初中物理探究性实验教学的设计策略

探究性实验是实验者在不知道实验结果的情况下，通过自己的实验进行探索、分析、研究并得出结论，从而形成科学概念的一种认知活动。在探究性实验中，学生需要自己观察、思考，自己提出问题并解决问题，这对于培养他们的问题意识、动手能力以及创新精神是大有裨益的。物理探究性实验教学打破了传统教学模式之下课堂氛围沉闷的局面，而且尊重学生的主体性，能有效发掘学生的自主探究潜能。一、联系生活实际，提出探究问题兴趣是最好的老师。将物理实验与生活实际相联系，将抽象的物理概念转化为具体的生活现象，是激发学生兴趣的极佳方式。因为生活中的现象与学生息息相关，所以这些现象出现的原因往往能引起他们的好奇心。在探究性实验教学中，提出探究问题容易被部分教师忽视，而这一步是有重要作用的。学生在探究性实验中通过完成对现象的解释与对知识的验证，能培养自身的探究精神。以“平面镜成像”一课为例，教师借助生活中的一个常见的例子提出问题：“你们在逛商场的时候有没有看见一些商家会在店内很多不同的位置摆放镜子？你们猜一猜这有什么用处呢？”问题提出之后，学生的兴趣就被激发了出来。学生根据自己的生活经验回答：“摆放很多面镜子以后会感觉店内的空间变大了。”考虑到学生用现有的知识无法解释其中的原理，教师讲解道：“其实，你们平时照镜子的时候能看见自己，司机可以通过汽车两边的后视镜观察后方的路况这些现象都运用到了我们接下来要进行的实验所涉及的平面镜成像的原理。你们能根据老师刚才叙述的内容试着提出几个需要我们探究的问题吗？”根据摆放镜子的例子，学生提出探究问题：“平面镜成的像是放大的像还是缩小的像？”根据照镜子的例子，学生提出探究问题：“平面镜成的像是实像还是虚像呢？”[1]根据看后视镜的例子，学生提出探究问题：“平面镜成像的位置在哪？”对于这些探究问题，多数学生根据之前学过的物理知识和教师引导的话语就可以猜想到像的大小和物体的大小是一样的，平面镜成的像是虚像，像和物到镜面的距离相等且分别在平面镜的两侧。之后，学生只要运用蜡烛等实验材料去验证猜想即可。提出和生活相关的探究问题，可以帮助学生认识科学的本质，培养敏锐的观察力。在观察、思考、分析日常现象的过程中，学生可以实现对知识的掌握，并及时对知识进行应用。学生要善于从生活实际出发寻找物理问题，这有助于他们快速解决实际问题。二、组内分工合作，做出合理猜想如果在实验前做出没有根据的猜想，将会给实际的实验带来不利的影响，甚至得出不准确的实验结果。而在合作中通过合理的猜想，学生可以更好地理解实验的原理，明确实验设计和数据分析的方向，在实验过程中更有目的性，得出正确的结论，提升整个实验的效率[2]。以“重力势能”一课为例，教师布置以下实验任务：你们觉得物体的重力势能的大小和什么因素有关呢？请各小组合作讨论，做出合理的猜想并且说出依据。对此，每个小组从“回顾已学内容”“联想相关内容”“搜集生活实例”这三个角度（由两名成员负责一个角度的任务）进行猜想，然后进行总结。如：针对第一个角度，对之前的知识掌握得比较牢固的学生回顾相关知识后得知，动能是物体因处于运动状态而具备的能量，其大小取决于物体的质量与速度，物体的质量越大，速度越快，所拥有的动能就越大。由此，学生做出猜想：重力势能的大小与物体的质量、速度有关。针对第二个角度，发散性思维能力比较强的学生对“重力势能”这个名词展开联想，进而发现它与物体的重力有关，而物体的重力与物体本身的质量、重力加速度有关。由此，学生猜想重力势能的大小也和这两个因素有关。针对第三个角度，信息检索能力比较强的学生先对“重力势能”这个名词进行简单的了解，通过搜寻资料得知，重力势能指的是物体由于被举高而具有的能量；再根据“一颗铅球被抛到高处，当它掉进沙池时，沙池会产生一个大坑”的生活实例做出猜想：重力势能的大小与物体所处的高度有关。于是，小组成员基于上述猜想进行总结：物体的重力势能的大小与它的质量、速度、重力加速度、所处的高度有关。在实验前对结论进行猜想是一个集思广益的过程。小组内的成员明确自己的分工，专注于自己研究的角度，会使猜想的全面性和准确度得到保证。这样既培养了学生的思维能力，也为后续对实验数据的分析和结果的解释提供了依据。同时，所有成员的协作还能促进他们之间的沟通与理解，提高他们的问题解决能力。三、自主设计实验，总结物理规律实验环节包括材料、设备、实验方案的选择等。在完成一项自主设计的实验并且得到结果后，学生能够深刻理解物理规律，体会到自己应将理论和实践相结合。这对他们开展其他学科的学习也有积极的作用。以“影响导体导电性能的因素”这部分知识为例，“温度对导体电阻的影响”是重点内容。基于此，教师给学生布置自主设计实验的任务。考虑到设计实验要清楚实验背后的原理，教师向学生提供设计实验的基本思路：利用转化法设计实验，把钨丝的电阻转化成可以测量的电流，电流的变化会影响小灯泡发出的光的亮度。明白设计实验的基本思路之后，学生便着手解决如何将电阻转化成电流的问题。如有的小组想到可以自主制作实验用具。为此，该小组首先利用之前学过的电学知识设计一个用到电阻丝以及小灯泡的电路，接着用酒精灯把钨丝加热，然后看到灯光亮度的变化（电流变小，灯光变暗；电流变大，灯光变亮），最后初步总结其中的物理规律：温度越高，导体的电阻增大；温度越低，导体的电阻减小[3]。考虑到学生自主设计的实验可能存在漏洞，教师邀请学生上台展示实验过程，并向学生提出疑问。如针对上述实验提出的疑问是：在用酒精灯加热钨丝时温度是不可控的，如果电路中的电流过大，电源或者导线会被烧坏。那么该如何防止电流超过电路的承受能力呢？学生由于已经明白电阻和温度、电流的关系，因此很快就提出可以串联一个滑动变阻器来控制电流，或者可以串联一个电流表以时刻观测电流的变化。在整个过程中，多数学生的参与度都非常高。通过亲自动手操作，他们也能牢记自己所总结的物理规律。在自主设计实验期间，从发现问题到解决问题，全部都由学生亲自实践，这让学生获得了最直接的感知和体验。另外，学生难免会遇到实验中出现漏洞的情况，如实验的条件受到限制、实验的数据有误差等等。在处理这些漏洞的过程中，学生加深了对物理规律的理解与记忆。四、改变特定条件，促进思维拓展物理实验中非常重要的一点就是实验的条件，条件的改变往往会引起整个实验的变化。通过改变特定的实验条件，学生能够更加清楚地认识到物理规律是怎样在不同情景中体现出来的。这样能够帮助他们打破思维定式，了解某一个物理规律的使用范围。改变条件后，学生需要重新假设、改变方案、进行数据再分析等。这些步骤有助于培养他们思维的灵活性、创新性，增强他们的应变能力[4]。以“密度”一课为例，教师带领学生一起做测量物体密度的实验，再从测量工具的角度改变实验的条件（有天平有量筒、有天平无量筒、有量筒无天平、只有刻度尺…），让他们发散自己的思维，思考解决的办法。对于“有天平有量筒”的情况，教师演示如何测量固体的密度。实验的器材包含石块、天平、砝码、量筒，以及充足的水和足够长的细线。实验步骤如下：通过天平测得石块的质量，记为m；在量筒中倒入适量的水，将水的体积记为V1

；将用细线拴住的石块缓缓放入量筒，确保石块完全浸没在水中（若固体密度小于液体密度，则需采用针压法或坠物法来实现），读取此时的示数（V2）；得出石块密度的表达式，即之后，教师继续演示在“有天平有量筒”的情况下测量液体密度的实验，并让学生仔细观察实验过程，回答以下问题：在这种情况下测量液体密度与测量固体密度有什么异同？教师在实验时拿出准备好的待测液体、量筒、烧杯、天平以及砝码，在烧杯里装入适量的待测液体，用天平测量出烧杯和液体的质量为|m1

；把烧杯中的部分液体倒入量筒，读取示数（；用天平测得烧杯中的剩余液体和烧杯的质量为m；得出液体密度的表达式，即mm。在解答关于比较异同的问题时，学生发现：无论是测量固体的密度还是测量液体的密度，都需要测量它们的质量和体积；固体的体积不好确定，只能通过等量的水测出。接下来，教师让学生试着在“有天平无量筒”的情况下测量固体、液体的密度。通过教师的引导，学生从需要什么数据的问题开始思考，如石块密度的测量需要知道石块的质量与石块的体积。因为有天平，石块的质量能直接测出，所以求石块的体积就成了实验的难点。各小组自主讨论，设计一套可行的方案，实验成功后上台进行演示。有的小组的实验方案提到“往烧杯中装满水”“让用细线拴住的石块完全浸没于烧杯内的水中”。此方案有利于实现等体积代换，化解实验的难点。经过条件有所限制的其他实验，学生得出：要抓住质量与体积两个关键点，用各种方法来实现等质量代换或者等体积代换。实验条件的变化以原理为核心，要求学生牢牢掌握已有的知识，不断发散自己的思维。在这个过程中，学生还要特别注意对其他变量的控制，确保实验结果的可靠性。这不仅仅可以提高他们的实验设计能力，更可以培养他们系统思考的能力与严谨的学习态度[5]。在条件有各种限制但核心知识固定的物理探究性实验中，学生只需要立足于问题的关键，想方设法地将条件通过代换等方式向核心知识靠拢