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物理实验设计的几点教学体会
物理实验设计能力是学生实验能力最高层次的能力，这个能力学生不是生来就有的，它的获得需要物理教师在教学过程中去培养。物理教师搞好教材上学生实验的基本内容教学，可为学生获得物理实验设计能力打好坚实的基础；教师引导学生挖掘教材上的学生实验，可提高学生的物理实验设计能力；学生通过实验设计题的训练，可巩固学生的物理实验设计能力，最终提高学生的创新能力。
培养学生的物理实验设计能力是我们物理教师面临的一大任务，如何培养学生的物理实验设计能力呢？下面笔者就这方面的问题谈谈点滴经验。
一． 从小处和基础着手，首先培养学生的基础实验能力。
1．学生的实验能力需要在实验过程中逐步培养提高。
学生的实验能力的形成和发展是循序渐进、日积月累的，因此在新课教学中，教师要重视学生实验的基本内容教学。每一个学生实验都应该让学生明确此实验的目的、实验原理和方法、实验所控制的条件、实验所需要的器材及这些器材的使用方法、实验操作步骤、实验的注意事项、实验的数据处理方法和实验结论分析等，并要求学生认真做好每个学生实验。
2．注意培养良好的实验习惯，形成科学的实验素养
实验操作具有条理性，实验操作的全过程包括仪器调节、观察操作、仪器整理。教师要有意识地培养学生良好的实验习惯，使之形成科学的实验素养。同时实验操作必须具有可行性和相对准确性。在操作过程中有意识地让学生讨论实验的可行性和可操作性，避免学生以后自己设计实验时纸上谈兵。在测量型实验中逐步让学生学会分析误差来源，认真讨论误差来源，分析如何减小误差。在讨论中活跃思路，在思考中形成严肃认真、一丝不苟的实验风格。
二． 挖掘教材上的学生实验，培养学生的实验设计能力。
仔细分析各种实验设计题，我们会发现，它的设计原理、测量方法、所使用的实验器材、数据的处理方法等都可从教材上的实验中找到相应的例子。所以教师应首先对教材上的学生实验进行挖掘，可对其进行变换条件、改变器材甚至重新设计。
1．对学生实验变换条件
当学生熟悉了教材上的学生实验的基本内容后，教师可变换实验条件，让学生重新思考。下面以“伏安法测电阻”这一实验为例，多次改变实验条件，训练学生的应变能力。
1）复习伏安法测电阻
（1）提供电源、安培表、毫安表、伏特表、开关各一个，电阻滑动变阻器（最大电阻为20Ω）和导线若干，让学生设计方案，测量阻值约为5Ω金属丝的阻值，要求画出电路图，连接电路测量。通过测量结果分析安培表外接法和安培表内接法适用对象。
（2）待测电阻换成阻值为150Ω电阻（可用电阻箱），学生分析用安培表内接法来测量，但在电压调节时，遇到了困难，教师分析限流电路的适用特点（被测电阻与变阻器阻值相近），提出分压电路来调节被测电阻两端电压。连接电路进行操作。
对电阻测量的实验电路设计进行小结：一般应先设计测量部分电路（电压表、电流表、待测电阻），再设计给测量电路提供电源的部分电路（电源、滑动变阻器、电键）。测量部分电路有电流表外接如图1和内接如图2两种连接形式，引起误差的原因不同，适宜于大小不同的电阻。提供电源的部分电路有限流连接形式如图3，分压连接形式如图4（适用大电阻测量）电压调节的范围不同，相同条件下损耗的能量不同。在教材现有器材条件下，通过两部分的组合设计出四个测量电路
Rx
V
A
图1
。 。
S
测量电路
图3
。 。
S
测量电路
图4
Rx
A
V
图2
2）以此为基础可以设置新情景，让学生设计、讨论、辨析测量电路，选择电源电路。设计完成后，进行操作。（以电流表外接为例，如图5）
（1）若没有电流表
①若有二只电压表和电阻箱，用电压表和电阻箱串联充当电流表进行测量，因此设计如图6。
②在图6基础上进而提出如果只有一只电压表能否测量？学生思考，给予适当提示：若总电压已知。学生就能提出用图7的方法。进一步，总电压未知，但恒定，（当电源电路用分压且变阻器阻值较小、待测电阻较大时可近似成立）则可先将电阻箱阻值调到零，测得总电压，再调节电阻箱，测得RX两端电压，测量电阻——半偏法。
学生在课堂操作中用半偏法分别测量了标值为1K、10K，测量值大约分别为800Ω、3K。发现测量值都偏小，10K电阻偏差很大。引导学生进行误差分析：测量值应是Rx和Rv并联的总电阻因而偏小，学生查阅电压表说明书发现实验室中量程为3V表的内阻为3K，10K电阻测量值为3K的原因就迎刃而解。若待测电阻是伏特表自身，测量结果就比较准确。再要求学生用此方法测量阻值约为5Ω金属丝的阻值，测量结果为9Ω左右，与伏安法测量相比有很大误差，讨论寻找出原因：待测电阻小，导致测量电路两端电压变化。这样设计、操作后，学生对电压表半偏法测电阻的条件和误差分析就有更深刻的理解。
Rx
A
Rx
A
Rx
V
图5
图10
图6
图7
图9
电压表和电阻箱
替代电流表
Rx
A
V
V
V
Rx
若总电压恒定，只
有一只电压表
电流表和电阻
箱替代电压表
Rx
A
A
图8
若总电压恒定，只
有一只电压表
（2）若没有电压表
①若有二只电流表和电阻箱，同样可用电流表和电阻箱替代电压表，设计电路如图8。
②若只有一只电流表和电阻箱，则可分别设计出如何如图9电路——电流表半偏法。 如图10电路——完全替代法。
学生在讨论、设计的同时，进行实际操作，学生对本实验就有一种全新的感觉，使他们的设计能得到及时的验证，激发学生的成就感，提高学习兴趣。同时学生对电阻的测量方法（伏安法、半偏法、完全替代法）有一个全面的了解，使学生明确如何下手设计测量电阻的电路，再进行电路设计练习。利用这样一个学生实验充分地提高了学生的电学实验设计能力。
2．对学生实验进行改进
如果学生能对教材上的学生实验的可靠性提出质疑，大胆地设计改进手段的话，那学生的实验设计能力就可想而知了。比如“用油膜法估测分子的大小”，其中存在一些不足之处，甚至令人对该实验的可靠性产生怀疑，可以引导学生共同思考：
1）现有实验的缺点：利用痱子粉撒在水面上来显现油膜形成的边界。由于痱子粉的阻力作用，后来滴下的油酸扩散受阻，不能形成真正的单分子油膜，从而给实验带来很大的误差。另外油膜面积的计算也很粗约。
2）如何改进：用已知直径的圆柱形容器——便于计算油膜面积。用硬脂酸苯溶液代替油酸，如胶头滴管在距水面很近的距离往水面上滴一滴，待苯全部挥发，硬脂酸全部扩散直到看不到油珠时再滴下一滴，如此继续。直到再滴下一滴后，硬脂酸不在扩散为止，单分子油膜就形成了。
实验原理还和原来一样，但减少了原来实验的系统误差，这样就可以比较准确地计算硬脂酸的分子直径了。
通过这样训练可以提高学生的分析问题和解决问题的能力。
3．对学生实验进行重新设计
在完成学生实验的教学后，教师要有意识地引导学生思考能否用其它方法来测本实验的物理量，对教材上的学生实验进行拓展。例如学生完成“测定电源的电动势和内电阻”的实验后，教师可引导学生思考，根据你所学过的物理知识，能否用其它实验器材来测电源的电动势和内电阻。由于学生已掌握了应用全电路欧姆定律测电源的电动势和内电阻的原理，明确了只要能测出外电压和通过电源的电流，就能立方程组求出电动势和内电阻，又有许多学生想出了采用其它器材测定电源电动势和内电阻的测量方法。例如有学生想出了采用电压表、电阻箱、电源、开关、导线若干来测量，电路图图2所示。有学生想出了采用电流表、电阻箱、电源、开关、导线若干来测量，电路图图3所示。有学生想出了采用一个内阻很大的电压表、一个已知阻值的电阻、开关、导线若干来测量，电路图图4所示。教师可化费一定的时间，让不同设计方案的学生上台展示它们的设计方案，既能增强学生的自信心，也开阔了学生的思路。
S
E
R
图11
V
S
E
R
图13
V
S
E
R
图12
A
三． 交流互补，强化巩固
由于实验设计题具有开放性的特点，再加上每个学生自己独特的思考方法和不同的解决问题的途径，得出的结果是多种多样的，设计水平高低不同。所以，在进行了一定数量的设计训练后，及时引导学生交流设计成果，教师给予适当的指点。总结出物理实验设计方案的基本思路和评价标准，比如合理性比较、简捷性、效果性等，从而使学生巩固实验设计方法，提高实验设计的能力。另外，通过学生对实验设计方案的讨论，可以互相取长补短，完善设计方案，丰富设计内容。同学的启示和教师的点拨丰富了解题的思路，启迪了思维，通过交流点拨使每个同学对问题的理解更加全面和深入，实验设计能力从本质上得到了很大的提高。
每个学生实验都经过这样一系列的教学探究，学生已具有初步的物理实验设计能力，为了巩固学生的物理实验设计能力，还必须经过一定的强化训练。强化物理实验设计训练，是培养学生实验设计能力的必经之路。学生在明确了实验设计的基本原理后，只有通过必要的实验设计训练，才能真正掌握实验设计的方法，提高实验设计能力。可以收集典型习题进行剖析或者进行专题训练等方式，强化巩固教学效果。
总之，教师在平时的实验教学过程中，从点滴做起，不仅要重视教材上的学生实验，还要对学生实验进行多角度、全方位的分析讨论，对某些实验进行改进、变换、重新设计新的实验方案等，在此基础上对学生加强训练交流，激发学生的设计兴趣。最终必将从本质上提高学生的物理实验设计能力。
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