從實驗方法的角度引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗

摘 要：2022年新課標(biāo)中明確要求在初中物理教學(xué)中要注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、科學(xué)思維能力以及自主設(shè)計實驗的能力，因此，在日常物理課堂教學(xué)中，教師應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗，從而調(diào)動學(xué)生探究的內(nèi)驅(qū)力.在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的過程中，制定計劃和設(shè)計實驗是最重要的一步.文章從控制變量法、轉(zhuǎn)換法、比值替換法、等效替代法、對比法、放大法等多種實驗方法的角度來引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗，在設(shè)計的過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：實驗方法；引導(dǎo)；自主設(shè)計

中圖分類號：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-0333（2023）29-0071-03

收稿日期：2023-07-15

作者簡介：郭梅帶，從事初中物理教學(xué)研究.

基金項目：本文系2020年廣東省中山市教育科研立項課題“初中物理教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗的實踐研究”（項目編號：B2020059）階段性成果

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中提出：“引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)科學(xué)思維習(xí)慣，進(jìn)而學(xué)會學(xué)習(xí)……”.由此可見，“引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗并進(jìn)行實驗”在新課程改革的背景下已是迫在眉睫^[1].筆者結(jié)合自己多年的教學(xué)實踐，將從多種實驗方法的角度來引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗展開討論.

1 從控制變量法的角度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計實驗

控制變量法是科學(xué)探究中的重要思想方法，它在物理學(xué)的科學(xué)探究和科學(xué)實驗中應(yīng)用特別廣泛.控制變量法是指：在研究某個問題（如物理量等）與兩種或兩種以上因素的關(guān)系時，每次只改變一個因素，其他因素保持不變，通過分析這個改變的因素與所研究問題之間的關(guān)系，再綜合分析得出結(jié)論（或規(guī)律）.

例如在“研究液體壓強(qiáng)大小的實驗”活動中，學(xué)生猜想：①可能跟浸入液體的深度有關(guān)；②可能跟液體密度大小有關(guān)；③可能跟方向有關(guān).要驗證上述猜想是否正確，如何設(shè)計實驗?zāi)?？先讓學(xué)生討論，然后教師引導(dǎo)提問：怎樣判斷液體壓強(qiáng)大?。恳炞C猜想①該怎樣做？要驗證猜想②又如何設(shè)計？引導(dǎo)：要用兩種液體，只改變液體密度，而控制深度和方向均不變；要驗證猜想③就要控制液體密度和深度不變，只改變橡皮膜的方向做實驗.引導(dǎo)學(xué)生分析后選擇器材：兩種或以上密度不同的液體、液體壓強(qiáng)計、燒杯.通過教師恰當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，學(xué)生就能設(shè)計出完整且科學(xué)合理的實驗方案，在設(shè)計實驗的過程中又兼顧了思維方法.通過以上問題的提出和分析討論，學(xué)生對整個設(shè)計實驗的過程和方法都有了清晰的認(rèn)識，接下來的實驗和收集數(shù)據(jù)就相對容易完成，也為接下來的科學(xué)探究過程奠定了基礎(chǔ).

2 從轉(zhuǎn)換法的角度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計實驗

在保證效果不變的前提下，物理學(xué)中對于一些看不見摸不著的現(xiàn)象或不易直接測量的物理量，通常用一些非常直觀的現(xiàn)象去認(rèn)識或用易測量的物理量間接測量，這種研究問題的方法叫轉(zhuǎn)換法.

初中物理利用轉(zhuǎn)換法進(jìn)行實驗探究的實例很多，例如探究阻力對物體運動的影響實驗中，引導(dǎo)學(xué)生通過小車在不同表面上運動的距離來反映阻力對物體運動的影響情況，探究電磁鐵磁性的強(qiáng)弱實驗中，引導(dǎo)學(xué)生通過吸引大頭針的多少來反映磁性強(qiáng)弱，探究影響壓力作用效果的因素實驗中，利用小桌陷入海綿的深度來判斷壓力的作用效果等.在上述測液體壓強(qiáng)大小與什么因素有關(guān)的實驗中，我們將液體的壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換成我們能看到的液柱高度差的變化.再如，在探究不同物質(zhì)吸熱情況的實驗中，水和食用油吸收熱量的多少無法直接觀測和比較，在引導(dǎo)設(shè)計實驗過程中如何將“兩種物質(zhì)吸收熱量的多少”反映出來，這就需要用到轉(zhuǎn)換法.首先引導(dǎo)學(xué)生思考選擇的加熱器是相同還是不相同？為什么選相同？學(xué)生就會思考到：選規(guī)格相同的電加熱器目的是使水和食用油每秒鐘吸收的熱量相同.因此，學(xué)生在設(shè)計實驗時自然就想到物質(zhì)吸熱的多少轉(zhuǎn)換成加熱時間的長短來表示.接著，再進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考：如何判斷物質(zhì)的吸熱能力？學(xué)生討論得出結(jié)果：①加熱相同的時間，比較升高的溫度；②升高相同的溫度，比較加熱的時間.通過這樣引導(dǎo)學(xué)生思考，轉(zhuǎn)換的思維方法得到訓(xùn)練，學(xué)生自主設(shè)計實驗的能力也同時提高.

3 從比值替換法的角度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計實驗

很多測量型的實驗設(shè)計需要用比值替換法來思考.在引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗時，教師提出疑問：實驗中要測量的物理量如果無法直接測量應(yīng)該怎么辦？引導(dǎo)學(xué)生改變角度，用另外兩個可以直接測量的物理量之“比”來替換這個難以直接測量的物理量，在初中物理實驗中的電阻、功率、壓強(qiáng)、密度、速度等物理量的測量，都應(yīng)用了比值替換法.

例如，在“伏安法測小燈泡的電阻”實驗中，學(xué)生實驗器材中沒有測量電阻的電阻表這個儀器，教師引導(dǎo)學(xué)生思考要根據(jù)現(xiàn)有的實驗器材或能夠直接測量的物理量來替換小燈泡的電阻這個物理量.教師可以提出以下問題來引領(lǐng)學(xué)生思考，并自主設(shè)計完整的實驗方案.①這個實驗的實驗原理，即電阻的計算公式是什么？②根據(jù)這個公式，要測出小燈泡的電阻，需要測出相關(guān)的物理量有哪些？③測這兩個物理量需要用到什么儀器？④在什么條件下測出的電阻才是小燈泡的額定電阻？⑤如何改變小燈泡兩端的電壓？我們需要用到什么實驗器材？⑥滑動變阻器與小燈泡是串聯(lián)還是并聯(lián)？最后要求學(xué)生根據(jù)上述提示，來設(shè)計測量小燈泡電阻的電路圖和實驗方案，并依據(jù)設(shè)計的電路圖連接實驗器材完成測量.教師通過循序漸進(jìn)的設(shè)問，指引學(xué)生巧妙深入地探究，使學(xué)生逐漸認(rèn)識到如何依據(jù)實驗原理中需要測量的物理量來進(jìn)行實驗設(shè)計.同時，學(xué)生在思考要素的過程中，也能對實驗設(shè)計方法有完整且清晰的認(rèn)識，自然形成了分析問題的方法.

4 從等效替代法的角度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計實驗

研究某一個物理現(xiàn)象和規(guī)律時，在保證某種效果（特性和關(guān)系）相同的前提下，將實際的、陌生的、復(fù)雜的物理問題和物理過程用等效的、簡單的、易于研究的物理問題和物理過程來代替研究和處理的方法得到結(jié)論，這種方法叫“等效替代法”^[2].此方法如果運用恰當(dāng)，不僅能簡化研究問題，更容易得出結(jié)論，而且易被學(xué)生接受和理解.

例如在“測量固體的密度”實驗中，小礦石的體積不規(guī)則，不能直接用公式計算出它的體積，從數(shù)學(xué)的角度難以測量.教師可以引導(dǎo)學(xué)生討論得到小礦石所占空間大小就是它的體積，并得出用液體的體積來等效替代固體的體積.具體做法是：學(xué)生先用量筒測出一部分水的體積，然后把細(xì)線系好的小礦石緩慢放入裝水的量筒中，所增加的體積就等于小礦石的體積.采用等效替代法測量的體積簡潔而精確.在初中物理課堂上，教師應(yīng)有意識地培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的等效替代思維，這樣有利于提升學(xué)生對物理現(xiàn)象和問題實質(zhì)的理解，同時也有助于物理課堂教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成.另外，應(yīng)用等效替代法有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的欲望，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

5 從對比法的角度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計實驗

初中物理更多的是視覺認(rèn)知，物理教材中有大量演示實驗和學(xué)生實驗，這些實驗的結(jié)論大部分都是通過對比法得出的：通過實驗現(xiàn)象的對比提出猜想，通過改變前后的條件，對比實驗現(xiàn)象，得出結(jié)論.

例如，探究“阻力對物體運動的影響”實驗，牛頓第一定律的內(nèi)容與學(xué)生日常生活體驗的認(rèn)知完全相反，為了讓學(xué)生更快地理解并通過實驗探究得出牛頓第一定律，如圖1所示，通過在斜面相同高度滑下的同一小車，對比小車在鋪毛巾、鋪棉布以及鋪玻璃表面滑行距離的長短，引導(dǎo)學(xué)生得出小車滑行過程中受到的阻力越小，運動的距離越長.引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步推理出在理想狀態(tài)下：如果小車在絕對光滑的水平面上運動，即沒有受到任何阻力的情況下，小車將會一直運動下去，即保持勻速直線運動狀態(tài)不變.讓學(xué)生在對比中得出結(jié)論，符合新課改讓學(xué)生在自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)和交流合作中 ，經(jīng)歷知識獲取的過程.

6 從放大法的角度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計實驗

有些實驗現(xiàn)象我們能看到，但是不容易觀察，我們需要將產(chǎn)生的效果進(jìn)行放大再進(jìn)行研究.

例如，正在發(fā)聲的音叉其震動難以觀察，教師可以先讓學(xué)生觸摸發(fā)聲的音叉，感受發(fā)聲的物體在震動，接著演示把震動的音叉放進(jìn)水中，讓學(xué)生觀看水被濺起，引發(fā)學(xué)生思考：如何把微小的音叉震動放大？學(xué)生很容易想到利用乒乓球或小泡沫球?qū)F(xiàn)象放大.發(fā)聲的音叉輕觸系在細(xì)繩上的乒乓球，球被彈起說明音叉正在振動，用力敲音叉響度大，乒乓球彈的遠(yuǎn)，輕敲音叉響度小，彈的近，說明響度大小與振幅有關(guān).再如，觀察壓力對玻璃瓶的作用效果時我們將玻璃瓶密閉，裝水，插上一個細(xì)玻璃管，將玻璃瓶的形變引起的液面變化放大成細(xì)玻璃管液面的變化.放大法與比較法一樣，也是物理實驗中最普遍、最基本的實驗方法之一.

7 綜合運用多種研究方法，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計實驗

除了上述討論到的實驗方法外，初中物理實驗教學(xué)中還會用到很多其它方法，例如圖像法、模型法、科學(xué)推理法等.有些比較復(fù)雜的物理問題，不能用一種方法來解決，而要用到多種物理研究方法.

例如，在“探究電磁鐵磁性的強(qiáng)弱”教學(xué)中，難點是電磁鐵磁性的強(qiáng)弱怎么體現(xiàn)？學(xué)生猜想出電磁鐵磁性強(qiáng)弱可能跟電流大小和線圈匝數(shù)有關(guān)后，引導(dǎo)學(xué)生思考：

（1）如何判斷電磁鐵磁性的強(qiáng)弱？讓學(xué)生明白在這個實驗中要用到兩種探究方法：控制變量法和轉(zhuǎn)換法.當(dāng)研究電磁鐵磁性的強(qiáng)弱跟電流大小的關(guān)系時，要控制線圈匝數(shù)相同；當(dāng)研究電磁鐵磁性的強(qiáng)弱跟線圈匝數(shù)的關(guān)系時，要控制電流大小相同；而電磁鐵磁性的強(qiáng)弱不能直接看出，如何判斷強(qiáng)弱？通過每次實驗的引導(dǎo)，學(xué)生很容易就能想到通過吸引大頭針的數(shù)量來反映.

（2）要選用哪些實驗器材？引導(dǎo)學(xué)生思考：實驗時，怎樣改變電流大??？（串聯(lián)滑動變阻器來調(diào)節(jié)）；改變線圈匝數(shù)時又如何保持電流相同？（把兩個電磁鐵串聯(lián)），而保持電流相同時又如何改變線圈匝數(shù)？（用兩個匝數(shù)不同的電磁鐵）.通過以上引導(dǎo)分析，學(xué)生容易正確地選擇實驗器材.讓學(xué)生掌握物理研究方法，容易明白制定計劃與設(shè)計實驗的整個過程，順利完成實驗.

通過多種實驗方法從多方面引導(dǎo)，讓學(xué)生去經(jīng)歷過程，是做好實驗教學(xué)的第一步，也是培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計實驗?zāi)芰Φ年P(guān)鍵一步.初中物理教學(xué)中要增強(qiáng)物理實驗教學(xué)，注重培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，使學(xué)生由被動的“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥摹拔乙獙W(xué)”，使學(xué)生的思維能力、實踐能力和探究能力得到真正的提高，最終提升學(xué)生的綜合能力.

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：1-2.

[2] 施燕.基于核心素養(yǎng)的初中物理探究式教學(xué)[J].理科考試研究，2016（14）：61.

[責(zé)任編輯：李 璟]