對一個初中物理探究實驗設(shè)計的評析

摘 要：物理探究實驗在教學(xué)中占有重要的地位，實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)論的準確性對學(xué)生物理概念的構(gòu)建和規(guī)律總結(jié)有重要影響，因此實驗方案的設(shè)計與器材的選擇及數(shù)據(jù)收集至關(guān)重要，下文是筆者在教學(xué)實踐中對一個探究實驗設(shè)計的思考及改進，供同仁們參考。

關(guān)鍵詞：實驗;設(shè)計;思考

一、 物理實驗是研究物理現(xiàn)象和規(guī)律的重要方法

自從“近代物理學(xué)之父”伽利略創(chuàng)立了實驗方法論（即以實驗為主、數(shù)學(xué)和演繹相結(jié)合的方法）以來，觀察和實驗成了研究物理現(xiàn)象和規(guī)律的重要方法與手段。實驗方法的確立和實現(xiàn)，才使科學(xué)從哲學(xué)中脫離出來，擺脫依托亞里士多德的思辨為主、單純觀察為輔的階段，走上獨立發(fā)展的學(xué)問道路。物理實驗是人為控制條件下促使物理現(xiàn)象發(fā)生和變化的實驗，它有助于人們重復(fù)觀察現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展，研究其變化規(guī)律，促進人們對自然現(xiàn)象的認識和規(guī)律的利用。初中階段學(xué)生具有好奇心、求知欲望強的特點，對于物理實驗和現(xiàn)象的觀察感興趣，教學(xué)中教師多提供實驗和觀察的機會，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣及信心，同時也是提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑。

二、 探究實驗案例

以《探究物質(zhì)的密度》一節(jié)課中的探究物體的質(zhì)量與體積關(guān)系為例[八年級物理上冊（粵教滬科版）]，該實驗結(jié)果是引入物質(zhì)密度概念的關(guān)鍵，具有舉足輕重的作用。

（一）教材中實驗設(shè)計：

1. 取兩塊形狀規(guī)則但體積不同的木塊，用天平和直尺分別測出它們的質(zhì)量和體積。

2. 取兩塊體積不同的實心鐵塊，用天平和量筒把它們的質(zhì)量和體積分別測量出來。

優(yōu)點：分別用不同的方法測量物體的體積，拓展了學(xué)生測量物體體積的思維視角，用天平稱物體的質(zhì)量鞏固了天平的使用方法。

缺點：在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，首先是直尺測量形狀規(guī)則的物體體積誤差比較大，造成兩塊木塊所測的木塊質(zhì)量與體積之比差異較大，這結(jié)果不利于物質(zhì)的密度特性概念的引出。其次是目前學(xué)校實驗室中很難找到體積不同的實心鐵塊。三是同一種物質(zhì)只測兩組數(shù)據(jù)，所得結(jié)論不夠嚴密。

（二）教學(xué)實踐中一些教師對此實驗的設(shè)計

在一次縣級新五屆教師教學(xué)技能比賽中發(fā)現(xiàn)，對這個實驗兩位教師有不同的設(shè)計方法：

甲教師實驗設(shè)計：

1. 提供器材：天平、量筒、燒杯、水、銅柱和銅塊、鐵柱和鐵塊、鋁柱和鋁塊，直尺。

2. 師生共同討論實驗方案：研究對象分別為銅、鐵、鋁和水四種物質(zhì);討論了物體體積的兩種測量方法，確定用量筒和水測體積。

3. 收集實驗數(shù)據(jù)：全班分四大實驗組，每一大組研究一種物質(zhì)的質(zhì)量與體積關(guān)系。

4. 教師隨機抽取每一個大組的一些實驗小組的數(shù)據(jù)如下：

5. 實驗數(shù)據(jù)整理如下：

6. 分析與綜合：教師引導(dǎo)學(xué)生分析表中研究對象的質(zhì)量與體積之比，發(fā)現(xiàn)只有水是恒定的;其他物質(zhì)的質(zhì)量與體積的比值，由于實驗誤差造成了較大差異。

乙教師實驗設(shè)計：

1. 提供器材：天平、體積不同而材料相同的木塊若干、同體積的同種金屬圓柱若干。

2. 師生共同討論實驗方案：

（1）研究對象是誰？（木塊、金屬圓柱）

（2）需要測量哪些物理量？怎樣測？（質(zhì)量、體積，形狀規(guī)則的物體體積可用刻度尺量或水浴法測量）

（3）通過描點作圖畫出 m-V 圖像，找出物體質(zhì)量與體積的關(guān)系

3. 實驗數(shù)據(jù)收集：

為節(jié)約時間，老師提供研究對象的體積，學(xué)生只要測出質(zhì)量即可?！糎J0.55mm〗

下圖為教師隨機抽取的學(xué)生實驗小組數(shù)據(jù)及圖像：

4. 整理后的實驗記錄表：

5. 實驗分析與綜合：

（1）從實驗數(shù)據(jù)描繪的質(zhì)量與體積關(guān)系圖看，物體的質(zhì)量與體積基本成正比。

（2）從表中物體質(zhì)量與體積的比值來看，同種物質(zhì)的比值基本相同，不同物質(zhì)一般不同。

評析：

（1）兩位老師都對教材中的實驗器材和方法進行了改進，都明確該探究實驗結(jié)論對物質(zhì)密度概念引入的重要作用，也能提供學(xué)生進行實驗探究設(shè)計及實驗數(shù)據(jù)收集、分析綜合的機會，體驗物理探究的樂趣，增強學(xué)習(xí)物理的信心;實驗過程與結(jié)論也基本能幫助學(xué)生對密度概念的構(gòu)建。

（2）甲教師的實驗設(shè)計由于實驗器材的局限性，每種金屬只能提供兩種樣品，每小組的實驗數(shù)據(jù)偏少，對實驗結(jié)論的支撐力度不夠;另外由于教師在學(xué)生實驗過程中對量筒中水位的讀數(shù)指導(dǎo)不到位，學(xué)生測出物體體積誤差較大，所測物體的質(zhì)量與體積之比沒有規(guī)律性，不利于學(xué)生密度概念的建構(gòu)。

（3）乙教師的實驗設(shè)計增加了 m-V 圖像的描繪，給學(xué)生有一個直觀的物體質(zhì)量與體積的關(guān)系;但是不要求學(xué)生測物體的體積，雖然得出了理想的實驗結(jié)論并節(jié)約了實驗時間，但學(xué)生對所給的相關(guān)體積數(shù)據(jù)是有疑問的，缺少真實性，學(xué)生也少了一次用不同方法測物體體積的機會。

三、 筆者在教學(xué)實踐中將實驗設(shè)計進行如下改進

1. 器材選用：天平、量筒（100mL）、水、銅線、鋁線。（銅線用橫截面積為2.5mm2的單股銅導(dǎo)線去皮對折，三段實心金屬線的長度分別為1m、1.5m、2m;鋁線用橫截面積為6mm2的單股鋁導(dǎo)線去皮對折，三段實心金屬線的長度分別為1m、1.5m、2.3m，如下圖）。

2. 用量筒和水分別測出它們的體積，用天平測出其質(zhì)量。

3. 收集實驗數(shù)據(jù)如下表：

4. 分析與綜合，從上表中實驗數(shù)據(jù)可知，實驗結(jié)果與理想目標還是比較接近的，同種物體的質(zhì)量與體積之比基本相同，有利于學(xué)生對物質(zhì)密度特性的認識，對于密度概念的引入有水到渠成的功效。

以上實驗設(shè)計的優(yōu)點：

1. 材料容易找，利用身邊的材料。

2. 導(dǎo)線經(jīng)折疊后易放入量筒（實驗室中容量大的量筒難找），便于用水浴法測體積且精度相對較高，可減小實驗誤差。

3. 同種物質(zhì)可測三組數(shù)據(jù)，更容易形成實驗結(jié)論。

四、 教學(xué)啟示

初中物理實驗一般分為測量工具使用類實驗、測量類實驗和探究性實驗三類;探究性實驗在教學(xué)中占有重要地位和作用，它一般是探究物理現(xiàn)象及變化規(guī)律或物質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)，為物理概念的構(gòu)建和物理規(guī)律的總結(jié)奠定基礎(chǔ)。為確保教學(xué)中實驗現(xiàn)象明顯或成功，課前必須周密思考與準備，從實驗方案的設(shè)計、實驗器材的選用、實驗操作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及實驗現(xiàn)象或結(jié)果的明顯度等方面進行多次實踐演練，找出實驗中可能會出現(xiàn)的問題;課中要適時指導(dǎo)學(xué)生實驗，特別是在實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)收集與結(jié)果分析方面加以指導(dǎo);課后對實驗的設(shè)計與結(jié)果進行總結(jié)，為下次教學(xué)改進提供參考;在器材選用方面，盡可能利用實驗室中的器材或生活中的材料，多給學(xué)生創(chuàng)造實驗探究的機會，使物理課既有味又有趣。

參考文獻：

[1]朱綋雄.物理學(xué)方法概念[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008：41-42.

[2]華東地區(qū)初中物理編寫組.物理八年級上冊[M].廣州：廣東教育出版社、上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2012.

作者簡介：

容科勇，中學(xué)高級，廣西壯族自治區(qū)桂林市，廣西桂林市陽朔縣教育局教研室。