1、谈物理教学中实验设计的策略(此文获市级创新论文二等奖)摘要：实验是物理学的基础，是培养学生观察、动手、思维能力的重要手段，是完成教学活动必不可少的环节。在以往的教学中，教师在指导学生进行实验时只是按实验报告的方法、步骤去操作，很少启发实验设计的思路和方法，造成学生不能成功的设计实验。因此在物理教学中，实验能否顺利进行，能否得出正确的结果，科学合理的实验设计是不可缺少的。本文从实验设计的基本思路、基本方法、基本原则进行了分析，旨在培养学生的实验能力和创新能力。关键词：实验设计 演示实验 思路 方法实验在中学物理教学中占有极其重要的地位。在课程标准中，物理实验教学要求也是从三维目标来规定的。物理实
2、验不仅仅是知识与技能的学习，也不仅仅是“动手+动脑”的活动，它对学生的心理发展，提高合作意识和能力、体验和感悟科学本质等方面都有不可替代的作用。实验能否顺利进行、能否得出正确的结果，科学合理的实验设计是不可缺少的。实验设计得好与差能很好地反映出一个人的实验能力。通过让学生掌握科学探究中的设计实验来提高他们的实验设计能力是非常必要的。一、物理实验设计的思路实验设计是在实施物理实验根据物理实验的目的和要求，运用相关的物理知识和技能对实验的仪器装置方法和步骤所进行的一种规划。它对实验成功与否起到至关重要的作用。它一般包括实验原理的选择，实1验仪器的选用，实验装置的设计及装置顺序的连接，实验操作的顺序
3、，实验操作的规范，方案优劣的评价(隐性的) 和实验注意事项等。物理实验设计的思路一般为：1明确实验目的：根据课题(或题目)所提供的信息，明确做什么。2确定实验原理：根据课题(或题目)所提供的信息，以及储备的知识和经验“搜索”达到这一“实验目的”有那些途径，再考虑各方面因素的基础上从这一策划中选出最佳途径作为本实验的原理。3设计实验仪器和实验步骤：根据实验目的、实验原理以及实验仪器的性质和特点所适用的实验环境和条件，选择仪器，设计合理的实验所用仪器和实验操作步骤。4列出记录实验现象和实验数据的空白表格：根据实验目的和要求对实验过程中需要记录的实验想象和数据而设计的专用空白表格，为后来分析得出结论
4、提供事实依据。5注明实验注意事项：对实施实验过程中的关键条件，操作重点和安全要素等，给以说明和解释，以引起重视。如：在大气压测定的教学中，教师演示作铺垫，引导学生观察思考。（1）先用玻璃杯装满水倒插入水槽中，再慢慢往上提（杯口不离开水面，下同） ，观察杯中水是否充满？接着换用量筒和细长玻璃管，重复上述过程。（2）学生讨论：你观察到了什么现象？为什么水总是充满的？怎样做才能使水不充满呢？经过讨论之后，使学生认识到：水充满的原因是由于大气压大于管2中的水压，只有管内水压等于外界大气压时，把管子再加长的话，管内水面就不再上升充满整个管子了，这时它的上方成了真空。这就给我们提供了一个测量大气压的思路：
5、可以利用液体压强间接测量大气压。但是由于水的密度太小，要求玻璃管太长，所以，人们就选择了密度大的液体水银，这就是著名的托里拆利实验。学生阅读：托里拆利实验。思考（投影）：（1）开始时，水银为什么会下降？什么时候停止下降？（2）玻璃管内水银柱上方为什么是真空？（3）如何计算大气压的值？学生回答后，教师小结并强调：P 0 水银gh 13.6103kg/m398N/kg0.76m1.01310 5Pa学生讨论可用哪些方法测大气压？（讨论后，逐一投影）（1）器材：吸盘、弹簧测力计；原理：PF/S思路：（由学生交流讨论，再整理）（2）器材：注射器、弹簧测力计、刻度尺；原理：PF/S思路及表格：（由学生交
6、流讨论，再整理）以上两步，在学生讨论的基础上，再将实验的思路总结出来，进行实验。（3）师生共同讨论实验中遇到的问题以及解决的方法。在教师的引导下，使学生学习到一种间接测量大气压的方法，通过学生自己设计实验，欣赏自己的方法，学习他人的方法，来拓展自己的思维。3二、物理实验设计的方法物理实验设计的方法是决定实验成功与否的首要因素。在物理实验教学中，如果能让学生在“明确实验目的，弄懂实验原理，了解实验仪器的性能，搞清实验的步骤”的基础上，对物理实验的设计思想和方法有所了解，对学生进行科学方法的教育和训练，培养学生创造性思维有着重要的意义。1、明确目的，确定原理，横向联系在物理实验中，要求测定什么物理
7、量或要求验证、探索什么规律，这是实验目的，是实验设计的出发点。实验目的明确后，就要应用所学知识，确定其实验原理。实验的理论根据不同，意味着实验的器材、方法、步骤等方面都存在着差异。因此将知识横向联系，看看该物理量或物理规律在哪些内容中出现过，与哪些物理现象有关，与哪些物理量有直接的联系。对于测量型实验，被测量通过什么规律需用哪些物理量来定量地表示；对于验证型实验，在相应的物理现象中，怎样的定量关系成立，才能达到验证规律的目的；对于探究型实验，在相应的物理现象中，涉及哪些物理量 这些都是应首先分析的。如，在复习时测定物质的密度时，我们就应对知识点进行检索，即在所学的知识范围内，哪些内容涉及到密度
8、，它与其它物理量有何定量关系，并一一罗列出来：（1）由 m/v，利用天平和量筒测量。（2）由 P1=P2， 1gh1=2gh2， 1h1=2h2，利用连通器和刻度尺测量。（3）由 F 浮 液 V 排 g，利用弹簧测力计和水，使用称重法测量。4（4）由 F 浮 G 物 ，利用弹簧测力计和溢水杯、水，利用条件法测量。2、选择方案，简便精确对一个实验而言，可能存在多条思路、多种设计方案。教材中关于某个实验的实验方案，也只是众多方案中的一种，而且不一定是最好的一种，而只是较可行的一种。如，在测液体质量教学中（1）先测量烧杯的质量，然后测量烧杯和液体的质量，最后用后者减去前者。（2）先测量烧杯和液体的质
9、量，然后测量烧杯和里面残留液体的质量，然后再减。教师可引导学生讨论，使用哪一种方法测量方便合理。3、依据方案，选定器材实验方案选定之后，考虑该方案需要哪些装置，被测量与哪些物理量有直接的定量关系，这些物理量分别需用什么仪器来测定，从而确定整个实验需要哪些器材。如，想测量一枚合金戒指（约 10g 左右）的密度，来到实验室，物理老师拿给他以下器材：250cm 3、100cm 3、50cm 3的量筒各一个，量程为 5N，最小刻度值为 0.2N 的弹簧秤一个，最小砝码为 1g，标尺的最小刻度为 20mg 的托盘天平一台（已调平衡） ，还有小烧杯一个，足量的细线和水，让他从这些器材中选用一部分进行测量。
10、请你帮助小明设计一个最佳的试验方案，使测量结果尽量精确。要求：（1）写出选5用的器材；（2）写出主要的实验步骤；（3 ）推导出计算戒指密度的公式。方案一器材：天平、小烧杯、细线、水实验步骤:（1）用天平测出戒指的质量 m；（2）在烧杯中倒入适量的水，将烧杯放在天平的左盘，在右盘中添加砝码使天平平衡，测出质量 m1；（3）用细线系住戒指，将戒指全部没入烧杯的水中，在天平的右盘中添加砝码，使天平重新平衡，测出质量 m2；推导公式：方案二：器材：天平、50cm 3的量筒、水、细线实验步骤：（1）用天平测出戒指的质量 m（2）在量筒中倒入适量的水，测出水的体积 V1（3）将戒指用细线系住没入量筒的水中
11、，测出总体积 V2公式：4、拟定步骤，合理有序实验的设计程序是有先后顺序的。实验中的某一项设计往往是后一项设计的必备条件,如果设计程序颠倒可能会使实验不能顺利进行。因此水物物水物物水 121212 V V12Vm物6在实验之前，要做到心中有数：如何组装器材，哪些量先测，哪些量后测，应从正确操作和提高效率的角度拟定一个合理而有序的实验步骤。5、数据处理，误差分析误差是不能避免的，由于测量仪器、实验条件以及种种因素的局限，测量时不能无限精确的，误差存在于一切测量之中，而且贯穿测量过程的始终。实验误差可以表征测量结果的可靠程度，反映测量的精确度。研究实验误差，可以使人们在接受一项测量任务时，要根据对
12、测量误差的要求设计实验方案，选择仪器和实验环境。在实验过程中和实验后，通过对误差大小及成因的分析，找到影响实验精确度的原因并加以校正。如，在测量盐水密度实验中由于两种测量盐水质量的方法不同对实验结果造成误差分析；在探究串联电路中总电压与各部分电路之间电压关系时误差的分析；测电阻时内接法与外接法对测量结果的影响等等。三，实验设计的基本原则1、安全性原则所谓安全性原则就是在实验中确保实验器材的安全和人身安全。如，在大气压测定的教学中要考虑到水银蒸汽对人身体的影响；在电学教学中：通过滑动变阻器（或其它电学仪器） 、电源、用电器的最大电流（电压）不能超过其额定电流（电压） ，通过电表（电流表或电压表等
13、）的最大电流不能超过其量程。2、简便性原则即要求所选方案原理简单、操作简便，各量易于测定。应尽量避免实施那些原理复杂、操作繁琐和被测量不易直接测量的实验方案。7如：低压沸腾实验：（1）用抽气机和真空泵实验（2）将烧瓶中的水煮沸，加塞停止加热后，水得沸腾停止，再将瓶倒置在支架上，往瓶底加冷水，水又沸腾。（3）往瓶中倒进八九十度的水，再用抽气机抽气水就沸腾起来了。（4）用 100ml 大针筒直接抽取 10ml 的 90 摄氏度的热水，将针筒尖端用橡皮帽封住，拉动活塞，针筒内的水就沸腾起来。在上述实验设计中（4）最为操作简便，且易于观察。3、可行性原则实验方案的实施要安全可靠，不会对人身和器材造成危
14、害；所需装置和器材要易于置备，不能超出现有条件，不能脱离实际。4、准确性原则：不同的实验方案，其实验原理、所需装置和器材以及实验重复性等方面所引起的误差是不同的。在选择方案时，应对各种可能的实验方案进行初步的误差分析，尽可能选用精确度高的实验方案。如：测量液体密度实验中用天平测量液体的质量。总之，实验是物理教学不可缺少的一部分，无论演示实验还是学生的设计实验，都有一定的规律可循。只要掌握正确的方法、指导思想、清晰准确的思路，再通过不断的实践，不断的失败和总结经验，就能很好的、成功地完成实验，并能通过设计实验自行解决一些疑问和难点，提高自主学习能力。这既是物理学科的特点同时也是物理学科的优势，我们应该深入挖掘这一优势，吸引学生投入到物理的学习当中。通过物8理实验调动学生积极性，变学生的被动学习为主动参与，使学生在乐趣中获取知识。这样学生对于物理兴趣增加了，自然物理的教学效果也会大幅提高。参考文献：1.廖伯琴，张大昌物理新课程标准（实验稿）解读 湖北教育出版社2002 年版 .2.潘人培，董宝昌主编物理实验教学参考 高等教育出版社.3.蔡显鄂，项一非，刘衍光修订物理化学实验 (第二版)复旦大学等编高等教育出版社.4.田培银，物理实验设计的基本方法， 中学物理教学参考1997 年第4 期
