初中物理探究類作業(yè)中實驗設計的常見誤區(qū)及分析

摘 要：實驗設計能力是科學探究的重要組成部分，教師科學合理地布置探究類作業(yè)對于學生實驗設計能力的提升至關重要，但實際作業(yè)中仍存在諸多不足之處.本文針對初中物理探究類作業(yè)中實驗設計的常見誤區(qū)進行分類梳理，并結合具體案例對誤區(qū)進行分析，揭示了一些被長期掩蓋的錯誤根源.

關鍵詞：初中物理;探究類作業(yè);實驗設計;誤區(qū)及分析

中圖分類號：G6337???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）20-0032-04

基金項目：北京市教育科學“十三五”規(guī)劃課題“基于核心素養(yǎng)的科學教學問題梳理與解決方案研究”（項目編號：CDDB18158）.

作者簡介：秦曉文（1968-），男，山東人，碩士，中學正高級教師，北京市特級教師，研究方向：中學物理教育教學、科學探究、教學評價.

實驗設計能力是科學探究能力的重要組成部分，科學、合理的探究類作業(yè)可以提高學生的實驗設計能力.但教師在實際教學中采用的探究類作業(yè)卻存在很多問題和錯誤，這樣的作業(yè)不僅不能起到提高學生實驗設計能力的作用，而且還會產(chǎn)生很多負面影響.本文將對“探究類作業(yè)中實驗設計的常見誤區(qū)”進行梳理和分析，以期拋磚引玉，引發(fā)教師更多的思考和實踐探索，進一步提高探究類作業(yè)的質(zhì)量.

1 實驗設計中控制變量不當

“控制變量”是科學探究的重要思想方法，是實驗設計重點考慮的問題之一，但在探究類作業(yè)中常常存在控制變量不當?shù)膯栴}，主要包括“沒有控制變量”和“遺漏控制變量”兩種類型.

例題1 請利用酒精，添加適當器材，設計實驗證明酒精蒸發(fā)吸熱.

原題答案：用棉簽沾適量酒精，涂抹在手背上，如果手背感覺涂抹酒精的地方?jīng)?，就說明涼的感覺是由于酒精蒸發(fā)引起的，從而證明酒精蒸發(fā)吸熱.

分析：這道作業(yè)題原答案提供的實驗設計方案沒有控制變量，因而是錯誤的.根據(jù)作業(yè)題的探究目的可以判斷，因變量是Q吸，通過手感覺涼體現(xiàn)Q吸，自變量是酒精蒸發(fā).控制變量是酒精的溫度與手的溫度差，如果手背和酒精之間存在溫差，即使酒精不蒸發(fā)，手背也會感覺到?jīng)?另外，如果室溫低于酒精溫度，也會導致酒精溫度降低，這種情況下也無法判斷酒精溫度的降低是由于蒸發(fā)引起，還是由于溫差引起.因此，要證明酒精蒸發(fā)吸熱，必須保證酒精的溫度、周圍環(huán)境的溫度（室溫）、測溫物體（手或者溫度計）的溫度三者相同.為了控制溫度相同，需要添加溫度計，用溫度計代替手，酒精是否吸收熱量可以通過與其接觸的溫度計的示數(shù)來體現(xiàn).證明酒精蒸發(fā)吸熱的正確實驗設計方案如下：

（1）用溫度計測量室溫，記錄溫度計的示數(shù);

（2）將適量酒精倒入燒杯中，用溫度計測量酒精的溫度，待酒精溫度與室溫相同時，記錄溫度計的示數(shù);

（3）再將溫度計從酒精中取出，隨著酒精的蒸發(fā)，如果觀察到溫度計的示數(shù)逐漸降低，就說明酒精在蒸發(fā)過程中吸熱.

例題2 欣欣想利用彈簧測力計、帶細繩的長方體金屬塊、盛有適量水的大燒杯、刻度尺，探究物體在水中所受浮力與所處深度的關系，請幫助她設計一個實驗方案，寫出主要實驗步驟.

原題答案：用彈簧測力計測出長方體金屬塊的重力G，然后將金屬塊緩慢浸入水中，如圖1所示，改變金屬塊下表面所處深度h，將h的測量值和彈簧測力計相應的示數(shù)F記錄在實驗數(shù)據(jù)記錄表中，由F浮=G-F計算出相應的F浮并記錄在實驗數(shù)據(jù)記錄表1中.

分析：根據(jù)作業(yè)題的探究目的可以判斷，長方體金屬塊所受浮力F浮是因變量，金屬塊的底面所處深度h是自變量，水的密度和金屬塊排開水的體積V排是控制變量.金屬塊浸沒水中后，繼續(xù)增大深度h，水的密度和V排均保持不變.但在金屬塊浸入水中到浸沒前的這一過程中，改變深度h的同時，僅保持了水的密度不變，沒有保持另一個控制變量V排不變.因此，這一實驗方案是錯誤的.金屬塊浸沒前的實驗設計方案應該調(diào)整如下：選用有標記線的長方體金屬塊，如圖2甲所示，用彈簧測力計測出長方體金屬塊的重力G，然后將金屬塊緩慢浸入水中，當金屬塊浸入水中的體積為一半時，如圖2乙所示，測出金屬塊下表面所處深度h.將金屬塊側(cè)放并懸掛在測力計下，當金屬塊浸入水中的體積為一半時，如圖2丙所示，測出金屬塊下表面所處深度h.將h的測量值和彈簧測力計相應的示數(shù)F記錄在實驗數(shù)據(jù)記錄表中，由F浮= G-F計算出相應的F浮并記錄在實驗數(shù)據(jù)記錄表中.

2 實驗設計中沒有改變自變量

為了排除因變量和自變量之間的偶然聯(lián)系，找到必然聯(lián)系，最基本、最簡單的方法就是在實驗設計時設置實驗組和對照組，也就是我們通常所說的對比實驗.更加普遍的方法則是在控制變量的前提下，通過不斷改變自變量，觀察因變量是否隨之改變，但在探究類作業(yè)中普遍存在沒有對比實驗、不改變自變量的情況，對學生的科學思維產(chǎn)生嚴重的負面影響.

例題3 為了便于觀察玻璃瓶的微小形變，可以將玻璃瓶裝滿水，然后用帶有細玻璃管的橡膠塞塞緊瓶口，組裝好的實驗裝置如圖3所示.其中，細玻璃管上有刻度，便于觀察細玻璃管內(nèi)水面的變化.請利用該實驗裝置，設計實驗證明力能使玻璃瓶發(fā)生形變，簡要寫出實驗方案.

原題答案：雙手用力擠壓玻璃瓶壁，觀察細玻璃管內(nèi)水面是否上升.如果觀察到細玻璃管內(nèi)水面上升，則可證明力能使玻璃瓶發(fā)生形變.

分析：由探究目的可以看出，因變量是玻璃瓶的形變，形變大小用細玻璃管內(nèi)的水面高低表示，水面越高，形變越大.自變量是捏瓶子的力的大小，控制變量是玻璃瓶及水的溫度.原題答案提供的實驗設計存在兩大誤區(qū)：其一，沒有進行對比實驗，具體而言，就是沒有通過改變自變量力的大小，觀察細玻璃管內(nèi)水面的高低變化;其二，沒有控制住玻璃瓶及水的溫度對細玻璃管內(nèi)的水面變化的影響.正確的實驗方案如下：

（1）雙手用力擠壓玻璃瓶壁，觀察細玻璃管內(nèi)的水面變化情況.

（2）雙手仍握著玻璃瓶壁但不用力擠壓，觀察細玻璃管內(nèi)的水面變化情況.

如果在（1）中觀察到細玻璃管內(nèi)的水面上升，在（2）中觀察到細玻璃管內(nèi)的水面下降，則說明力能使玻璃瓶發(fā)生形變.

其中關鍵的做法是手不用力捏玻璃瓶時仍握著瓶壁，這樣既可以和（1）形成對比，同時又控制了溫度的影響.這種方案就是常用的對比實驗，還可以設計一個更普遍的實驗方案：

（1）先用較大的力擠壓玻璃瓶壁，將細玻璃管內(nèi)的水面高度標記為h1.

（2）再用較小的力擠壓玻璃瓶壁，將細玻璃管內(nèi)的水面高度標記h2.

如果h2小于h1，則說明力能使玻璃瓶發(fā)生形變.

例題4 在探究平面鏡成像的特點中，小麗選取一塊薄玻璃板、兩個完全相同的蠟燭A和B、與蠟燭A大小不同的蠟燭C、刻度尺、白紙進行實驗.下列說法中正確的是

A.該實驗采用薄玻璃板代替平面鏡，只是為了能確定像的位置

B.利用現(xiàn)有器材可探究像距跟物距的關系

C.利用現(xiàn)有器材可探究像的高度跟物距的關系

D.利用現(xiàn)有器材可探究像的高度跟物體的高度的關系

原題答案：B C D.

分析：B選項中，因變量是像距，自變量是物距，像距和物距均可用刻度尺測量，自變量物距可以多次改變，因此，利用現(xiàn)有器材可探究像距跟物距的關系.C選項中，因變量是像的高度，自變量是物距，像高的測量可以通過像的等效替代物的高度的測量來實現(xiàn)，物距可用刻度尺測量，自變量物距可以多次改變，因此，利用現(xiàn)有器材可探究像的高度跟物距的關系.D選項中，因變量是像的高度，自變量是物體的高度，提供的器材無法多次改變自變量物體的高度，因此，利用現(xiàn)有器材不能探究像的高度跟物體的高度的關系.所以，D選項錯誤，這類錯誤比較隱蔽，會在不同情境下，以不同的形式表現(xiàn)出來，例如下面的問題.

例題5 小華利用如圖4所示裝置“探究平面鏡成像的特點”，她在水平桌面上鋪一張白紙，在紙上豎立一塊薄玻璃板，將點燃的蠟燭A豎立在玻璃板前，可以看到它在玻璃板后面的像.再拿另一支跟蠟燭A完全相同的蠟燭B，豎立在玻璃板后面移動，從多角度觀察直到跟蠟燭A的像完全重合，這個位置就是蠟燭A的像的位置，在白紙上記下蠟燭A和B的位置，改變蠟燭A到玻璃板的距離，再做多次實驗.

（1）蠟燭B能夠與蠟燭A的像完全重合，說明平面鏡成的像與物體大小________（選填“相等”或“不相等”）.

（2）上述實驗可以說明：當蠟燭A遠離玻璃板時，像會________（選填“靠近”或“遠離”）玻璃板，像的大小________（選填“變小”“不變”或“變大”）.

原題答案：（1）相等.（2）遠離;不變.

分析：根據(jù)例4的分析，本例提供的實驗器材和實驗方法，能夠探究像距跟物距的關系、像的大小跟物距的關系，但不能探究像的大小跟物體的大小關系.因此，本例中的第（1）問的設置不適當，提供的答案也是錯誤的.其根源在于沒有認識到改變自變量在科學探究中的必要性及意義，具體而言，則是不知道如何才能正確探究像的大小跟物體的大小關系.要正確探究像的大小跟物體的大小的關系，需要進一步簡化并明確探究的問題，即探究像的高度跟物體的高度的關系.這就需要在原有器材基礎上，用兩個完全相同的、可調(diào)節(jié)高度的電子蠟燭代替原來的蠟燭.具體實驗設計方案如下：

（1）將帶支架的透明玻璃板放在水平桌面上，調(diào)整平板玻璃，使其垂直于桌面.

（2）將電子蠟燭A放在玻璃板前面，用刻度尺測量A的高度h1，并記錄在表格中.將另一個電子蠟燭B放到玻璃板后蠟燭A的像的位置上，調(diào)整蠟燭B的位置和高度，在玻璃板前從各個不同的角度觀察蠟燭B，直到蠟燭B與A的像完全重合，則蠟燭A所成的像的高度h2等于蠟燭B的高度，用刻度尺測量蠟燭B的高度，將h2的數(shù)據(jù)記錄在表2中.

（3）保持蠟燭A到玻璃板的距離不變，改變蠟燭A的高度，仿照步驟（2），再進行五次實驗，將蠟燭A的高度h1和像的高度h2的數(shù)據(jù)分別記錄在表2中.

科學探究的結論是在有限的實驗數(shù)據(jù)基礎上歸納出來的，是從個別上升到普遍的認識過程.這就要求學生在收集證據(jù)時，必須堅持客觀性原則，盡可能克服主觀想象和固有認識的影響，還要盡可能全面地收集證據(jù)，使數(shù)據(jù)更有代表性，注意克服片面性和偏向性，避免只收集對預設結論有利的證據(jù)，而忽視不利的證據(jù).學生在探究類作業(yè)的過程中，在收集證據(jù)環(huán)節(jié)常常存在主觀性、片面性和偏向性等問題.

例題6 小華用如圖5所示的裝置探究光的反射規(guī)律，E、F是同一平面上的兩個大小相等的矩形面，F(xiàn)可繞ON轉(zhuǎn)動，ON垂直于平面鏡.

實驗時，入射光AO緊貼平面E射向平面鏡上的O點，可在F上看到反射光OB.若以ON（法線）為軸，在水平面內(nèi)將F面向后轉(zhuǎn)動任意角度，則在F面上________（選填“能”或“不能”）看到反射光線.這說明反射光線、入射光線和法線________（選填“在”或“不在”）同一平面內(nèi).

原題答案：不能;在.

分析：在利用該實驗裝置進行實驗時，如果稍微往后偏折F面，比如，使F面與E面的夾角在179度時，雖然F面與E不在一個平面上，但仍然可以在F面上看到反射光，如圖6所示.稍微往前偏折F面，使F面與E不在一個平面上，也可以在F面上看到反射光，如圖7所示.由此可見，這道作業(yè)題的實驗設計不是基于實證證據(jù)，而是基于預設的結論或固有的錯誤認識.另外，這道題的實驗方案還存在沒有改變自變量的問題.

要正確探究反射光線是否跟入射光線和法線共面，使用圖6、圖7所示的實驗器材是不行的，因為該器材必須在激光筆上加擴束器，將光線變成光束，才能在器材面上觀察到光的路徑，這在實驗原理上就違背“三線共面”的實驗目的.因此，需要采用新方法顯示光的路徑，如圖8所示的實驗器材中主要部件是可以顯示激光路徑的特殊玻璃，玻璃可以繞中心轉(zhuǎn)動，兩只激光筆固定在支架上，一只激光筆發(fā)出的激光作為入射光線，另一只激光筆發(fā)出的激光作為法線，從反射光一側(cè)觀察反射光能否將法線和入射光同時擋住.多次改變?nèi)肷涔饩€和法線所在的平面，觀察反射光能否將法線和入射光同時擋住.對于每次實驗，如果反射光都能將法線和入射光同時擋住，則可證明反射光線跟入射光線和法線共面.圖9所示的實驗器材則是在玻璃罩內(nèi)充滿煙霧來顯示激光的路徑，實驗方法與圖8所示的實驗器材的實驗方法類似.

4 實驗設計中操作定義不當

操作定義是指如何測量某個特定變量的具體操作說明.在科學探究中，如果變量是新的，沒有測量工具，或者變量不易觀察、測量，就需要對變量進行操作定義，如將電磁鐵的磁性強弱定義為電磁鐵吸引小鐵釘?shù)亩嗌?小球的動能定義為小球推動木塊運動的距離等.操作定義必須有明確的依據(jù)，被定義的量和定義量之間應存在確定的因果關系，還要有可操作性.但在探究類作業(yè)中常常存在忽視操作定義，或隨意操作定義的問題.

例題7 小東利用如圖10所示裝置，探究壓力的作用效果.其中A和B是作為支架的木塊，C為彈性很好的鋼板尺，M表示形狀相同、質(zhì)量不同的金屬塊.小東在實驗中發(fā)現(xiàn)，隨著金屬塊M的質(zhì)量變大，鋼板尺C的彎曲程度也變大.于是小東得出結論：“在受力面積一定時，物體M的重力越大，鋼板尺C的彎曲程度就越大.”請你利用現(xiàn)有器材，重新設計實驗證明小東的結論不正確.請你簡述：

（1）實驗步驟;（2）實驗現(xiàn)象;（3）實驗分析與結論.

原題答案：（1）實驗步驟：保持物體M的質(zhì)量不變，將鋼板尺的一端逐漸抬高.（2）實驗現(xiàn)象：可以觀察到鋼板尺的彎曲程度逐漸變小.（3）實驗分析與結論：金屬塊M的質(zhì)量（重力）沒有變化，鋼板尺的彎曲程度發(fā)生變化.這就可以說明小東的結論不正確.

分析：解答這道作業(yè)題有兩個關鍵點：一是如何觀察或測量鋼板尺的彎曲程度，這就需要對鋼板尺的彎曲程度進行合理的操作定義;二是通過實驗做出小東觀點的反例：在受力面積一定時，物體M的重力越大，鋼板尺的彎曲程度越?。ɑ虿蛔儯?從原題的答案看，沒有對如何觀察或測量鋼板尺的彎曲程度進行操作定義，只是想當然認為一看便知.事實上，影響觀察鋼板尺彎曲程度的因素很多，如物體在鋼板尺上的位置、鋼板尺與水平面夾角、鋼板尺兩端支點的距離、鋼板尺受到的壓力和受力面積等.如果沒有明確界定，就會造成觀察失真、無法測量、無法比較等影響證據(jù)效度的問題.另外，原題答案提供的實驗結果并不是小東觀點的反例，不能證明小東的觀點是錯誤的.正確的解答應分為兩個層面，首先定義怎樣觀察或測量鋼板尺的彎曲程度.在圖10所示的情景下，用鋼板尺最低點到水平桌面的距離表示鋼板尺的彎曲程度，鋼板尺最低點到水平桌面的距離越小，說明鋼板尺的彎曲程度越大.這樣定義就將其他影響因素都限定不變，這時鋼板尺的彎曲程度與鋼尺最低點到桌面距離構成一一對應的因果關系，也就便于觀察和測量.然后，將重10N的金屬塊放置在鋼板尺上，如圖10所示，測量并記錄鋼板尺最低點到水平桌面的距離h1，將重10N的金屬塊換成重為30N的金屬塊，并用手對金屬塊施加一個向上的拉力F，如圖11所示，測量并記錄鋼板尺最低點到水平桌面的距離h2，調(diào)整拉力F，使h2小于h1.這樣就獲得一個實驗事實，在受力面積一定時，物體M的重力變大，鋼板尺的彎曲程度反而變小.這就說明小東的觀點是錯誤的.

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（收稿日期：2021-08-04）