初中物理開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)

周楓

摘 要：在初中物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)重視培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，促進(jìn)學(xué)生主體性的養(yǎng)成。只有在日常學(xué)習(xí)中夯實(shí)基礎(chǔ)、多進(jìn)行日常訓(xùn)練并摸索出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，才能有效地提升開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力。

關(guān)鍵詞：開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力；夯實(shí)基礎(chǔ)；日常訓(xùn)練；總結(jié)方法

引言

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理實(shí)驗(yàn)是物理課程的重要組成部分?！吨泄仓醒雵?guó)務(wù)院關(guān)于深化教育改革全面推進(jìn)素質(zhì)教育的決定》中明確提出：“實(shí)施素質(zhì)教育，就是全面貫徹黨的教育方針，以提高國(guó)民素質(zhì)為根本宗旨，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造精神和實(shí)踐能力為重點(diǎn)” [1 ]。而初中物理開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)正是以創(chuàng)新為核心，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)遷移能力的一種高層次的綜合能力考核。因此，在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力已經(jīng)成為適應(yīng)當(dāng)前課程改革和教育目的的需要。

1 相關(guān)研究

1.1 概念界定

開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力是指運(yùn)用已學(xué)過(guò)的測(cè)量?jī)x器和實(shí)驗(yàn)方法以及有關(guān)的知識(shí)，按題給要求自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，研究物理現(xiàn)象、探索物理規(guī)律或測(cè)定物理量的能力 [2 ]。

1.2 現(xiàn)狀

開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題是近幾年全國(guó)各地的中考物理試題中頻繁出現(xiàn)的新題型，這類題涉及的知識(shí)面廣、解法靈活、思維方法獨(dú)特，著力考查學(xué)生對(duì)于重要實(shí)驗(yàn)儀器的原理及使用方法的掌握情況，同時(shí)對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)，語(yǔ)言表述等能力都提出了較高的要求，加上該類題具有很強(qiáng)的開(kāi)放性，學(xué)生對(duì)此題型的解答能力明顯不足，往往不得要領(lǐng)，只能望洋興嘆、無(wú)從下手。

2 初中物理課堂實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的教學(xué)策略探討

能力的養(yǎng)成并非一朝一夕，我們?nèi)绾卧谌粘＝虒W(xué)中潛移默化地提升學(xué)生開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力呢？下面我談一下對(duì)于提升開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的些許體會(huì)。

2.1 夯實(shí)基礎(chǔ)，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的提升掃清障礙

能力的培養(yǎng)要建立在扎實(shí)的基本功之上，對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力而言，基本功包含了能熟練地記憶并運(yùn)用公式、物理原理、物理規(guī)律， 對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的原理了如指掌，對(duì)儀器的使用駕輕就熟等等。而這一切都源自日常的積累。

2.1.1 教師在日常教學(xué)中要注重學(xué)生的記、思、解和說(shuō)

具體來(lái)說(shuō)，就是要注重學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，并要求學(xué)生牢固、準(zhǔn)確地掌握；要讓學(xué)生發(fā)揮想象力，平時(shí)注意對(duì)學(xué)生邏輯思維能力的培養(yǎng)；要用多種方法解答的問(wèn)題，盡可能利用多種方法解答，拓寬學(xué)生解題思路；要有意識(shí)地多讓學(xué)生說(shuō)，讓學(xué)生對(duì)物理原理、規(guī)律有更深入的認(rèn)識(shí)和理解。

2.1.2 教師應(yīng)讓學(xué)生熟悉開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)題所涉及的知識(shí)范圍

縱觀初中物理課本，密度、壓強(qiáng)、浮力、電阻、電功率的測(cè)定是開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題涉及的熱點(diǎn)。學(xué)生應(yīng)深刻理解上述物理量的定義、相關(guān)公式，明確這些物理量與哪些因素有關(guān)。例如：密度公式是ρ=，測(cè)密度時(shí)，一般可以從質(zhì)量與體積兩方面入手。

2.1.3 教師應(yīng)通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生熟知實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的諸多思維方法

例如，在研究音叉振動(dòng)發(fā)聲時(shí)，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明音叉正在振動(dòng)呢？這就需要應(yīng)用到放大法，可以在音叉旁邊懸掛乒乓球，通過(guò)乒乓球的振動(dòng)將音叉振動(dòng)的現(xiàn)象放大；再如測(cè)量細(xì)絲直徑時(shí)，可以將細(xì)絲緊密纏繞在鉛筆上，用纏繞的總寬度除以圈數(shù)，這便是利用了累計(jì)法；當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法還包含模擬法、轉(zhuǎn)換法、比較法、替代法、控制變量法等等，這就需要學(xué)生熟知每一種的測(cè)量方法，只有這樣，在具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，才能做到游刃有余。

2.1.4 教師應(yīng)創(chuàng)造盡可能多的動(dòng)手操作機(jī)會(huì)

在初中階段，要求學(xué)生會(huì)用的重要儀器包括刻度尺、天平、量筒、測(cè)力計(jì)、電流表、電壓表、滑動(dòng)變阻器等，教師應(yīng)讓學(xué)生親自接觸以上實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步熟悉重要的物理儀器原理及使用規(guī)則。只有對(duì)每個(gè)儀器的使用都得心應(yīng)手，了解儀器的適用范圍，才可以在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行合理地選材。

總之，開(kāi)發(fā)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是對(duì)學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ木C合考查，只有扎扎實(shí)實(shí)地練好基本功，才有助于迅速、準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案。

2.2 日常訓(xùn)練，把課堂變成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的鍛煉場(chǎng)

如果你吃掉一把鹽，你會(huì)覺(jué)得難以下咽，但如果把鹽灑入湯中，你不知不覺(jué)地吃掉了所有的鹽，還覺(jué)得湯十分地美味。同樣地，與其讓孩子一到考試，就害怕實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，倒不如把實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)滲透到日常的課堂教學(xué)中，讓他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中玩，最終必然能在玩中提升實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力。

例如：在講到聲音的產(chǎn)生時(shí)，我讓學(xué)生利用身邊的器材發(fā)出聲音，并交流一下這個(gè)聲音是如何產(chǎn)生的。學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情頓時(shí)高漲起來(lái)，有人撕下一張紙，用雙手抓住紙的兩端內(nèi)外伸縮，果然聲響很大；有人用筆敲擊筆盒；有人固定住尺子的一端，用手撥動(dòng)另一端，甚至有位學(xué)習(xí)成績(jī)不太好的學(xué)生，用手摸著聲帶大喊我老師我愛(ài)你，這一個(gè)個(gè)來(lái)源于學(xué)生們自己的設(shè)計(jì)，讓他們對(duì)聲音的產(chǎn)生印象深刻。

再如，講到壓力的作用效果與壓力的大小關(guān)系時(shí)，我同樣不提供器材，讓學(xué)生自己想辦法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其實(shí)，我在有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的選材能力?；谌粘Ｕn堂上的鍛煉，學(xué)生漸漸適應(yīng)了利用生活中看似無(wú)關(guān)的材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有學(xué)生拿起自帶的礦泉水瓶，一邊演示一邊說(shuō)：“我先輕捏瓶子，后來(lái)用力捏，發(fā)現(xiàn)在受力面積一定時(shí)，壓力越大時(shí)，壓力的作用效果越明顯”，有的學(xué)生拿起了一支圓珠筆，用食指頂住筆尖，用力之后，大叫一聲：“你看，我的手馬上痛了，而且手指凹陷得更明顯了”，有的學(xué)生站起來(lái)說(shuō)道：“我什么器材都不需要，你看，我臉上的肉多，手指越用力按，臉形變?cè)絽柡Α保环捯萌嗪逄么笮Α?/p>

課堂上，通過(guò)設(shè)計(jì)良好的實(shí)驗(yàn)本身來(lái)激發(fā)學(xué)生的興趣，使學(xué)生從好奇出發(fā)，進(jìn)而發(fā)生興趣，只有這樣，才能使學(xué)生自覺(jué)自愿地參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)活動(dòng)，而且，在這樣的課堂學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生激情飛揚(yáng)、活力四射，真正的學(xué)會(huì)、會(huì)學(xué)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力真正的得到提高，同時(shí)，學(xué)生的創(chuàng)造精神和實(shí)踐能力也得到了有效培養(yǎng)。

2.3 總結(jié)方法，讓實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有章可循

橫看成嶺側(cè)成峰，開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的分類有很多種，但我想從探究性（驗(yàn)證性）和測(cè)定性這兩方面談?wù)剬?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法。

（1）探究性（驗(yàn)證性）實(shí)驗(yàn)

這類題大多數(shù)是給定結(jié)論，尋求條件。例如請(qǐng)你根據(jù)所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)探究滑動(dòng)摩擦力的大小與哪些因素有關(guān)，或是設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明液體壓強(qiáng)的存在。

當(dāng)面對(duì)這類題時(shí)，第一，要明確研究對(duì)象，我們“以證明液體壓強(qiáng)的存在”為例，通過(guò)審題，我們知道要證明的結(jié)論是液體壓強(qiáng)的存在。那么，液體壓強(qiáng)就是要研究的對(duì)象；第二，思考與研究對(duì)象相關(guān)的物理原理、規(guī)律。在這道題中，就是要在腦海中搜索與液體壓強(qiáng)相關(guān)的規(guī)律，例如液體對(duì)容器的底部、側(cè)壁有壓強(qiáng)、同一液體的壓強(qiáng)隨深度的增加而增大等等。第三，根據(jù)所選的原理、規(guī)律進(jìn)行選材和制訂步驟。假設(shè)我們選擇液體對(duì)容器的底部有壓強(qiáng)這一規(guī)律，那么我們應(yīng)該選擇水、裝水的礦水瓶、保鮮膜及細(xì)線。步驟如下：往礦泉水瓶中裝足量水，將保鮮膜包在瓶口，并用細(xì)線綁緊，將瓶口朝下，發(fā)現(xiàn)膜向下凸起。

（2）測(cè)定性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

此類實(shí)驗(yàn)有的是給足條件，讓你測(cè)量某個(gè)物理量（如例1）；有的是條件不足，讓你自行選擇器材后，再測(cè)量出某個(gè)物理量（如例2）。

例1 提供電源、若干導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)、電流表、一個(gè)已知阻值的電阻、一個(gè)滑動(dòng)變阻器這些器材，要求測(cè)出一個(gè)未知電阻的阻值。

例2 只提供量筒這一種測(cè)量工具，器材自選，如何測(cè)定橡皮泥的密度，請(qǐng)你寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)步驟和需要測(cè)量的物理量。

以例2進(jìn)行分析，這類設(shè)計(jì)題應(yīng)從何入手呢？這時(shí)候，腦海中必定會(huì)出現(xiàn)許多的問(wèn)號(hào)：沒(méi)有天平怎么測(cè)橡皮泥的質(zhì)量呢？還要選擇哪些器材？是先寫(xiě)步驟還是先確定要測(cè)的物理量？

對(duì)于此類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)依然有可遵循的解題方法：第一、明確解題思路（如圖1）；通過(guò)思路分析，步步深入。題目提供了量筒，說(shuō)明橡皮泥的體積可求得，所以我們可以從質(zhì)量除以體積這個(gè)公式入手，而質(zhì)量如何測(cè)量呢？當(dāng)一個(gè)物理量無(wú)法直接測(cè)量時(shí)，往往可尋找與之有關(guān)系的物理量間接測(cè)量，這就是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思維在此處的應(yīng)用。于是我們想到重力與質(zhì)量間的聯(lián)系。這樣的思維其實(shí)也體現(xiàn)了課程總目標(biāo)中提到的學(xué)習(xí)一定的物理基礎(chǔ)知識(shí)，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣，在解決問(wèn)題或做決定時(shí)能嘗試運(yùn)用科學(xué)原理和科學(xué)方法。那么，繼續(xù)思考重力大小如何測(cè)量呢？一樣要利用間接測(cè)量的思維方法，在有水的情況下，只要物體漂浮，那么重力和浮力就相等，于是想到讓橡皮泥漂浮，方法就是捏成碗狀，此時(shí)的浮力可利用阿基米德原理的展開(kāi)式求得。

完成了思路分析，我們便可以進(jìn)行第二步，就是在思路分析中尋找直接測(cè)量的物理量；從思路的第一條橫向分支，我們明確了要測(cè)橡皮泥質(zhì)量，就要先測(cè)出V1和V2，從第二條分支，明確了若要測(cè)橡皮泥的體積，就要再測(cè)V3，于是，要直接測(cè)量的物理量有三個(gè)。

第三步，就是利用需要直接測(cè)量的物理量確定實(shí)驗(yàn)步驟。該實(shí)驗(yàn)的步驟可分為三步：①往量筒中倒適量水，讀出水的體積V1；②將橡皮泥捏成碗狀，使其漂浮于量筒的水中，記下液面對(duì)應(yīng)的示數(shù)V2；③將橡皮泥捏成實(shí)心球狀，使其沉于量筒的水中，記下液面對(duì)應(yīng)的示數(shù)V3。

2.4 積極思考，將知識(shí)進(jìn)行遷移、拓寬

一道開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的價(jià)值不光體現(xiàn)在學(xué)生能否有效的將課本的知識(shí)遷移到題目中，還體現(xiàn)在能否進(jìn)一步地引申發(fā)展成為另一個(gè)新問(wèn)題。

例如在上述測(cè)橡皮泥密度的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)后，教師能否拋出這樣的問(wèn)題引發(fā)學(xué)生的思考：還有哪些物體的密度可以用量筒這一種測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量？也就是能用該方法進(jìn)行密度測(cè)量的物體要具備什么特點(diǎn)？通過(guò)討論，似乎答案仍沒(méi)有浮出水面。于是，我在黑板上寫(xiě)了：“可 可 ”這行字讓學(xué)生進(jìn)行填空，每條橫線只能各填一個(gè)字。頓時(shí)，學(xué)生們的思維被打開(kāi)了，一個(gè)學(xué)生說(shuō)到可以漂浮，才能利用浮力求重力，第一空填“漂”，接下來(lái)，第二空的答案馬上被揭開(kāi)，是“沉”，因?yàn)橹挥薪](méi)，才能測(cè)體積。學(xué)生沉浸在猜字的喜悅中，我又發(fā)問(wèn)：考古學(xué)家在墓堆里發(fā)現(xiàn)了一個(gè)玉質(zhì)的小酒杯，你能利用量杯測(cè)出它的密度嗎？由于剛才的“可漂可沉”四個(gè)字深入人心，學(xué)生馬上說(shuō)出先讓酒杯開(kāi)口向上漂浮于水中，再讓它浸沒(méi)水中；我又問(wèn)：小木塊的密度會(huì)測(cè)嗎？木塊“可漂”，可以利用針壓法讓其浸沒(méi)，同樣可以測(cè)出它的密度。

新課程強(qiáng)調(diào)教學(xué)過(guò)程是師生交往、共同發(fā)展的互動(dòng)過(guò)程[3 ]。通過(guò)一個(gè)個(gè)問(wèn)題的拋出，學(xué)生深刻地理解了利用量筒測(cè)密度可應(yīng)用在哪些物體上，更重要的是，學(xué)生的思維得到了遷移和拓寬。

總之，在日常的教學(xué)活動(dòng)中，教師如果能正確處理好傳授知識(shí)與培養(yǎng)能力兩者關(guān)系，那么，這對(duì)促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)具有十分重要而現(xiàn)實(shí)的意義 [4 ]。

我相信，只要能在平時(shí)效仿撒鹽喝湯的做法，那么，久而久之，學(xué)生們將不再懼怕實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，而是能充分領(lǐng)略到它的魅力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳友道.中學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)案例研究[M].北京：人民教育出版社，2005.

[2] 楊寶山.我國(guó)高中物理課程教學(xué)大綱變革的歷史回顧[J].教育史研究，2007.

[3] 教育部基礎(chǔ)教育司.走進(jìn)新課程：與課程實(shí)施者對(duì)話[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2009.

[4] 唐中華.課堂教學(xué)互動(dòng)方法研究.高教研究[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007.