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“设计实验方案”教学的几种策略浙江省玉环县教育局教研室 郑青岳“设计实验方案”是实验探究的一个重要环节。在探究教学中，我们常常见到有两种做法，一是为了培养学生实验设计的能力，教师完全放手让学生自行设计实验方案，二是教师由于担心学生缺乏实验设计的能力，或为了节约课堂教学的时间，把设计好实验方案直接给予学生，让学生照方抓药地进行有关操作。事实上，这两个比较极端的做法并非能够适用于所有课题的探究实验。那么，对于“设计实验方案”的教学，我们是否有着更多的策略可供我们选择，各种策略各适用于怎样不同的情形？运用不同策略时应当注意哪些问题？ 策略1教师给出现成的实验方案这是设计实验方案教学的最低要求。这种策略通常适用于实验设计难度较大，学生能力较低的情形。虽然给学生以现成的实验方案，学生未能经历实验方案设计的过程，但在运用这一策略时，教师应当通过提出相关问题，促进学生领会实验设计的思想，避免实验的盲目性，并得到实验设计的思维训练。案例1 探究平面镜面像的特点在教学平面镜成像时，我们常让学生按如下实验步骤探究物体在平面镜内成的像的位置、大小与物体之间的关系。（1）如图1所示，在桌面上平铺一张白纸，并用直尺和铅笔在纸上画一道直线。（2）用支架将透明玻璃竖放在白纸上，玻璃板的前表面落在直线上。（3）把一支点燃的蜡烛放在玻璃板的前面，并用铅笔画出这支蜡烛的位置，可以看到玻璃后面将会出现蜡烛的像。 （4）另拿一支相同的（不点燃的）蜡烛放在平板玻璃的后面并作移动，直到无论人在玻璃前面哪个位置看，玻璃后面的蜡烛与玻璃前面蜡烛的像都能完全重合。 图1 （5）撤掉玻璃，用铅笔画出玻璃后面的蜡烛的位置。利用三角板检测一下：两支蜡烛与镜面的位置存在什么关系？（6）改变蜡烛的位置，重新进行实验。（7）根据实验所获得的信息进行概括：两支蜡烛与镜面的位置存在什么关系？本实验设计之巧妙在于利用了平面玻璃，使学生既能看到镜前蜡烛在镜后的像，也能透过玻璃看到后面的蜡烛，并使两者完全重合。如此高招要初中学生自行想出难度很大，所以，给学生以现成的方案是一个可取的选择。为了克服学生实验的盲目性，并学习本实验精巧的设计思想，实验操作之前，教师可让学生围绕实验方案弄清如下几个问题：实验为什么要取平面玻璃，而不取通常背面镀银的平面镜？为什么要求使玻璃的前表面而不是后表面落在直线上？为什么要取2支蜡烛，而且2支蜡烛要取一样长？实验中，在观察玻璃后面的蜡烛与玻璃前面蜡烛的像是否完全重合时，为什么眼睛要在不同的位置看，而不能只是在某个位置看？玻璃后面的蜡烛与玻璃前面蜡烛的像完全重合意味着什么？策略2.教师给出实验装置，让学生说明操作方法或预言实验现象有些探究实验的方案虽然由教师给出，但并不意味着让学生完全置身于实验设计活动之外。教师还是应当创设条件，提供一些机会让学生介入活动的构思过程，一种可取的做法是：教师给出完整的实验装置，要求学生根据实验装置，说明操作方法，或预言实验将会出现的现象。这一策略同样适用于实验设计难度较大的情形，但由于学生需要根据实验装置说明操作方法，以及预言实验现象，其要求要比策略1稍高些。案例2：探究液体的沸点与压强的关系教师：（先向学生介绍高原地区食物不容易烧熟的事实）请你根据高原地区食物不容易烧熟这一事实，对液体的沸点与气压的关系提出一个假说，并说明理由。学生：高原地区食物不容易烧熟这一事实表明高原地区水的沸点较低，而海拔越高处，气压也越低。可见，液体的沸点与压强可能与气压有关，气压越低，液体的沸点也越低。教师：以下让我们用实验方法来探究液体的沸点与压强的关系。（出示如图2的实验装置）如果我想用这个实验装置， 图2你认为应该如何改变瓶内气压的大小呢？ 学生：注射器活塞向里推时，瓶内气压增大。注射器活塞往外拉时，瓶内气压减小。教师：如果你的假说成立的话，实验时应在什么时候将注射器活塞向里推？此时将会出现什么现象？什么时候注射器活塞向外拉？此时将会出现什么现象？学生：当水烧开时，让酒精灯继续加热。若将注射器活塞向里推时，应当看到水停止沸腾的现象。当水烧开后，将酒精灯移开，此时水不再沸腾。若在此时将注射器活塞往外拉时，应当看到瓶内的水重新沸腾起来。策略3学生在教师引导下完成实验设计这是实验探究最为常用的一种教学策略。它避免了给学生现成的实验方案，学生失去设计实验训练之机会，也使学生摆脱了在实验设计中缺乏足够的辅助而无从下手之苦恼。教师对学生设计实验的引导，可以是通过提出相关的问题，促使学生逐一解决实验设计中的每一个细节；也可以是给出一部分实验设计的方案，即提供给学生实验方案的半成品，引导学生完成实验方案。这既为学生创造了思维加工的机会，又降低了学生思维的难度。案例3：探究力和运动的关系为了探究力和运动的关系，课本采用的是一个斜面实验，它是对伽利略斜面实验的一个模拟。但一般学生难以完全独立完成这个实验方案的设计。为此，教师可以采用如下方式对学生进行引导。师：（用手推一下小车，使其在水平面上运动，并慢慢停下来）小车在水平面上运动时，是水平面的阻力使小车的速度变小，最后停下来。现在让我们利用这个小车来研究水平面大小不同的阻力对小车运动的影响。如何改变水平面对小车阻力的大小？生：用不同的材料铺在水平面上，可以改变水平面对小车阻力的大小。师：怎样反映不同阻力对小车运动影响的不同呢？生：可以用小车在不同材料铺的平面上，可运动的路程长短来反映。师：小车运动的距离除了跟阻力大小有关外，还跟小车的初速度大小有关。为了探究阻力的影响，应当保证小车每次在不同材料上运动时具有相同的初速度。怎样才能做到这一点呢？生：（经讨论）可以利用一个斜面。（如果学生有困难，教师可以给出斜面，并问学生：如何如何利用斜面使小车获得相同的初速度？）只要小车每次从斜面的同一位置滑下，则它每次在水平面上运动的初速度就相同。师：请同学们根据以上思路写出完整的实验方案。上述案例中，教师给出了小车在水平面上运动的方案（以及给出斜面这一措施），为学生完成实验设计奠定了基础。并借助引导性问题为学生寻找改变阻力和控制小车初速度的方法提供了思维支架。策略4教师给出有缺陷的方案，让学生改进学生在设计实验方案时往往存在着这样那样的缺陷，教师可以根据学生的缺陷，制定出有缺陷的实验方案，让学生改进。这种策略有助于培养学生批判反思性思维，它既使学生成为评价的主体，也使学生在分析评价他人的错误中避免自己犯同样的错误，从而学会实验设计的基本方法，提高实验设计的能力。案例4：探究电流与电压、电阻之间的关系为了探究通过某段导体的电流跟哪些因素有关，教师先根据电压是产生电流的原因，及电阻是导体对电流的阻碍作用，引导学生认识到：通过某段导体的电流，可能跟导体两端的电压有关，电压越大，电流越大；可能跟导体的电阻有关，电阻越大，电流越小。在此基础上，教师给出如下的实验方案，让学生通过评析，作出改进。（1）探究电流与电压的关系按如图3所示的电路图连接电路；调节滑动变阻器，使电路中的电流有适当的数值；保持电阻R的阻值不变，先用1节干电池作电源，用电流表测出电路中的电流I1；再改用2节、3节干电池作电源，用电流表分别测出电流I2、I3；概括出电流与电压的关系。（2）探究电流与电阻的关系按如图4所示的电路连接电路；调节滑动变阻器，使电路中的电流有适当的数值；保持电路中电池的个数不变，R先用5欧的电阻，测出电路中的电流I1；R再用10欧、15欧的电阻，分别测出I2、I3；概括出电流与电阻的关系。ARRSASRR（3）根据上述两组实验，概括出电流与电压、电阻的关系。 图3 图4学生通过讨论，发现上述两组实验设计存在的缺陷是：在图3电路中，改变电池的个数很不方便，而且由于滑动变阻器的存在，电池个数增多时，电阻R两端的电压是否承随之成倍增大并不确定。在图4电路中，当电阻R的阻值成倍增大时，由于滑动变阻器的存在，电阻R两端的电压并非保持不变。改进的方案是：应当在电阻R两端并联一只电压表，并通过滑动变阻器来改变电阻R两端的电压，及保持电阻两端电压不变。策略5让学生自行设计实验方案这是设计实验方案教学的最高要求。这种策略适用于实验设计对学生来说较容易，学生有足够的能力自主解决实验设计的相关问题。在这种情形下，如果教师仍不放手让学生自主设计，就会剥夺学生实验设计训练的机会，限制了学生思维的发展。在教学中运用这一策略时，有时可以让学生个体独立进行设计，有时可以让学生以小组合作的形式进行设计。有时可以给学生全部或部分实验器材，有时则不给学生任何器材，或给学生多余的器材，让学生作出选择或作出不同的组合。个体独立的方式利于培养学生独立思考的能力，而小组合作的方式则利于培养学生的协作精神，促进学生取长补短。给学生器材可以为实验设计提供一些提示，从而降低设计的难度；而不给学生任何器材时，问题具有更大的开放性，利于培养学生思维的发散性。案例5：探究阿基米德原理通过实验探究浮力大小的相关因素，是初中物理教学的重要内容。当师生经过充分讨论确定了浮力大小可能的相关因素后，为了进一步通过实验得出定量的结论，我们要求学生设计方案进行实验。其做法有：（1）给学生弹簧秤、量筒、大烧杯（装有水）、小烧杯、溢杯、小石块、细线。要求学生设计实验方案，探究物体在液体中受到的浮力跟哪些因素有关，关系如何。（说明：利用这些器材设计的方案并非惟一，例如可以用溢杯、小烧杯、量筒测出物体排开液体的体积；也可以直接利用量筒测出物体排开液体的体积。）（2）要求学生设计实验方案，探究物体在液体中受到的浮力跟哪些因素有关，关系如何。并列出所需的实验器材。让学生自行设计实验方案往往不是一步到位的。教学时应当通过师生和生生之间的交流，纠正学生设计方案中的一些错误，从而使学生设计的