīng)的示數(shù)F記錄在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表中，由F浮= G-F計(jì)算出相應(yīng)的F浮并記錄在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表中.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中沒有改變自變量

為了排除因變量和自變量之間的偶然聯(lián)系，找到必然聯(lián)系，最基本、最簡(jiǎn)單的方法就是在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，也就是我們通常所說的對(duì)比實(shí)驗(yàn).更加普遍的方法則是在控制變量的前提下，通過不斷改變自變量，觀察因變量是否隨之改變，但在探究類作業(yè)中普遍存在沒有對(duì)比實(shí)驗(yàn)、不改變自變量的情況，對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響.

例題3 為了便于觀察玻璃瓶的微小形變，可以將玻璃瓶裝滿水，然后用帶有細(xì)玻璃管的橡膠塞塞緊瓶口，組裝好的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.其中，細(xì)玻璃管上有刻度，便于觀察細(xì)玻璃管內(nèi)水面的變化.請(qǐng)利用該實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明力能使玻璃瓶發(fā)生形變，簡(jiǎn)要寫出實(shí)驗(yàn)方案.

原題答案：雙手用力擠壓玻璃瓶壁，觀察細(xì)玻璃管內(nèi)水面是否上升.如果觀察到細(xì)玻璃管內(nèi)水面上升，則可證明力能使玻璃瓶發(fā)生形變.

分析：由探究目的可以看出，因變量是玻璃瓶的形變，形變大小用細(xì)玻璃管內(nèi)的水面高低表示，水面越高，形變?cè)酱?自變量是捏瓶子的力的大小，控制變量是玻璃瓶及水的溫度.原題答案提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在兩大誤區(qū)：其一，沒有進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，具體而言，就是沒有通過改變自變量力的大小，觀察細(xì)玻璃管內(nèi)水面的高低變化;其二，沒有控制住玻璃瓶及水的溫度對(duì)細(xì)玻璃管內(nèi)的水面變化的影響.正確的實(shí)驗(yàn)方案如下：

（1）雙手用力擠壓玻璃瓶壁，觀察細(xì)玻璃管內(nèi)的水面變化情況.

（2）雙手仍握著玻璃瓶壁但不用力擠壓，觀察細(xì)玻璃管內(nèi)的水面變化情況.

如果在（1）中觀察到細(xì)玻璃管內(nèi)的水面上升，在（2）中觀察到細(xì)玻璃管內(nèi)的水面下降，則說明力能使玻璃瓶發(fā)生形變.

其中關(guān)鍵的做法是手不用力捏玻璃瓶時(shí)仍握著瓶壁，這樣既可以和（1）形成對(duì)比，同時(shí)又控制了溫度的影響.這種方案就是常用的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，還可以設(shè)計(jì)一個(gè)更普遍的實(shí)驗(yàn)方案：

（1）先用較大的力擠壓玻璃瓶壁，將細(xì)玻璃管內(nèi)的水面高度標(biāo)記為h1.

（2）再用較小的力擠壓玻璃瓶壁，將細(xì)玻璃管內(nèi)的水面高度標(biāo)記h2.

如果h2小于h1，則說明力能使玻璃瓶發(fā)生形變.

例題4 在探究平面鏡成像的特點(diǎn)中，小麗選取一塊薄玻璃板、兩個(gè)完全相同的蠟燭A和B、與蠟燭A大小不同的蠟燭C、刻度尺、白紙進(jìn)行實(shí)驗(yàn).下列說法中正確的是

A.該實(shí)驗(yàn)采用薄玻璃板代替平面鏡，只是為了能確定像的位置

B.利用現(xiàn)有器材可探究像距跟物距的關(guān)系

C.利用現(xiàn)有器材可探究像的高度跟物距的關(guān)系

D.利用現(xiàn)有器材可探究像的高度跟物體的高度的關(guān)系

原題答案：B C D.

分析：B選項(xiàng)中，因變量是像距，自變量是物距，像距和物距均可用刻度尺測(cè)量，自變量物距可以多次改變，因此，利用現(xiàn)有器材可探究像距跟物距的關(guān)系.C選項(xiàng)中，因變量是像的高度，自變量是物距，像高的測(cè)量可以通過像的等效替代物的高度的測(cè)量來實(shí)現(xiàn)，物距可用刻度尺測(cè)量，自變量物距可以多次改變，因此，利用現(xiàn)有器材可探究像的高度跟物距的關(guān)系.D選項(xiàng)中，因變量是像的高度，自變量是物體的高度，提供的器材無法多次改變自變量物體的高度，因此，利用現(xiàn)有器材不能探究像的高度跟物體的高度的關(guān)系.所以，D選項(xiàng)錯(cuò)誤，這類錯(cuò)誤比較隱蔽，會(huì)在不同情境下，以不同的形式表現(xiàn)出來，例如下面的問題.

例題5 小華利用如圖4所示裝置“探究平面鏡成像的特點(diǎn)”，她在水平桌面上鋪一張白紙，在紙上豎立一塊薄玻璃板，將點(diǎn)燃的蠟燭A豎立在玻璃板前，可以看到它在玻璃板后面的像.再拿另一支跟蠟燭A完全相同的蠟燭B，豎立在玻璃板后面移動(dòng)，從多角度觀察直到跟蠟燭A的像完全重合，這個(gè)位置就是蠟燭A的像的位置，在白紙上記下蠟燭A和B的位置，改變蠟燭A到玻璃板的距離，再做多次實(shí)驗(yàn).

（1）蠟燭B能夠與蠟燭A的像完全重合，說明平面鏡成的像與物體大小________（選填“相等”或“不相等”）.

（2）上述實(shí)驗(yàn)可以說明：當(dāng)蠟燭A遠(yuǎn)離玻璃板時(shí)，像會(huì)________（選填“靠近”或“遠(yuǎn)離”）玻璃板，像的大小________（選填“變小”“不變”或“變大”）.

原題答案：（1）相等.（2）遠(yuǎn)離;不變.

分析：根據(jù)例4的分析，本例提供的實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)方法，能夠探究像距跟物距的關(guān)系、像的大小跟物距的關(guān)系，但不能探究像的大小跟物體的大小關(guān)系.因此，本例中的第（1）問的設(shè)置不適當(dāng)，提供的答案也是錯(cuò)誤的.其根源在于沒有認(rèn)識(shí)到改變自變量在科學(xué)探究中的必要性及意義，具體而言，則是不知道如何才能正確探究像的大小跟物體的大小關(guān)系.要正確探究像的大小跟物體的大小的關(guān)系，需要進(jìn)一步簡(jiǎn)化并明確探究的問題，即探究像的高度跟物體的高度的關(guān)系.這就需要在原有器材基礎(chǔ)上，用兩個(gè)完全相同的、可調(diào)節(jié)高度的電子蠟燭代替原來的蠟燭.具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如下：

（1）將帶支架的透明玻璃板放在水平桌面上，調(diào)整平板玻璃，使其垂直于桌面.

（2）將電子蠟燭A放在玻璃板前面，用刻度尺測(cè)量A的高度h1，并記錄在表格中.將另一個(gè)電子蠟燭B放到玻璃板后蠟燭A的像的位置上，調(diào)整蠟燭B的位置和高度，在玻璃板前從各個(gè)不同的角度觀察蠟燭B，直到蠟燭B與A的像完全重合，則蠟燭A所成的像的高度h2等于蠟燭B的高度，用刻度尺測(cè)量蠟燭B的高度，將h2的數(shù)據(jù)記錄在表2中.

（3）保持蠟燭A到玻璃板的距離不變，改變蠟燭A的高度，仿照步驟（2），再進(jìn)行五次實(shí)驗(yàn)，將蠟燭A的高度h1和像的高度h2的數(shù)據(jù)分別記錄在表2中.

科學(xué)探究的結(jié)論是在有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上歸納出來的，是從個(gè)別上升到普遍的認(rèn)識(shí)過程.這就要求學(xué)生在收集證據(jù)時(shí)，必須堅(jiān)持客觀性原則，盡可能克服主觀想象和固有認(rèn)識(shí)的影響，還要盡可能全面地收集證據(jù)，使數(shù)據(jù)更有代表性，注意克服片面性和偏向性，避免只收集對(duì)預(yù)設(shè)結(jié)論有利的證據(jù)，而忽視不利的證據(jù).學(xué)生在探究類作業(yè)的過程中，在收集證據(jù)環(huán)節(jié)常常存在主觀性、片面性和偏向性等問題.

例題6 小華用如圖5所示的裝置探究光的反射規(guī)律，E、F是同一平面上的兩個(gè)大小相等的矩形面，F(xiàn)可繞ON轉(zhuǎn)動(dòng)，ON垂直于平面鏡.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，入射光AO緊貼平面E射向平面鏡上的O點(diǎn)，可在F上看到反射光OB.若以O(shè)N（法線）為軸，在水平面內(nèi)將F面向后轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度，則在F面上________（選填“能”或“不能”）看到反射光線.這說明反射光線、入射光線和法線________（選填“在”或“不在”）同一平面內(nèi).

原題答案：不能;在.

分析：在利用該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果稍微往后偏折F面，比如，使F面與E面的夾角在179度時(shí)，雖然F面與E不在一個(gè)平面上，但仍然可以在F面上看到反射光，如圖6所示.稍微往前偏折F面，使F面與E不在一個(gè)平面上，也可以在F面上看到反射光，如圖7所示.由此可見，這道作業(yè)題的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不是基于實(shí)證證據(jù)，而是基于預(yù)設(shè)的結(jié)論或固有的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí).另外，這道題的實(shí)驗(yàn)方案還存在沒有改變自變量的問題.

要正確探究反射光線是否跟入射光線和法線共面，使用圖6、圖7所示的實(shí)驗(yàn)器材是不行的，因?yàn)樵撈鞑谋仨氃诩す夤P上加擴(kuò)束器，將光線變成光束，才能在器材面上觀察到光的路徑，這在實(shí)驗(yàn)原理上就違背“三線共面”的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?因此，需要采用新方法顯示光的路徑，如圖8所示的實(shí)驗(yàn)器材中主要部件是可以顯示激光路徑的特殊玻璃，玻璃可以繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)，兩只激光筆固定在支架上，一只激光筆發(fā)出的激光作為入射光線，另一只激光筆發(fā)出的激光作為法線，從反射光一側(cè)觀察反射光能否將法線和入射光同時(shí)擋住.多次改變?nèi)肷涔饩€和法線所在的平面，觀察反射光能否將法線和入射光同時(shí)擋住.對(duì)于每次實(shí)驗(yàn)，如果反射光都能將法線和入射光同時(shí)擋住，則可證明反射光線跟入射光線和法線共面.圖9所示的實(shí)驗(yàn)器材則是在玻璃罩內(nèi)充滿煙霧來顯示激光的路徑，實(shí)驗(yàn)方法與圖8所示的實(shí)驗(yàn)器材的實(shí)驗(yàn)方法類似.

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中操作定義不當(dāng)

操作定義是指如何測(cè)量某個(gè)特定變量的具體操作說明.在科學(xué)探究中，如果變量是新的，沒有測(cè)量工具，或者變量不易觀察、測(cè)量，就需要對(duì)變量進(jìn)行操作定義，如將電磁鐵的磁性強(qiáng)弱定義為電磁鐵吸引小鐵釘?shù)亩嗌?小球的動(dòng)能定義為小球推動(dòng)木塊運(yùn)動(dòng)的距離等.操作定義必須有明確的依據(jù)，被定義的量和定義量之間應(yīng)存在確定的因果關(guān)系，還要有可操作性.但在探究類作業(yè)中常常存在忽視操作定義，或隨意操作定義的問題.

例題7 小東利用如圖10所示裝置，探究壓力的作用效果.其中A和B是作為支架的木塊，C為彈性很好的鋼板尺，M表示形狀相同、質(zhì)量不同的金屬塊.小東在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著金屬塊M的質(zhì)量變大，鋼板尺C的彎曲程度也變大.于是小東得出結(jié)論：“在受力面積一定時(shí)，物體M的重力越大，鋼板尺C的彎曲程度就越大.”請(qǐng)你利用現(xiàn)有器材，重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明小東的結(jié)論不正確.請(qǐng)你簡(jiǎn)述：

（1）實(shí)驗(yàn)步驟;（2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;（3）實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論.

原題答案：（1）實(shí)驗(yàn)步驟：保持物體M的質(zhì)量不變，將鋼板尺的一端逐漸抬高.（2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：可以觀察到鋼板尺的彎曲程度逐漸變小.（3）實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論：金屬塊M的質(zhì)量（重力）沒有變化，鋼板尺的彎曲程度發(fā)生變化.這就可以說明小東的結(jié)論不正確.

分析：解答這道作業(yè)題有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是如何觀察或測(cè)量鋼板尺的彎曲程度，這就需要對(duì)鋼板尺的彎曲程度進(jìn)行合理的操作定義;二是通過實(shí)驗(yàn)做出小東觀點(diǎn)的反例：在受力面積一定時(shí)，物體M的重力越大，鋼板尺的彎曲程度越?。ɑ虿蛔儯?從原題的答案看，沒有對(duì)如何觀察或測(cè)量鋼板尺的彎曲程度進(jìn)行操作定義，只是想當(dāng)然認(rèn)為一看便知.事實(shí)上，影響觀察鋼板尺彎曲程度的因素很多，如物體在鋼板尺上的位置、鋼板尺與水平面夾角、鋼板尺兩端支點(diǎn)的距離、鋼板尺受到的壓力和受力面積等.如果沒有明確界定，就會(huì)造成觀察失真、無法測(cè)量、無法比較等影響證據(jù)效度的問題.另外，原題答案提供的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不是小東觀點(diǎn)的反例，不能證明小東的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的.正確的解答應(yīng)分為兩個(gè)層面，首先定義怎樣觀察或測(cè)量鋼板尺的彎曲程度.在圖10所示的情景下，用鋼板尺最低點(diǎn)到水平桌面的距離表示鋼板尺的彎曲程度，鋼板尺最低點(diǎn)到水平桌面的距離越小，說明鋼板尺的彎曲程度越大.這樣定義就將其他影響因素都限定不變，這時(shí)鋼板尺的彎曲程度與鋼尺最低點(diǎn)到桌面距離構(gòu)成一一對(duì)應(yīng)的因果關(guān)系，也就便于觀察和測(cè)量.然后，將重10N的金屬塊放置在鋼板尺上，如圖10所示，測(cè)量并記錄鋼板尺最低點(diǎn)到水平桌面的距離h1，將重10N的金屬塊換成重為30N的金屬塊，并用手對(duì)金屬塊施加一個(gè)向上的拉力F，如圖11所示，測(cè)量并記錄鋼板尺最低點(diǎn)到水平桌面的距離h2，調(diào)整拉力F，使h2小于h1.這樣就獲得一個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，在受力面積一定時(shí)，物體M的重力變大，鋼板尺的彎曲程度反而變小.這就說明小東的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的.

參考文獻(xiàn)：

[1]秦曉文.探究照亮未來——物理教學(xué)中科學(xué)探究的理論與實(shí)踐[M].北京：中國青年出版社，2017.

[2]秦曉文.基于核心素養(yǎng)的初中物理作業(yè)設(shè)計(jì)的思考[J].中學(xué)物理，2020，38（14）：16-18.

[3]沙芳.基于核心素養(yǎng)的初中物理作業(yè)設(shè)計(jì)的思考[J].新智慧，2021（03）：93-94.

[4]朱建平.初中物理教學(xué)中作業(yè)設(shè)計(jì)的有效策略[J].中學(xué)生數(shù)理化（教與學(xué)），2020（01）：36.

[5]朱國芳.核心素養(yǎng)下初中物理作業(yè)優(yōu)化策略分析[J].中華少年，2020（01）：149+151.

（收稿日期：2021-08-04）