初中物理开放性实验设计能力的培养

周枫

摘 要：在初中物理课堂实验教学中，应重视培养学生的实验设计能力，促进学生主体性的养成。只有在日常学习中夯实基础、多进行日常训练并摸索出实验设计的方法，才能有效地提升开放性实验设计的能力。

关键词：开放性实验设计能力；夯实基础；日常训练；总结方法

引言

物理学是以实验为基础的学科，物理实验是物理课程的重要组成部分。《中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》中明确提出：“实施素质教育，就是全面贯彻党的教育方针，以提高国民素质为根本宗旨，以培养学生的创造精神和实践能力为重点” [1 ]。而初中物理开放性实验设计正是以创新为核心，培养学生实验迁移能力的一种高层次的综合能力考核。因此，在初中物理实验教学中培养学生的实验设计能力已经成为适应当前课程改革和教育目的的需要。

1 相关研究

1.1 概念界定

开放性实验设计能力是指运用已学过的测量仪器和实验方法以及有关的知识，按题给要求自行设计实验方案，研究物理现象、探索物理规律或测定物理量的能力 [2 ]。

1.2 现状

开放性实验设计题是近几年全国各地的中考物理试题中频繁出现的新题型，这类题涉及的知识面广、解法灵活、思维方法独特，着力考查学生对于重要实验仪器的原理及使用方法的掌握情况，同时对学生的设计，语言表述等能力都提出了较高的要求，加上该类题具有很强的开放性，学生对此题型的解答能力明显不足，往往不得要领，只能望洋兴叹、无从下手。

2 初中物理课堂实验培养学生实验设计能力的教学策略探讨

能力的养成并非一朝一夕，我们如何在日常教学中潜移默化地提升学生开放性实验设计的能力呢？下面我谈一下对于提升开放性实验设计能力的些许体会。

2.1 夯实基础，为实验设计能力的提升扫清障碍

能力的培养要建立在扎实的基本功之上，对于实验设计能力而言，基本功包含了能熟练地记忆并运用公式、物理原理、物理规律， 对实验仪器的原理了如指掌，对仪器的使用驾轻就熟等等。而这一切都源自日常的积累。

2.1.1 教师在日常教学中要注重学生的记、思、解和说

具体来说，就是要注重学生学习基础知识，并要求学生牢固、准确地掌握；要让学生发挥想象力，平时注意对学生逻辑思维能力的培养；要用多种方法解答的问题，尽可能利用多种方法解答，拓宽学生解题思路；要有意识地多让学生说，让学生对物理原理、规律有更深入的认识和理解。

2.1.2 教师应让学生熟悉开放性实验题所涉及的知识范围

纵观初中物理课本，密度、压强、浮力、电阻、电功率的测定是开放性实验设计题涉及的热点。学生应深刻理解上述物理量的定义、相关公式，明确这些物理量与哪些因素有关。例如：密度公式是ρ=，测密度时，一般可以从质量与体积两方面入手。

2.1.3 教师应通过具体实验让学生熟知实验设计的诸多思维方法

例如，在研究音叉振动发声时，如何设计实验说明音叉正在振动呢？这就需要应用到放大法，可以在音叉旁边悬挂乒乓球，通过乒乓球的振动将音叉振动的现象放大；再如测量细丝直径时，可以将细丝紧密缠绕在铅笔上，用缠绕的总宽度除以圈数，这便是利用了累计法；当然，实验设计的方法还包含模拟法、转换法、比较法、替代法、控制变量法等等，这就需要学生熟知每一种的测量方法，只有这样，在具体的实验设计中，才能做到游刃有余。

2.1.4 教师应创造尽可能多的动手操作机会

在初中阶段，要求学生会用的重要仪器包括刻度尺、天平、量筒、测力计、电流表、电压表、滑动变阻器等，教师应让学生亲自接触以上实验器材，让学生在实验中进一步熟悉重要的物理仪器原理及使用规则。只有对每个仪器的使用都得心应手，了解仪器的适用范围，才可以在设计实验时，进行合理地选材。

总之，开发性实验设计是对学生物理实验知识和实验能力的综合考查，只有扎扎实实地练好基本功，才有助于迅速、准确地设计出实验方案。

2.2 日常训练，把课堂变成实验设计能力的锻炼场

如果你吃掉一把盐，你会觉得难以下咽，但如果把盐洒入汤中，你不知不觉地吃掉了所有的盐，还觉得汤十分地美味。同样地，与其让孩子一到考试，就害怕实验设计题，倒不如把实验设计渗透到日常的课堂教学中，让他们在实验中玩，最终必然能在玩中提升实验设计的能力。

例如：在讲到声音的产生时，我让学生利用身边的器材发出声音，并交流一下这个声音是如何产生的。学生的学习热情顿时高涨起来，有人撕下一张纸，用双手抓住纸的两端内外伸缩，果然声响很大；有人用笔敲击笔盒；有人固定住尺子的一端，用手拨动另一端，甚至有位学习成绩不太好的学生，用手摸着声带大喊我老师我爱你，这一个个来源于学生们自己的设计，让他们对声音的产生印象深刻。

再如，讲到压力的作用效果与压力的大小关系时，我同样不提供器材，让学生自己想办法进行实验设计，其实，我在有意识地培养学生的选材能力。基于日常课堂上的锻炼，学生渐渐适应了利用生活中看似无关的材料进行实验，有学生拿起自带的矿泉水瓶，一边演示一边说：“我先轻捏瓶子，后来用力捏，发现在受力面积一定时，压力越大时，压力的作用效果越明显”，有的学生拿起了一支圆珠笔，用食指顶住笔尖，用力之后，大叫一声：“你看，我的手马上痛了，而且手指凹陷得更明显了”，有的学生站起来说道：“我什么器材都不需要，你看，我脸上的肉多，手指越用力按，脸形变越厉害”，一番话引得全班哄堂大笑。

课堂上，通过设计良好的实验本身来激发学生的兴趣，使学生从好奇出发，进而发生兴趣，只有这样，才能使学生自觉自愿地参与实验设计活动，而且，在这样的课堂学习环境中，学生激情飞扬、活力四射，真正的学会、会学，实验设计能力真正的得到提高，同时，学生的创造精神和实践能力也得到了有效培养。

2.3 总结方法，让实验设计有章可循

横看成岭侧成峰，开放性实验设计题的分类有很多种，但我想从探究性（验证性）和测定性这两方面谈谈实验设计的方法。

（1）探究性（验证性）实验

这类题大多数是给定结论，寻求条件。例如请你根据所学知识设计一个实验探究滑动摩擦力的大小与哪些因素有关，或是设计一个实验证明液体压强的存在。

当面对这类题时，第一，要明确研究对象，我们“以证明液体压强的存在”为例，通过审题，我们知道要证明的结论是液体压强的存在。那么，液体压强就是要研究的对象；第二，思考与研究对象相关的物理原理、规律。在这道题中，就是要在脑海中搜索与液体压强相关的规律，例如液体对容器的底部、侧壁有压强、同一液体的压强随深度的增加而增大等等。第三，根据所选的原理、规律进行选材和制订步骤。假设我们选择液体对容器的底部有压强这一规律，那么我们应该选择水、装水的矿水瓶、保鲜膜及细线。步骤如下：往矿泉水瓶中装足量水，将保鲜膜包在瓶口，并用细线绑紧，将瓶口朝下，发现膜向下凸起。

（2）测定性实验设计

此类实验有的是给足条件，让你测量某个物理量（如例1）；有的是条件不足，让你自行选择器材后，再测量出某个物理量（如例2）。

例1 提供电源、若干导线、开关、电流表、一个已知阻值的电阻、一个滑动变阻器这些器材，要求测出一个未知电阻的阻值。

例2 只提供量筒这一种测量工具，器材自选，如何测定橡皮泥的密度，请你写出实验步骤和需要测量的物理量。

以例2进行分析，这类设计题应从何入手呢？这时候，脑海中必定会出现许多的问号：没有天平怎么测橡皮泥的质量呢？还要选择哪些器材？是先写步骤还是先确定要测的物理量？

对于此类实验设计依然有可遵循的解题方法：第一、明确解题思路（如图1）；通过思路分析，步步深入。题目提供了量筒，说明橡皮泥的体积可求得，所以我们可以从质量除以体积这个公式入手，而质量如何测量呢？当一个物理量无法直接测量时，往往可寻找与之有关系的物理量间接测量，这就是实验设计的思维在此处的应用。于是我们想到重力与质量间的联系。这样的思维其实也体现了课程总目标中提到的学习一定的物理基础知识，养成良好的思维习惯，在解决问题或做决定时能尝试运用科学原理和科学方法。那么，继续思考重力大小如何测量呢？一样要利用间接测量的思维方法，在有水的情况下，只要物体漂浮，那么重力和浮力就相等，于是想到让橡皮泥漂浮，方法就是捏成碗状，此时的浮力可利用阿基米德原理的展开式求得。

完成了思路分析，我们便可以进行第二步，就是在思路分析中寻找直接测量的物理量；从思路的第一条横向分支，我们明确了要测橡皮泥质量，就要先测出V1和V2，从第二条分支，明确了若要测橡皮泥的体积，就要再测V3，于是，要直接测量的物理量有三个。

第三步，就是利用需要直接测量的物理量确定实验步骤。该实验的步骤可分为三步：①往量筒中倒适量水，读出水的体积V1；②将橡皮泥捏成碗状，使其漂浮于量筒的水中，记下液面对应的示数V2；③将橡皮泥捏成实心球状，使其沉于量筒的水中，记下液面对应的示数V3。

2.4 积极思考，将知识进行迁移、拓宽

一道开放性实验设计题的价值不光体现在学生能否有效的将课本的知识迁移到题目中，还体现在能否进一步地引申发展成为另一个新问题。

例如在上述测橡皮泥密度的实验设计后，教师能否抛出这样的问题引发学生的思考：还有哪些物体的密度可以用量筒这一种测量工具进行测量？也就是能用该方法进行密度测量的物体要具备什么特点？通过讨论，似乎答案仍没有浮出水面。于是，我在黑板上写了：“可 可 ”这行字让学生进行填空，每条横线只能各填一个字。顿时，学生们的思维被打开了，一个学生说到可以漂浮，才能利用浮力求重力，第一空填“漂”，接下来，第二空的答案马上被揭开，是“沉”，因为只有浸没，才能测体积。学生沉浸在猜字的喜悦中，我又发问：考古学家在墓堆里发现了一个玉质的小酒杯，你能利用量杯测出它的密度吗？由于刚才的“可漂可沉”四个字深入人心，学生马上说出先让酒杯开口向上漂浮于水中，再让它浸没水中；我又问：小木块的密度会测吗？木块“可漂”，可以利用针压法让其浸没，同样可以测出它的密度。

新课程强调教学过程是师生交往、共同发展的互动过程[3 ]。通过一个个问题的抛出，学生深刻地理解了利用量筒测密度可应用在哪些物体上，更重要的是，学生的思维得到了迁移和拓宽。

总之，在日常的教学活动中，教师如果能正确处理好传授知识与培养能力两者关系，那么，这对促进学生的全面发具有十分重要而现实的意义 [4 ]。

我相信，只要能在平时效仿撒盐喝汤的做法，那么，久而久之，学生们将不再惧怕实验设计，而是能充分领略到它的魅力。

参考文献：

[1] 陈友道.中学物理设计性实验案例研究[M].北京：人民教育出版社，2005.

[2] 杨宝山.我国高中物理课程教学大纲变革的历史回顾[J].教育史研究，2007.

[3] 教育部基础教育司.走进新课程：与课程实施者对话[M].北京：北京师范大学出版社，2009.

[4] 唐中华.课堂教学互动方法研究.高教研究[J].西南科技大学学报，2007.