谈物理设计性实验与创造性思维能力之培养
大河中学 李松
近年来中、高考物理试卷对实验的考查，已从一般性的实验知识记忆转向对实验原理和方法的理解与迁移，开始出现了以学生实验和演示实验为背景的设计性实验试题。所谓设计性实验，就是要打破现成的实验方案，在一些特定的要求和条件下自行设计新的实验方案和步骤，完成其实验要求。由于这种设计具有较大灵活性，需要学生在牢固掌握基础知识和基本方法的前提下富有创造力。因此，以设计性实验为载体，是培养学生创造性思维能力的一条重要途径。本文探讨的就是设计性实验中的创造性思维问题。
设计实验能力是指学生能综合、灵活性地运用所学的知识、方法，独立地研究问题，通过创造性的实验设计去验证知识、获得知识和进行探索性研究的能力。设计实验的内容包括根据要求确定实验原理，设计实验方案，选择实验仪器，编拟实验步骤，设计实验表格等。可见，设计实验能力是一种高水平的实验能力。这种能力的培养过程实质也就是科学素质、创新精神的形成过程，同时它也是中学生将来在社会生产实践中必须具备的能力。
一、 加强实验设计思想的教学，培养设计实验的能力
每一个成功的实验其设计思想总是包含着对已有知识的灵活应用与创造性的科
学构想。如伽利略的斜面实验、扭秤装置实验、杨氏双缝干涉实验、α粒子散射实验等一些著名实验，它们的设计思想都是极为巧妙而又有独到之处的。在教学中教师如能有意识地将这些实验的设计思想对学生进行传授，这对学生设计实验能力的培养具有十分重要的意义。另外，中学物理中常用的一些实验设计思想也应在实验教学中进行渗透。如：观察桌面微小形变等实验中所体现出放大的设计思想；研究影响电阻大小的因素所体现的控制变量的思想，研究平面镜成像时所体现出替代的设计思想；研究压强、焦耳定律体现出转换的设计思想；电压的观察等实验中体现出的类比的设计思想等。
二、增强学生实验的探索性，形成设计实验的能力
现行教材中的学生实验，大多属于训练类、测量类和验证类实验，探索性实验极少。因此教师应根据学生的实验情况，本着循序渐进的原则，精心安排学生实验，在学生练好基本技能的基础上，可将某些验证性实验变为探索性实验。就研究什么问题？设计什么方案？使用什么仪器？观察什么现象？记录什么数据？如何处理数据？如何进行误差分析？等一系列问题引导学生进行实验设计，让学生在教师引导下，通过设计实验来提高自己的设计实验的能力。如：研究影响摩擦力大小的因素的实验，先让学生明白用平衡力的方法把摩擦力转换成拉力，再用控制变量的方法设计出实验步骤，最终形成了该实验的构想，从而完成整个实验的方案设计和操作。
三、编拟实验设计试题，强化设计实验能力
教师可以有针对性地编拟些设计性实验试题来强化学生的设计能力。一般可从下列角度考虑编题：
1、从测量物理量来编题。如在做完单摆测重力加速度实验后，可提出还可用其它什么方法测重力加速度？（滴水法、落杆法、频闪照相法等）；讲完滑动摩擦后，提出如何测一张纸与桌面间的动摩擦因数等。再如运动员登上高山后，如要测得山顶的重力加速度，试说明测量的方法、原理；试用一根卷尺估测一堆砂粒间动摩擦因数。
2、改变现有实验条件来编题。如做完用伏安法测电阻实验后，提出若给一只阻值已知的定值电阻和电压表（或电流表），如何测待测电阻的阻值？单摆测重力加速度实验中，若所悬挂球重心的位置未知，如何测重力加速度？
3、从实验应用来编题。如何利用单摆测地球的半径？试阐述当你乘坐高层住宅的电梯时，如何用最简单的仪器，来粗略测定电梯启动和停止过程的加速度。骑自行车时，如果停止用力蹬脚踏板，由于受到阻力，自行车在水平路面上前进一段路程就停下来。试设计两个实验方案，测量自行车在这段路程中所受的平均阻力。再如现有两个相同材料制成的物块A和B、一卷细绳、一架天平（带砝码）、一根米尺和一张边缘带有定滑轮的桌子，请用以上器材设计一个测物块与桌面间动摩擦因数的实验。要求写出简单的实验步骤和计算动摩擦因数的表达式。今有一定容积并盛满清水的“可乐瓶”一只（瓶底有一小孔）、细线一根、米尺一把、小砝码一只和用来盛水的桶一只。试估测水从此瓶底小孔连续流出的平均流量，并进行测量的误差分析。
四、通过实际操作，提高设计实验能力
例：有两只电压表A和B，量程已知，内阻不知。另有一节干电池，它的内阻不能忽略，但不知等于多少。只用这两只电压表、开关及一些连接用的导线，能否通过测量计算出这个电池电动势（画出测量用的电路图，并以测得的量作为已知量，导出计算电动势的公式）？
例：用多用电表只能粗略测灯泡的电阻值，而用伏安法测灯泡电阻时由于电表不理想，也必然存在误差。现有电源、电键、电流表、电阻箱、导线等器件，如何设计一个实验比较准确地测定灯泡的电阻值，要求画出原理图，简述实验步骤（比较法）。
例：给你下列器材：待测直流电源1个（电动势未知，内电阻约为几欧）；电阻箱1个；开关1个；电流表和电压表各1个，两个电表的表盘均有刻度但无刻度值，且两电表量程均符合要求；另有导线若干条。
(1)请从上述器材中选出你认为必需的器材，设计一个电路测定待测电源的内阻，画出电路图。
(2)简要写出完成接线后的实验操作方案。
(3)推导出用你所测出的物理量计算电源内电阻的表达式。
(4)根据你设计的电路，为了提高电源内阻的测量精确度，你对电流表、电压表的内电阻有何要求？对从电阻箱中选用的测量电阻值有何要求？（只要求写出结论，不要求写出分析过程）。
在教学中应尽可能创造条件让学生在设计好实验方案后进行实际操作，增强学生的感性认识，这样才能使他们的实验设计更加合理、更切合实际，从而提高他们的设计实验能力。
五、解答设计性实验的思路及培养实验设计能力的途径
解答设计性实验的基本思路：首先根据题目的要求和给出的条件，明确实验目的，构思相关的物理情景，设计实验原理，再确定需要测定的物理量，最后安排实验方案和操作程序。如根据实验原理有多种实验设计方案，则对方案进行可行性研究，筛选确定最佳实验方案。
培养实验设计能力的途径：1、通过挖掘教材中实验设计的思想（放大法、模拟法、转换法、比较法等），激发对实验设计的兴趣，了解实验设计的科学性和周密性。2、通过挖掘演示实验中的实验设计思想和改进设计，培养实验设计能力。3、在分组实验中通过对仪器的合理选配，培养实验设计能力。4、通过变换实验目的、原理、实验器材、实验条件、数据处理方法、寻找迁移、演变习题、寻找设计思路，培养实验设计能力。
总之，培养学生设计实验的能力是中学物理实验教学中一个重要方面，也是提高教学质量，培养创造性人才的极好途径。只要教师能认真研究中学物理的实验教学，并根据学生的实际情况，由浅入深，循序渐进，一定能逐步提高学生设计实验能力和创造性思维能力。
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