實驗是物理學的基礎，實驗教學在物理教學中有著舉足輕重的地位。在新課改理念下，著眼于提高學生的實驗能力，應努力探究實驗教學新模式，使實驗教學更有利于培養學生的操作實驗、設計實驗的實踐能力，更有利于培養學生的創新能力。因此物理實驗教學應該確立一個發展性目標，即培養學生的創新意識和創新能力。設計性物理實驗是實現這個發展性目標的一種有效模式，它是驗證性實驗為主的傳統實驗教學的新拓展。筆者建議在實際教學中，增加一定數量的設計性實驗。 一、設計性實驗的涵義及相關理念 1．設計性實驗的程序 物理設計性實驗要求學生靈活、綜合地運用所學的物理以及相關學科的知識和技能，完成如下的程序。一是準備、設計階段：查閱資料，設計實驗方案，選配實驗儀器，擬定實驗步驟；二是實驗階段：正確調節和使用儀器，觀察現象，測量數據，思考和分析問題；三是小結階段：可以以課題論文形式提交實驗結果，也可以進行口頭形式的交流討論。 2．設計性實驗選題的原則 設計性實驗選題的原則，一般不要求突出實驗內容的復雜性，課題只給出實驗目的和要求，由學生根據目的要求去查閱資料，獨立制訂實驗方案。提出分析解決問題的設想，然后在教師的指導下獨立去解決，最后寫出實驗報告。 3．設計性實驗分類 (1)從形式上可分為兩種類型：第一，給定某種儀器設備，要求完成某一物理量的測定或某一物理現象的觀察研究。課本中一些“做一做’’欄目中介紹的小實驗，有些就是這種類型的設計性實驗。如《平拋物體運動》中的“用尺測量玩具手槍子彈射出時的速度”。又如在“顯示微小形變”小實驗中，變換一下問題方式就可以成為此類設計性實驗，可以提出問題： “給你一個大玻璃瓶，你如何通過實驗來顯示微小變形?”第二，只提測量要求，不限實驗方法和所用儀器，完成某一物理量的測量任務。 (2)從內容上可以分為三種類型：第一，測量某一物理量的課題，如“怎樣測量半圓柱形下玻璃磚的折射率”，由學生設計實驗方案；第二，探討研究和應用的課題，如“太陽能電池的應用”，由學生閱讀相關材料后，對工作原理和應用前景進行了解分析；第三，研究測量方法的課題，要求設計一種實用的方法。例如，在用伏安法測電阻后，可以提出：“一位無線電修理工手邊有最大阻值為50n的滑動變阻器R0和未知電阻Rx各一只，除用伏安法測量外，還有哪些方法能測出它的大小(器材自選)”的研究課題，讓學生根據課題要求，設計出多種測量方法。 二、教學案例 設計實驗課題：重力加速度的測定 1．課題的提出 重力加速度是物理學中最重要的常數之一，它在高中的物理學習章節里大量頻繁出現，其數值的測定方法很多，有些方法在物理學發展史乃至在科學史上有重要的價值。請同學們根據所學知識以及了解的知識設計一種可行的實驗方案。 涉及到重力加速度的知識點很多。靜力學中的重力，運動學中的勻變速直線運動、自由落體運動、平拋運動等；在動力學中的牛頓運動定律，超重、失重、力的平衡、勻速圓周運動、萬有引力定律、機械能守恒定律等；在電學、原子物理中帶動粒子的受力也涉及到重力加速度。 2．設計實驗的要求 (1)學生分為若干實驗小組，根據所學知識作為實驗原理，可以找到多種測量方法，但至少選擇一種以上你認為切實可行的實驗，進行具體詳盡的方案設計。包含確定實驗原理，選配實驗器材，擬定實驗步驟，提示重要操作事項等。 (2)正確調節和使用儀器，觀察現象，測量數據，思考和分析問題。 (3)提交實驗結果，對所設計方案在實驗中出現偏差或誤差的原因進行分析，注意實驗的可行性和實驗價值的分析評估。 3．設計實驗的互動和幫助 (1)從方案設計到實驗過程到總結，學生以自主完成為主，疑惑較大時，師生間可以討論，教師可給予適當指導。 (2)開放實驗室，實驗室可以提供學生較熟悉的一些儀器，如秒表、光電計時裝置、打點計時器、電火花計時器、單擺裝置等。 4．設計實驗的思考 (1)對各小組的設計方案及實驗結果進行對比分析，從實驗的新穎性、可行性、實用性、先進性設計方法的價值等方面作對比，相互間作出評價。 (2)查閱資料，了解一種比較精確的測定重力的加速度方法——凱特擺測量法，思考其設計思想在科學史上有何重要價值。 三、教學思考 1．本案例課題極富開放性和挑戰性。設計方案時，要求學生提出盡可能多的設想，再根據時間和條件，實踐一、二種方案，有的實驗無條件進行，也可以提出各種新的設想，這是創新思維訓練的有效模式。由于課題較熟悉，要設計一個方案并不難，難就難在設計一個好方案，好方案就好在測量方法新穎、準確可行上。在研究此課題中學生根據所學知識，設計出不少方案，如自由落體(s=1/2gt2)，物體由靜止在斜面滑下的方法[s=1/2at2=1/2(gsinθ-ug)t2]，單擺法，力的平衡(彈簧拉力F=G=mg)；帶電粒子在勻強電場平行板電容器中平衡(mg=qu／d)等方法，僅是自由落體的方法，也有不同的方案，如通過光電門裝置來測物體下落時間的，也有通過打點計時器所打的紙帶來計算g。同一方案，為了更準確測量，都有不同的測量方法。 2．設計中的反思促使創新意識轉化為創新能力。書面知識和實際操作之間存在巨大差異，想到一套好的思路并不等于有了實際操作的可行性。因此應鼓勵學生在設計實驗中不斷對比、反思、借鑒，通過對測量手段的優化創新來提高實驗的可行性。如有不少學生在方案中采用多次測量或圖表的方法來減少偏差和誤差，正確使用較好的儀器，如光電計時裝置、電火花計時器等來保證測量的準確度。為了啟迪學生設計實驗創新思維方向案例中提供“凱特擺”的設計作為學習典范，就是讓學生在反思中學習凱特擺的創新設計思想，凱特利用物理擺的共軛點避免和減少某些不易測量的物理量對實驗結果的影響，提高實驗的精度，充分體現了創新設計思想的重要價值和魅力。 總的來說，開展設計性實驗，拓展實驗教學的新構想，隨著新課改實驗的推廣，必將在中學物理實驗教學中占有越來越重要的位置，成為培養學生創新能力的有效教學模式。