谈学生实验设计能力的培养

摘要：一个完整的探究式学习大致包括七个要素，“实验设计”是其中的一个重要要素.本文拟从“如何培养学生的实验设计能力，实验设计时应注意哪些问题”来阐述学生实验设计能力的培养.
关键词：实验设计能力；思维程序；注意问题
作者简介：薛福成（1966-），男，中学一级教师，研究方向：物理教育教学.所谓实验设计能力，就是学生运用已具有的物理知识和实验技能，构思出解决问题方案的本领.一般来说，一个完整的探究式学习大致包括七个要素，即：提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集数据、分析与论证、评估、交流与合作.“实验设计”是其中一个重要的要素，它是实现《课程标准》中“过程与方法”目标中培养学生“信息收集和信息处理能力”的渠道，是科学探究能否实现的必要条件， 是培养学生创新意识和创造能力、检验“探究式教学”与“研究性学习”效果如何的较好题型和有效途径.
根据学生在认知过程中的作用实验设计题主要有：探索性实验设计、创造性实验设计和验证性实验设计三类.
1培养方法
11思维程序
如何培养学生的实验设计能力，需要告诉他们设计的方法.因为方法的掌握可以说是能力形成的一种标志.掌握的方法多，意味着能力高；掌握的方法少，意味着能力低 .方法分为两类，一类为“程序化的方法”，是由许多环节、要素组成的操作过程，简称为“过程”；另一类就是解决具体问题的具体化方法，简称为“方法”.这两者可以合称为“过程与方法”.因此，要培养学生的实验设计能力，就应该在课堂教学中培养学生掌握各种相应的方法.
这二类题目的实验设计，其实质都是根据实验题目，明确提出的问题，运用已具备的物理知识或实验技能，有时甚至是根据实验题目所给的信息或提示，构思出解决该问题的方案.
这一思维过程，可按如图所示的程序进行.
12实例分析
下面结合具体实例，对其思维程序作简要分析.
例题老师给小明同学如下器材：一只较粗的平底试管、一些小石子、一只杯子、水、刻度尺.请小明设计一个可直接测定（粗略）液体密度的装置.小明犯了难，请你帮他设计一下，写出设计过程及使用方法.
思维程序分析这是一道创造性实验设计题.该类题目具有一定的难度，需要学生具有一定的综合能力以及知识迁移能力，方可解决问题，因此该类题目宜放在掌握了探索性实验设计和验证性实验设计后再进行.
（1）明确问题
将一试管改制成可以测液体密度的装置.
（2）构思实验假设
利用试管粗略测定液体的“密度”，我们知道应当通过它浸入被测液体中的“深浅”来判定.这样，我们就必须在“密度”和“深度”两个量之间，找到一个联系二者的函数关系式.根据此关系式，达到解决问题的目的.
（3）知识、技能组合
根据题意，运用已学过的知识，试管中放入适量小石块，以使其放入被测液体中漂浮，这时：F浮=G
即ρ液gV排=G
ρ液gShˊ=G
ρ液=GgSh′（h′为试管没入被测液体中的深度）
此式就是我们要找的函数關系式.经过分析，首先要在杯内注入适量的水，将放有小石块的试管放入水中使其漂浮.再根据上述关系，找到一组组对应数据，从而改制测量工具.
（4）方案确定
经过前三步的分析、思考、梳理，即可完成设计方案.
方案如下：
装置改制过程：将试管中放入适量的小石子，使其能竖直漂浮在水中， 此时水面到达的试管处就是1g/ cm3（在试管壁上标定好）.然后再用刻度尺测出浸入水中的试管的深度h.
∵漂浮
∴F浮=G
即ρ水gV排=G
ρ水gSh=G
∴ρ水=GgSh
设GgS=K（常数）
则ρ水=GgSh=kh
K=ρ水h=1·h
因此，漂浮在其它液体中：ρ液=GgSh′=Kh′=hh′
这样，根据上述关系，找到密度与深度的对应关系：
当h′=1cm时，ρ液=h（g/cm3）；
当h′=2cm时，ρ液=h2 （g/cm3）；
……
当h′=0.1cm时，ρ液=10h（g/cm3）；
当h′=0.2cm时，ρ液=5h（g/cm3）；
……
按上述对应关系在试管外壁上标好密度刻度盘.
使用方法：将装有适量石子的试管放入被测液体中，根据液面到达的刻度，从密度刻度盘上便可直接读出被测液体的密度.
2设计时应注意的问题
（1）科学合理性
实验设计的原理、程序以及方法等，都必须与物理知识的科学性和实验操作的合理性相一致.
（2）简约性
实验的设计等需尽可能的采用简单的仪器或装置，用较少的实验步骤，用较短的时间来完成实验.这就是实验的“简约性”.
（3）安全性
实验的设计在操作中，要尽量避免危险.另外，所选药品要尽量避免有毒药品.如，水银等.
（4）效果明显性
就是按照你设计的实验进行操作或改造的装置进行使用时，产生的现象等要明显、直观，便于观察与记录.
（5）多样性
就是设计的方案可以是多种多样的，并非唯一.