摘 要：2022年新課標(biāo)中明確要求在初中物理教學(xué)中要注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、科學(xué)思維能力以及自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，因此，在日常物理課堂教學(xué)中，教師應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生探究的內(nèi)驅(qū)力.在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的過(guò)程中，制定計(jì)劃和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是最重要的一步.文章從控制變量法、轉(zhuǎn)換法、比值替換法、等效替代法、對(duì)比法、放大法等多種實(shí)驗(yàn)方法的角度來(lái)引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)方法；引導(dǎo)；自主設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-0333（2023）29-0071-03

收稿日期：2023-07-15

作者簡(jiǎn)介：郭梅帶，從事初中物理教學(xué)研究.

基金項(xiàng)目：本文系2020年廣東省中山市教育科研立項(xiàng)課題“初中物理教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號(hào)：B2020059）階段性成果

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中提出：“引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)科學(xué)思維習(xí)慣，進(jìn)而學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)……”.由此可見(jiàn)，“引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”在新課程改革的背景下已是迫在眉睫^[1].筆者結(jié)合自己多年的教學(xué)實(shí)踐，將從多種實(shí)驗(yàn)方法的角度來(lái)引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)展開(kāi)討論.

1 從控制變量法的角度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

控制變量法是科學(xué)探究中的重要思想方法，它在物理學(xué)的科學(xué)探究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用特別廣泛.控制變量法是指：在研究某個(gè)問(wèn)題（如物理量等）與兩種或兩種以上因素的關(guān)系時(shí)，每次只改變一個(gè)因素，其他因素保持不變，通過(guò)分析這個(gè)改變的因素與所研究問(wèn)題之間的關(guān)系，再綜合分析得出結(jié)論（或規(guī)律）.

例如在“研究液體壓強(qiáng)大小的實(shí)驗(yàn)”活動(dòng)中，學(xué)生猜想：①可能跟浸入液體的深度有關(guān)；②可能跟液體密度大小有關(guān)；③可能跟方向有關(guān).要驗(yàn)證上述猜想是否正確，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)?？先讓學(xué)生討論，然后教師引導(dǎo)提問(wèn)：怎樣判斷液體壓強(qiáng)大??？要驗(yàn)證猜想①該怎樣做？要驗(yàn)證猜想②又如何設(shè)計(jì)？引導(dǎo)：要用兩種液體，只改變液體密度，而控制深度和方向均不變；要驗(yàn)證猜想③就要控制液體密度和深度不變，只改變橡皮膜的方向做實(shí)驗(yàn).引導(dǎo)學(xué)生分析后選擇器材：兩種或以上密度不同的液體、液體壓強(qiáng)計(jì)、燒杯.通過(guò)教師恰當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，學(xué)生就能設(shè)計(jì)出完整且科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)方案，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中又兼顧了思維方法.通過(guò)以上問(wèn)題的提出和分析討論，學(xué)生對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和方法都有了清晰的認(rèn)識(shí)，接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)和收集數(shù)據(jù)就相對(duì)容易完成，也為接下來(lái)的科學(xué)探究過(guò)程奠定了基礎(chǔ).

2 從轉(zhuǎn)換法的角度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

在保證效果不變的前提下，物理學(xué)中對(duì)于一些看不見(jiàn)摸不著的現(xiàn)象或不易直接測(cè)量的物理量，通常用一些非常直觀的現(xiàn)象去認(rèn)識(shí)或用易測(cè)量的物理量間接測(cè)量，這種研究問(wèn)題的方法叫轉(zhuǎn)換法.

初中物理利用轉(zhuǎn)換法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的實(shí)例很多，例如探究阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響實(shí)驗(yàn)中，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)小車(chē)在不同表面上運(yùn)動(dòng)的距離來(lái)反映阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響情況，探究電磁鐵磁性的強(qiáng)弱實(shí)驗(yàn)中，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)吸引大頭針的多少來(lái)反映磁性強(qiáng)弱，探究影響壓力作用效果的因素實(shí)驗(yàn)中，利用小桌陷入海綿的深度來(lái)判斷壓力的作用效果等.在上述測(cè)液體壓強(qiáng)大小與什么因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，我們將液體的壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換成我們能看到的液柱高度差的變化.再如，在探究不同物質(zhì)吸熱情況的實(shí)驗(yàn)中，水和食用油吸收熱量的多少無(wú)法直接觀測(cè)和比較，在引導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如何將“兩種物質(zhì)吸收熱量的多少”反映出來(lái)，這就需要用到轉(zhuǎn)換法.首先引導(dǎo)學(xué)生思考選擇的加熱器是相同還是不相同？為什么選相同？學(xué)生就會(huì)思考到：選規(guī)格相同的電加熱器目的是使水和食用油每秒鐘吸收的熱量相同.因此，學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)自然就想到物質(zhì)吸熱的多少轉(zhuǎn)換成加熱時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)表示.接著，再進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考：如何判斷物質(zhì)的吸熱能力？學(xué)生討論得出結(jié)果：①加熱相同的時(shí)間，比較升高的溫度；②升高相同的溫度，比較加熱的時(shí)間.通過(guò)這樣引導(dǎo)學(xué)生思考，轉(zhuǎn)換的思維方法得到訓(xùn)練，學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力也同時(shí)提高.

3 從比值替換法的角度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

很多測(cè)量型的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要用比值替換法來(lái)思考.在引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師提出疑問(wèn)：實(shí)驗(yàn)中要測(cè)量的物理量如果無(wú)法直接測(cè)量應(yīng)該怎么辦？引導(dǎo)學(xué)生改變角度，用另外兩個(gè)可以直接測(cè)量的物理量之“比”來(lái)替換這個(gè)難以直接測(cè)量的物理量，在初中物理實(shí)驗(yàn)中的電阻、功率、壓強(qiáng)、密度、速度等物理量的測(cè)量，都應(yīng)用了比值替換法.

例如，在“伏安法測(cè)小燈泡的電阻”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生實(shí)驗(yàn)器材中沒(méi)有測(cè)量電阻的電阻表這個(gè)儀器，教師引導(dǎo)學(xué)生思考要根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材或能夠直接測(cè)量的物理量來(lái)替換小燈泡的電阻這個(gè)物理量.教師可以提出以下問(wèn)題來(lái)引領(lǐng)學(xué)生思考，并自主設(shè)計(jì)完整的實(shí)驗(yàn)方案.①這個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理，即電阻的計(jì)算公式是什么？②根據(jù)這個(gè)公式，要測(cè)出小燈泡的電阻，需要測(cè)出相關(guān)的物理量有哪些？③測(cè)這兩個(gè)物理量需要用到什么儀器？④在什么條件下測(cè)出的電阻才是小燈泡的額定電阻？⑤如何改變小燈泡兩端的電壓？我們需要用到什么實(shí)驗(yàn)器材？⑥滑動(dòng)變阻器與小燈泡是串聯(lián)還是并聯(lián)？最后要求學(xué)生根據(jù)上述提示，來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)量小燈泡電阻的電路圖和實(shí)驗(yàn)方案，并依據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖連接實(shí)驗(yàn)器材完成測(cè)量.教師通過(guò)循序漸進(jìn)的設(shè)問(wèn)，指引學(xué)生巧妙深入地探究，使學(xué)生逐漸認(rèn)識(shí)到如何依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中需要測(cè)量的物理量來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).同時(shí)，學(xué)生在思考要素的過(guò)程中，也能對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有完整且清晰的認(rèn)識(shí)，自然形成了分析問(wèn)題的方法.

4 從等效替代法的角度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

研究某一個(gè)物理現(xiàn)象和規(guī)律時(shí)，在保證某種效果（特性和關(guān)系）相同的前提下，將實(shí)際的、陌生的、復(fù)雜的物理問(wèn)題和物理過(guò)程用等效的、簡(jiǎn)單的、易于研究的物理問(wèn)題和物理過(guò)程來(lái)代替研究和處理的方法得到結(jié)論，這種方法叫“等效替代法”^[2].此方法如果運(yùn)用恰當(dāng)，不僅能簡(jiǎn)化研究問(wèn)題，更容易得出結(jié)論，而且易被學(xué)生接受和理解.

例如在“測(cè)量固體的密度”實(shí)驗(yàn)中，小礦石的體積不規(guī)則，不能直接用公式計(jì)算出它的體積，從數(shù)學(xué)的角度難以測(cè)量.教師可以引導(dǎo)學(xué)生討論得到小礦石所占空間大小就是它的體積，并得出用液體的體積來(lái)等效替代固體的體積.具體做法是：學(xué)生先用量筒測(cè)出一部分水的體積，然后把細(xì)線(xiàn)系好的小礦石緩慢放入裝水的量筒中，所增加的體積就等于小礦石的體積.采用等效替代法測(cè)量的體積簡(jiǎn)潔而精確.在初中物理課堂上，教師應(yīng)有意識(shí)地培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的等效替代思維，這樣有利于提升學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象和問(wèn)題實(shí)質(zhì)的理解，同時(shí)也有助于物理課堂教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成.另外，應(yīng)用等效替代法有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的欲望，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

5 從對(duì)比法的角度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

初中物理更多的是視覺(jué)認(rèn)知，物理教材中有大量演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)論大部分都是通過(guò)對(duì)比法得出的：通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對(duì)比提出猜想，通過(guò)改變前后的條件，對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論.

例如，探究“阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響”實(shí)驗(yàn)，牛頓第一定律的內(nèi)容與學(xué)生日常生活體驗(yàn)的認(rèn)知完全相反，為了讓學(xué)生更快地理解并通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究得出牛頓第一定律，如圖1所示，通過(guò)在斜面相同高度滑下的同一小車(chē)，對(duì)比小車(chē)在鋪毛巾、鋪棉布以及鋪玻璃表面滑行距離的長(zhǎng)短，引導(dǎo)學(xué)生得出小車(chē)滑行過(guò)程中受到的阻力越小，運(yùn)動(dòng)的距離越長(zhǎng).引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步推理出在理想狀態(tài)下：如果小車(chē)在絕對(duì)光滑的水平面上運(yùn)動(dòng)，即沒(méi)有受到任何阻力的情況下，小車(chē)將會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去，即保持勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變.讓學(xué)生在對(duì)比中得出結(jié)論，符合新課改讓學(xué)生在自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)和交流合作中 ，經(jīng)歷知識(shí)獲取的過(guò)程.

6 從放大法的角度，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象我們能看到，但是不容易觀察，我們需要將產(chǎn)生的效果進(jìn)行放大再進(jìn)行研究.

例如，正在發(fā)聲的音叉其震動(dòng)難以觀察，教師可以先讓學(xué)生觸摸發(fā)聲的音叉，感受發(fā)聲的物體在震動(dòng)，接著演示把震動(dòng)的音叉放進(jìn)水中，讓學(xué)生觀看水被濺起，引發(fā)學(xué)生思考：如何把微小的音叉震動(dòng)放大？學(xué)生很容易想到利用乒乓球或小泡沫球?qū)F(xiàn)象放大.發(fā)聲的音叉輕觸系在細(xì)繩上的乒乓球，球被彈起說(shuō)明音叉正在振動(dòng)，用力敲音叉響度大，乒乓球彈的遠(yuǎn)，輕敲音叉響度小，彈的近，說(shuō)明響度大小與振幅有關(guān).再如，觀察壓力對(duì)玻璃瓶的作用效果時(shí)我們將玻璃瓶密閉，裝水，插上一個(gè)細(xì)玻璃管，將玻璃瓶的形變引起的液面變化放大成細(xì)玻璃管液面的變化.放大法與比較法一樣，也是物理實(shí)驗(yàn)中最普遍、最基本的實(shí)驗(yàn)方法之一.

7 綜合運(yùn)用多種研究方法，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

除了上述討論到的實(shí)驗(yàn)方法外，初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還會(huì)用到很多其它方法，例如圖像法、模型法、科學(xué)推理法等.有些比較復(fù)雜的物理問(wèn)題，不能用一種方法來(lái)解決，而要用到多種物理研究方法.

例如，在“探究電磁鐵磁性的強(qiáng)弱”教學(xué)中，難點(diǎn)是電磁鐵磁性的強(qiáng)弱怎么體現(xiàn)？學(xué)生猜想出電磁鐵磁性強(qiáng)弱可能跟電流大小和線(xiàn)圈匝數(shù)有關(guān)后，引導(dǎo)學(xué)生思考：

（1）如何判斷電磁鐵磁性的強(qiáng)弱？讓學(xué)生明白在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中要用到兩種探究方法：控制變量法和轉(zhuǎn)換法.當(dāng)研究電磁鐵磁性的強(qiáng)弱跟電流大小的關(guān)系時(shí)，要控制線(xiàn)圈匝數(shù)相同；當(dāng)研究電磁鐵磁性的強(qiáng)弱跟線(xiàn)圈匝數(shù)的關(guān)系時(shí)，要控制電流大小相同；而電磁鐵磁性的強(qiáng)弱不能直接看出，如何判斷強(qiáng)弱？通過(guò)每次實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)，學(xué)生很容易就能想到通過(guò)吸引大頭針的數(shù)量來(lái)反映.

（2）要選用哪些實(shí)驗(yàn)器材？引導(dǎo)學(xué)生思考：實(shí)驗(yàn)時(shí)，怎樣改變電流大?。浚ù?lián)滑動(dòng)變阻器來(lái)調(diào)節(jié)）；改變線(xiàn)圈匝數(shù)時(shí)又如何保持電流相同？（把兩個(gè)電磁鐵串聯(lián)），而保持電流相同時(shí)又如何改變線(xiàn)圈匝數(shù)？（用兩個(gè)匝數(shù)不同的電磁鐵）.通過(guò)以上引導(dǎo)分析，學(xué)生容易正確地選擇實(shí)驗(yàn)器材.讓學(xué)生掌握物理研究方法，容易明白制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程，順利完成實(shí)驗(yàn).

通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)方法從多方面引導(dǎo)，讓學(xué)生去經(jīng)歷過(guò)程，是做好實(shí)驗(yàn)教學(xué)的第一步，也是培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ年P(guān)鍵一步.初中物理教學(xué)中要增強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，注重培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，使學(xué)生由被動(dòng)的“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的“我要學(xué)”，使學(xué)生的思維能力、實(shí)踐能力和探究能力得到真正的提高，最終提升學(xué)生的綜合能力.

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：1-2.

[2] 施燕.基于核心素養(yǎng)的初中物理探究式教學(xué)[J].理科考試研究，2016（14）：61.

[責(zé)任編輯：李 璟]