提升初中学生物理实验设计能力策略的研究

耿春山

【摘  要】  初中物理实验教学能够有效落实物理学科的课程目标，全面提升学生的物理核心素养.实验教学的开展不仅能够培养学生的实践能力和解决问题的能力，也能够促进他们思维模式、创新意识和科学态度的发展和进步.本文从我校的初中物理实验教学现状出发，详细探讨在初中物理教学当中提升学生实验设计能力的有效措施，希望能够有效培养学生良好的物理实验设计思维.

【关键词】  初中物理；实验教学；设计能力

通过对我校教师访谈和学生作业、测试反馈发现：明明已经做完了相关实验，可是学生在实验题上错误和失分还是较多.究其根本，是因为部分教师实验教学缺乏有效的设计和实施策略，重视操作而忽视学生思维设计过程，僵硬地让学生记实验操作、记实验现象、记实验结论，缺乏让学生想为什么这样做的思考过程，也缺少引导学生或让学生独立设计实验的过程，从而导致学生没有掌握住清晰的实验设计原理和明确的实验流程，可见教学中培养学生的实验设计能力急需落实.

1  实验设计应该遵循的原则

综合性强和创造性强是实验设计的突出特点，它需要学生综合利用自己学习过的知识和经验，创造性地思考解决问题的方法和流程；也具有极强的灵活性和开放性，需要学生针对需要解决的问题的不同条件，设计出不同的实验方案，即使是相同的条件也可以引申出其他的计划和策略.因此，对于探究式实验方案的设计，教师需要引导学生遵循以下原则.

1.1  科学性原则

科学性是指实验设计要有明确的实验目标，能够解决什么样的问题、能够达到怎样的效果、能够讲明什么原理等[1].同时，实验设计所依靠的物理原理必须真实、正确和科学，从而使得学生能够根据实验目的和实验原理学者正确的实验器材.实验方法的选择也要科学严谨.对于探究式实验的设计不能脱离基本的物理知识和概念，并要遵循其他学科基本原则.

1.2  控制变量原则

变量简单来说是学生在实验过程中自行控制的影响因素，能够在性质和数量上产生变化.按照它们的不同性质，可以将其分为两类四种变量：

（1）实验变量和反应变量

实验变量也可以称之为自变量，是在实验过程中学生能够操控的因素.反应变量可以称之为因变量或应变量，指的是在实验过程当中因为因素的变化而产生不同变化的实验结果.一般来说，实验变量是导致实验结果出现变化的原因，反应变量是因素变化产生的结果，两者之间具有因果关系.实验的目的便是为了解释清楚其中的因果关系.

（2）无关变量与额外变量

无关变量可以称之为控制变量，指的是在实验过程中除实验变量外能够影响实验流程和实验结果的因素.额外变量也可以称为干扰变量，指的是在实验过程中无关因素产生的变化和结果.

2  培养初中生物理实验设计能力的教學策略

2.1  强化实验探究教学

（1）充分利用常规的探究性实验

探究性实验教学和传统的物理实验教学不同，学生不再是只能够听教师讲课、看教师实验的“机器人”.他们需要在教师的指引之下，充分利用自身的知识和技能，创造出自己的实验设计方案，进行独立实验操作，对于实验现象进行自主分析和总结，从而得出相应的结论[2].这种方式能够实现真正的自主探究和自主学习，使得他们能够在亲自操作中促进知识的不断内化、经验的不断丰富和知识体系的不断完善，从而形成良好的学习方式和学习习惯.教师可以利用常规测定性实验，引导学生参与实验过程进行一定的实验设计，以此提升他们的实验设计能力.

例如  以初中物理北师大版八年级下册第九章机械和功的第六节“测滑轮组的机械效率”为例，我校课题组成员彭老师做了一节测量滑轮组机械效率的研究课.

课题组成员听课并进行了讨论.大家认为要想培养孩子实验设计能力，教师在实验课前的准备工作非常重要.根据我校学生的实际水平，既不能说得太多，又不能完全放开，教师的引导非常关键，所以教师应该在教学设计上下功夫，学案和习题设计上有梯度、要能引发学生思考，这样的设计才能逐步提升学生实验设计能力.课题组成员对准备研究的几个常规测定性实验（测平均速度、用天平量筒测密度、伏安法测电阻、伏安法测电功率）的教学设计、学案、习题进行了重新加工和设计，并进行了交流.通过交流，大家还觉得，对于测量类实验，还应该让学生知道测量类实验的实验报告的设计流程：实验目的、实验原理、需要的器材、实验步骤、记录表格等，为将来学习书写实验报告做好铺垫.

（2）引导独立设计实验并进行探究

在物理实验教学当中，教师往往会通过各种示范实验帮助学生明确实验过程和实验方案，演示实验具有着极为特殊的要求，要在短时间内产生极强的直观效果.但在教学过程当中，大部分教师会选择直接照搬教材，使得演示实验的效果较为低质.基于此，初中物理教师便要减少对于实验设计的影响和引导，促使学生能够通过独立探究，激发思维碰撞，使得他们能够主动参与到实验设计的活动之中.

例如  以初中物理北师大版九年级全一册第十二章欧姆定律的第一节“学生实验：探究——电流与电压、电阻的关系”为例，我校课题组成员张老师、于老师，分别做了“探究电阻的影响因素”“探究电流与电压、电阻关系”两节探究类实验课.

通过听课和研讨，大家发现这两节探究课项目齐全，学生在老师的引导下，也很顺利地设计出来实验电路、实验步骤、记录表格，也进行了实验探究，通过分析数据得到了相应的结论.但是这几乎都是在老师的引导下完成的，大家通过研讨发现，探究课几乎都是这样上的，很少有教师给学生一个探究题目，放手让学生独立去体验一次或几次完成要探究的问题，这也直接导致了学生在遇到给出探究题目，要求写实验步骤、设计实验表格、分析实验结论的题还是思路不清楚.

所以建议最好每个学期至少要让学生经历一次独立的实验探究.除此之外，也一定要对探究实验进行强化练习，最好以专题练习的方式强化探究实验的设计练习，逐步培养学生通过“思维导图”的方式分析解决探究实验的设计过程，从而逐步提高设计能力.

2.2  规范实验设计的基本思路

正确的思路是取得正确实验结果的重要保障.因此，初中物理教师便要在日常教学过程中充分利用教材当中的示范实验，引导学生感悟其中的实验设计思想和方式，从而掌握住进行实验设计的技巧和措施[3].同时，教师要时常引导学生进行规范性实验设计的思考，使得他们能够形成基本的实验设计思路.也可以利用一些经典的物理习题，帮助学生确立下明确的实验设计思路.本文结合了具体的案例对培养学生正确的实验设计思路进行了简单的分析.

例如  以北师大版九年级全一册第十二章为例，第二节“根据欧姆定律测量导体的电阻”的教学目标是为了让学生能够通过欧姆定律，学会用电流表和电压表测量小灯泡的电阻.因此，教师便可以从此出发，第一步，要帮助学生明确实验设计的目的：“测量未知电阻的阻值”，知道如何进行电阻的测量；第二步，要带领学生分析本次实验设计背后的原理——欧姆定律，和需要用到的电阻计算公式：（U表示电压，I表示电流），知道要想测量小灯泡的电阻，就要知道小灯泡两端的电压和通过的电流；第三步，引导學生准备好小灯泡、电流表、电压表、开关等实验材料，要带领他们通过之前学习的电路知识，进行串并联电路的连接；第四步，要引导学生根据串并联电路的特点，确定下最终的实验方法，以此测量出在不同电流和电压的情况下小灯泡的电阻；第五步，教师要带领学生进行整个实验设计的书写，以此确定下明确的实验流程.

2.3  把握实验设计的基本原则

养成学生基本的实验设计思路是必须，帮助他们掌握正确的实验设计基本原则也是必须.

例如  以初中物理北师大版八年级下册第七章运动和力的第六节“学生实验：探究——摩擦力的大小与什么有关”为例，本课主要是探究影响摩擦力大小的因素.在完成了本次实验之后，我校教师提出了此类问题：“在探究摩擦力大小和接触面粗糙程度的关系时，能否用手拖动木块？”在学生激烈的相互讨论中，他们发现用手拖动木块不仅无法控制木块移动的速度，也无法控制木块承受的压力.这无法得出准确的实验数据和实验结果，也违反了实验设计的控制变量原则.利用上述的方式，我校教师不仅帮助学生确定下科学的实验流程，也使得学生掌握住了实验设计的原则，从而促进他们实验设计能力的不断提升.

3  结语

综上所述，在初中物理教学当中开展实验设计能力的培养活动不仅能够激发学生的学习兴趣，也能够培养他们创新意识和科学探索精神.但在目前的初中物理教学当中，实验教学仍存在着一定的问题，探究式实验工作也面临着较多阻碍.这便需要初中物理教师正确对待每一困难，不逃避不掩盖，在不断的实践过程中总结经验和教训.虽然培养学生的实验设计能力是一项长期性的工作，但教师仍要秉持着科学的精神和认真的态度，充分调动学生的自主探究欲望，从而取得良好的物理教学效果.

【本文系北京教育学院课题，课题名称：提升初中学生物理实验设计能力策略的研究课题编号：XYJG2022-38研究成果】

参考文献：

[1]王想敏.核心素养导向下的初中物理创新实验教学设计——以“大气压强”实验教学为例[J].物理教学，2022，44（02）：38-40.

[2]陈运保，李芳芳.初中物理教材探究实验中批判性思维内容比较研究——以“人教版”和“上教版”教材为例[J].物理教师，2020，41（11）：50-53+56.

[3]黄树清，卢倩.指向科学思维培育的初中物理实验教学问题设计——以“液化”为例[J].物理教师，2020，41（08）：43-45.

[4]许灵秀.初中物理实验《探究阿基米德原理》的创新设计及其分析[J].科技视界，2020（14）：137-139.

[5]朱耀华.初中物理教学中融入信息技术的探究[J].启迪与智慧（上），2023（01）：184-186.