初中物理探究类作业中实验设计的常见误区及分析

摘 要：实验设计能力是科学探究的重要组成部分，教师科学合理地布置探究类作业对于学生实验设计能力的提升至关重要，但实际作业中仍存在诸多不足之处.本文针对初中物理探究类作业中实验设计的常见误区进行分类梳理，并结合具体案例对误区进行分析，揭示了一些被长期掩盖的错误根源.

关键词：初中物理;探究类作业;实验设计;误区及分析

中图分类号：G6337     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）20-0032-04

基金项目：北京市教育科学“十三五”规划课题“基于核心素养的科学教学问题梳理与解决方案研究”（项目编号：CDDB18158）.

作者简介：秦晓文（1968-），男，山东人，硕士，中学正高级教师，北京市特级教师，研究方向：中学物理教育教学、科学探究、教学评价.

实验设计能力是科学探究能力的重要组成部分，科学、合理的探究类作业可以提高学生的实验设计能力.但教师在实际教学中采用的探究类作业却存在很多问题和错误，这样的作业不仅不能起到提高学生实验设计能力的作用，而且还会产生很多负面影响.本文将对“探究类作业中实验设计的常见误区”进行梳理和分析，以期抛砖引玉，引发教师更多的思考和实践探索，进一步提高探究类作业的质量.

1 实验设计中控制变量不当

“控制变量”是科学探究的重要思想方法，是实验设计重点考虑的问题之一，但在探究类作业中常常存在控制变量不当的问题，主要包括“没有控制变量”和“遗漏控制变量”两种类型.

例题1 请利用酒精，添加适当器材，设计实验证明酒精蒸发吸热.

原题答案：用棉签沾适量酒精，涂抹在手背上，如果手背感觉涂抹酒精的地方凉，就说明凉的感觉是由于酒精蒸发引起的，从而证明酒精蒸发吸热.

分析：这道作业题原答案提供的实验设计方案没有控制变量，因而是错误的.根据作业题的探究目的可以判断，因变量是Q吸，通过手感觉凉体现Q吸，自变量是酒精蒸发.控制变量是酒精的温度与手的温度差，如果手背和酒精之间存在温差，即使酒精不蒸发，手背也会感觉到凉.另外，如果室温低于酒精温度，也会导致酒精温度降低，这种情况下也无法判断酒精温度的降低是由于蒸发引起，还是由于温差引起.因此，要证明酒精蒸发吸热，必须保证酒精的温度、周围环境的温度（室温）、测温物体（手或者温度计）的温度三者相同.为了控制温度相同，需要添加温度计，用温度计代替手，酒精是否吸收热量可以通过与其接触的温度计的示数来体现.证明酒精蒸发吸热的正确实验设计方案如下：

（1）用温度计测量室温，记录温度计的示数;

（2）将适量酒精倒入烧杯中，用温度计测量酒精的温度，待酒精温度与室温相同时，记录温度计的示数;

（3）再将温度计从酒精中取出，随着酒精的蒸发，如果观察到温度计的示数逐渐降低，就说明酒精在蒸发过程中吸热.

例题2 欣欣想利用弹簧测力计、带细绳的长方体金属块、盛有适量水的大烧杯、刻度尺，探究物体在水中所受浮力与所处深度的关系，请帮助她设计一个实验方案，写出主要实验步骤.

原题答案：用弹簧测力计测出长方体金属块的重力G，然后将金属块缓慢浸入水中，如图1所示，改变金属块下表面所处深度h，将h的测量值和弹簧测力计相应的示数F记录在实验数据记录表中，由F浮=G-F计算出相应的F浮并记录在实验数据记录表1中.

分析：根据作业题的探究目的可以判断，长方体金属块所受浮力F浮是因变量，金属块的底面所处深度h是自变量，水的密度和金属块排开水的体积V排是控制变量.金属块浸没水中后，继续增大深度h，水的密度和V排均保持不变.但在金属块浸入水中到浸没前的这一过程中，改变深度h的同时，仅保持了水的密度不变，没有保持另一个控制变量V排不变.因此，这一实验方案是错误的.金属块浸没前的实验设计方案应该调整如下：选用有标记线的长方体金属块，如图2甲所示，用弹簧测力计测出长方体金属块的重力G，然后将金属块缓慢浸入水中，当金属块浸入水中的体积为一半时，如图2乙所示，测出金属块下表面所处深度h.将金属块侧放并悬挂在测力计下，当金属块浸入水中的体积为一半时，如图2丙所示，测出金属块下表面所处深度h.将h的测量值和弹簧测力计相应的示数F记录在实验数据记录表中，由F浮= G-F计算出相应的F浮并记录在实验数据记录表中.

2 实验设计中没有改变自变量

为了排除因变量和自变量之间的偶然联系，找到必然联系，最基本、最简单的方法就是在实验设计时设置实验组和对照组，也就是我们通常所说的对比实验.更加普遍的方法则是在控制变量的前提下，通过不断改变自变量，观察因变量是否随之改变，但在探究类作业中普遍存在没有对比实验、不改变自变量的情况，对学生的科学思维产生严重的负面影响.

例题3 为了便于观察玻璃瓶的微小形变，可以将玻璃瓶装满水，然后用带有细玻璃管的橡胶塞塞紧瓶口，组装好的实验装置如图3所示.其中，细玻璃管上有刻度，便于观察细玻璃管内水面的变化.请利用该实验装置，设计实验证明力能使玻璃瓶发生形变，简要写出实验方案.

原题答案：双手用力挤压玻璃瓶壁，观察细玻璃管内水面是否上升.如果观察到细玻璃管内水面上升，则可证明力能使玻璃瓶发生形变.

分析：由探究目的可以看出，因变量是玻璃瓶的形变，形变大小用细玻璃管内的水面高低表示，水面越高，形变越大.自变量是捏瓶子的力的大小，控制变量是玻璃瓶及水的温度.原题答案提供的实验设计存在两大误区：其一，没有进行对比实验，具体而言，就是没有通过改变自变量力的大小，观察细玻璃管内水面的高低变化;其二，没有控制住玻璃瓶及水的温度對细玻璃管内的水面变化的影响.正确的实验方案如下：

（1）双手用力挤压玻璃瓶壁，观察细玻璃管内的水面变化情况.

（2）双手仍握着玻璃瓶壁但不用力挤压，观察细玻璃管内的水面变化情况.

如果在（1）中观察到细玻璃管内的水面上升，在（2）中观察到细玻璃管内的水面下降，则说明力能使玻璃瓶发生形变.

其中关键的做法是手不用力捏玻璃瓶时仍握着瓶壁，这样既可以和（1）形成对比，同时又控制了温度的影响.这种方案就是常用的对比实验，还可以设计一个更普遍的实验方案：

（1）先用较大的力挤压玻璃瓶壁，将细玻璃管内的水面高度标记为h1.

（2）再用较小的力挤压玻璃瓶壁，将细玻璃管内的水面高度标记h2.

如果h2小于h1，则说明力能使玻璃瓶发生形变.

例题4 在探究平面镜成像的特点中，小丽选取一块薄玻璃板、两个完全相同的蜡烛A和B、与蜡烛A大小不同的蜡烛C、刻度尺、白纸进行实验.下列说法中正确的是

A.该实验采用薄玻璃板代替平面镜，只是为了能确定像的位置

B.利用现有器材可探究像距跟物距的关系

C.利用现有器材可探究像的高度跟物距的关系

D.利用现有器材可探究像的高度跟物体的高度的关系

原题答案：B C D.

分析：B选项中，因变量是像距，自变量是物距，像距和物距均可用刻度尺测量，自变量物距可以多次改变，因此，利用现有器材可探究像距跟物距的关系.C选项中，因变量是像的高度，自变量是物距，像高的测量可以通过像的等效替代物的高度的测量来实现，物距可用刻度尺测量，自变量物距可以多次改变，因此，利用现有器材可探究像的高度跟物距的关系.D选项中，因变量是像的高度，自变量是物体的高度，提供的器材无法多次改变自变量物体的高度，因此，利用现有器材不能探究像的高度跟物体的高度的关系.所以，D选项错误，这类错误比较隐蔽，会在不同情境下，以不同的形式表现出来，例如下面的问题.

例题5 小华利用如图4所示装置“探究平面镜成像的特点”，她在水平桌面上铺一张白纸，在纸上竖立一块薄玻璃板，将点燃的蜡烛A竖立在玻璃板前，可以看到它在玻璃板后面的像.再拿另一支跟蜡烛A完全相同的蜡烛B，竖立在玻璃板后面移动，从多角度观察直到跟蜡烛A的像完全重合，这个位置就是蜡烛A的像的位置，在白纸上记下蜡烛A和B的位置，改变蜡烛A到玻璃板的距离，再做多次实验.

（1）蜡烛B能够与蜡烛A的像完全重合，说明平面镜成的像与物体大小________（选填“相等”或“不相等”）.

（2）上述实验可以说明：当蜡烛A远离玻璃板时，像会________（选填“靠近”或“远离”）玻璃板，像的大小________（选填“变小”“不变”或“变大”）.

原题答案：（1）相等.（2）远离;不变.

分析：根据例4的分析，本例提供的实验器材和实验方法，能够探究像距跟物距的关系、像的大小跟物距的关系，但不能探究像的大小跟物体的大小关系.因此，本例中的第（1）问的设置不适当，提供的答案也是错误的.其根源在于没有认识到改变自变量在科学探究中的必要性及意义，具体而言，则是不知道如何才能正确探究像的大小跟物体的大小关系.要正确探究像的大小跟物体的大小的关系，需要进一步简化并明确探究的问题，即探究像的高度跟物体的高度的关系.这就需要在原有器材基础上，用两个完全相同的、可调节高度的电子蜡烛代替原来的蜡烛.具体实验设计方案如下：

（1）将带支架的透明玻璃板放在水平桌面上，调整平板玻璃，使其垂直于桌面.

（2）将电子蜡烛A放在玻璃板前面，用刻度尺测量A的高度h1，并记录在表格中.将另一个电子蜡烛B放到玻璃板后蜡烛A的像的位置上，调整蜡烛B的位置和高度，在玻璃板前从各个不同的角度观察蜡烛B，直到蜡烛B与A的像完全重合，则蜡烛A所成的像的高度h2等于蜡烛B的高度，用刻度尺测量蜡烛B的高度，将h2的数据记录在表2中.

（3）保持蜡烛A到玻璃板的距离不变，改变蜡烛A的高度，仿照步骤（2），再进行五次实验，将蜡烛A的高度h1和像的高度h2的数据分别记录在表2中.

科学探究的结论是在有限的实验数据基础上归纳出来的，是从个别上升到普遍的认识过程.这就要求学生在收集证据时，必须坚持客观性原则，尽可能克服主观想象和固有认识的影响，还要尽可能全面地收集证据，使数据更有代表性，注意克服片面性和偏向性，避免只收集对预设结论有利的证据，而忽视不利的证据.学生在探究类作业的过程中，在收集证据环节常常存在主观性、片面性和偏向性等问题.

例题6 小华用如图5所示的装置探究光的反射规律，E、F是同一平面上的两个大小相等的矩形面，F可绕ON转动，ON垂直于平面镜.

实验时，入射光AO紧贴平面E射向平面镜上的O点，可在F上看到反射光OB.若以ON（法线）为轴，在水平面内将F面向后转动任意角度，则在F面上________（选填“能”或“不能”）看到反射光线.这说明反射光线、入射光线和法线________（选填“在”或“不在”）同一平面内.

原题答案：不能;在.

分析：在利用该实验装置进行实验时，如果稍微往后偏折F面，比如，使F面与E面的夹角在179度时，虽然F面与E不在一个平面上，但仍然可以在F面上看到反射光，如图6所示.稍微往前偏折F面，使F面与E不在一个平面上，也可以在F面上看到反射光，如图7所示.由此可见，这道作业题的实验设计不是基于实证证据，而是基于预设的结论或固有的错误认识.另外，这道题的实验方案还存在没有改变自变量的问题.

要正确探究反射光线是否跟入射光线和法线共面，使用图6、图7所示的实验器材是不行的，因为该器材必须在激光笔上加扩束器，将光线变成光束，才能在器材面上观察到光的路径，这在实验原理上就违背“三线共面”的实验目的.因此，需要采用新方法显示光的路径，如图8所示的实验器材中主要部件是可以显示激光路径的特殊玻璃，玻璃可以绕中心转动，两只激光笔固定在支架上，一只激光笔发出的激光作为入射光线，另一只激光笔发出的激光作为法线，从反射光一侧观察反射光能否将法线和入射光同时挡住.多次改变入射光线和法线所在的平面，观察反射光能否将法线和入射光同时挡住.对于每次实验，如果反射光都能将法线和入射光同时挡住，则可证明反射光线跟入射光线和法线共面.图9所示的实验器材则是在玻璃罩内充满烟雾来显示激光的路徑，实验方法与图8所示的实验器材的实验方法类似.

4 实验设计中操作定义不当

操作定义是指如何测量某个特定变量的具体操作说明.在科学探究中，如果变量是新的，没有测量工具，或者变量不易观察、测量，就需要对变量进行操作定义，如将电磁铁的磁性强弱定义为电磁铁吸引小铁钉的多少;小球的动能定义为小球推动木块运动的距离等.操作定义必须有明确的依据，被定义的量和定义量之间应存在确定的因果关系，还要有可操作性.但在探究类作业中常常存在忽视操作定义，或随意操作定义的问题.

例题7 小东利用如图10所示装置，探究压力的作用效果.其中A和B是作为支架的木块，C为弹性很好的钢板尺，M表示形状相同、质量不同的金属块.小东在实验中发现，随着金属块M的质量变大，钢板尺C的弯曲程度也变大.于是小东得出结论：“在受力面积一定时，物体M的重力越大，钢板尺C的弯曲程度就越大.”请你利用现有器材，重新设计实验证明小东的结论不正确.请你简述：

（1）实验步骤;（2）实验现象;（3）实验分析与结论.

原题答案：（1）实验步骤：保持物体M的质量不变，将钢板尺的一端逐渐抬高.（2）实验现象：可以观察到钢板尺的弯曲程度逐渐变小.（3）实验分析与结论：金属块M的质量（重力）没有变化，钢板尺的弯曲程度发生变化.这就可以说明小东的结论不正确.

分析：解答这道作业题有两个关键点：一是如何观察或测量钢板尺的弯曲程度，这就需要对钢板尺的弯曲程度进行合理的操作定义;二是通过实验做出小东观点的反例：在受力面积一定时，物体M的重力越大，钢板尺的弯曲程度越小（或不变）.从原题的答案看，没有对如何观察或测量钢板尺的弯曲程度进行操作定义，只是想当然认为一看便知.事实上，影响观察钢板尺弯曲程度的因素很多，如物体在钢板尺上的位置、钢板尺与水平面夹角、钢板尺两端支点的距离、钢板尺受到的压力和受力面积等.如果没有明确界定，就会造成观察失真、无法测量、无法比较等影响证据效度的问题.另外，原题答案提供的实验结果并不是小东观点的反例，不能证明小东的观点是错误的.正确的解答应分为两个层面，首先定义怎样观察或测量钢板尺的弯曲程度.在图10所示的情景下，用钢板尺最低点到水平桌面的距离表示钢板尺的弯曲程度，钢板尺最低点到水平桌面的距离越小，说明钢板尺的弯曲程度越大.这样定义就将其他影响因素都限定不变，这时钢板尺的弯曲程度与钢尺最低点到桌面距离构成一一对应的因果关系，也就便于观察和测量.然后，将重10N的金属块放置在钢板尺上，如图10所示，测量并记录钢板尺最低点到水平桌面的距离h1，将重10N的金属块换成重为30N的金属块，并用手对金属块施加一个向上的拉力F，如图11所示，测量并记录钢板尺最低点到水平桌面的距离h2，调整拉力F，使h2小于h1.这样就获得一个实验事实，在受力面积一定时，物体M的重力变大，钢板尺的弯曲程度反而变小.这就说明小东的观点是错误的.

参考文献：

[1]秦晓文.探究照亮未来——物理教学中科学探究的理论与实践[M].北京：中国青年出版社，2017.

[2]秦曉文.基于核心素养的初中物理作业设计的思考[J].中学物理，2020，38（14）：16-18.

[3]沙芳.基于核心素养的初中物理作业设计的思考[J].新智慧，2021（03）：93-94.

[4]朱建平.初中物理教学中作业设计的有效策略[J].中学生数理化（教与学），2020（01）：36.

[5]朱国芳.核心素养下初中物理作业优化策略分析[J].中华少年，2020（01）：149+151.

（收稿日期：2021-08-04）