实验设计方法

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实验设计方法范文第1篇

一、实验设计教学的必要性

1996年上海高考第四（5）题要求测定陶瓷管上均匀电阻膜的厚度，就属于设计型实验．但由于题目给出了全部实验器材和所有相关量，使实验定位在电阻或电阻率的测定上，又大大降低了实验难度，只属于局部设计型实验．无论命题者出于何种考虑，设计型实验毕竟半遮半掩地出现了，这多少给教学工作者提了个醒．

1．从小处着眼，加强实验设计教学

上海作为高考改革的试点城市，其成功的改革将为全国高考提供可能的改革方向，甚至一些新颖的题型和情境，都可能为全国高考所借鉴．如1996年全国高考第21题就是从1995年上海高考第一（5）题脱胎而来的．无疑上海高考关于实验设计的考查是又一个成功的改革举措，极有在全国推广的价值．而物理《考试说明》中要求“会用在这些实验中学过的实验方法”，也为实验设计的考查在全国的推广提供了可能．

2．从大处着眼，加强实验设计教学

著名核物理学家钱三强先生在为郭奕玲、沈慧君编著的《物理学史》所作的序中，曾严厉指出：“今天我们科学界有一个弱点，这就是思想不很活泼，这也许跟大家过去受的教育有一定关系……”我们常常教育学生“应该……”“必须……”；我们的考试题目常常不惜笔墨描述背景、附加条件，最后只有一个小小的空格“是……”．这样培养选的人才在学校是好学生，步入社会是好职员，大脑中只是机械地跳动着两个问题：“你要我做什么？你要我怎么做？”工作常常：“完成”的相当漂亮，但思想僵化，毫无创见．这正是我们的悲哀！长期以来的这种教育选拔模式，致使我们现在仍只能在很羞涩地提到几个美籍华人时才有一种借来的荣光与自豪！

思想不活跃，是因为我们给了学生太多的“必须”的限制；思想僵化，是因为我们留给学生太少的“可能”的余地．实验设计的教学，正是活跃思想，培养能力的一种好方法，授以实验的基本方法，让学生自己去考虑有哪些可能的做法，自己会怎么做．

二、实验设计的基本方法

1．明确目的，广泛联系

题目或课题要求测定什么物理量，或要求验证、探索什么规律，这是实验的目的，是实验设计的出发点．实验目的明确后，应用所学知识，广泛联系，看看该物理量或物理规律在哪些内容中出现过，与哪些物理现象有关，与哪些物理量有直接的联系．对于测量型实验，被测量通过什么规律需用哪些物理量来定量地表示；对于验证型实验，在相应的物理现象中，怎样的定量关系成立，才能达到验证规律的目的；对于探索型实验，在相应的物理现象中，涉及哪些物理量……这些都是应首先分析的．

举例来说，要测定地球表面附近的重力加速度，我们就应检索：在所学知识范围内，哪些内容涉及到重力加速度，它与其他物理量有何定量关系，并一一罗列出来：

（1）在静力学中，静止物体对竖直悬绳的拉力或对水平支持物的压力大小就等于重力，即T＝N＝mg．若T（或N）和m能测出，则重力加速度g可测定．

（2）在超重或失重（但不完全失重）系统中，F－mg＝±ma．若F、a和m可测出，则重力加速度g可测定．

（3）在运动学中，物体从光滑斜面上由静止下滑，s＝12gsinθt2．若s、θ和t可测定，则重力加速度g也可测定．

（4）在运动学中，物体从粗糙斜面上由静止下滑，s＝12（gsinθ－μgcosθ）t2．若s、θ、μ和t可测，则重力加速度g也可测定．

（5）自由落体运动中，h＝12gt2．若h和t可测出，则重力加速度g也可测定．

（6）用重力加速度测定仪测定．

（7）在平抛运动中，竖直方向在连续相等的时间内位移之差Δy＝gt2．若Δy和t可测，重力加速度g同样可以测出．

（8）在斜抛运动中，水平射程可以表示为x＝v02sin2θ／g．若x、v0和θ可测出，则重力加速度g也可测出．

（9）单摆做简谐振动时，其周期可以表示为T＝2πl／g．若T和l可测，则g可测．

（10）在焦耳测定热功当量的实验中，若能测出水的质量和升高的温度，算出水增加的内能，再测出重物的质量和下落的高度，同样可测定重力加速度．

（11）带电粒子在的匀强电场平行板电容器中平衡时，mg＝qU／d．若U、d和带电粒子的荷质比（q／m）可测定，则g可测出．

（12）假设一物体在地球表面附近绕地球做圆周运动，mg＝GMm／R2，g＝GM／R2．

…………

2．选择方案，简便精确

对于每一个实验目标，都可能存在多条思路、多种方案．教材中关于某个实验目标的实验方案，也只是众多方案中的一种，而且不一定是最好的一种，而只是较可行的一种．那么在众多实验方案中，我们应如何选择呢？一般来说，选择实验方案主要有三条原则：

（1）简便性原则即要求所选方案原理简单、操作简便，各量易测．应尽量避免实施那些原理复杂、操作繁琐和被测量不易直接测量的实验方案．

（2）可行性原则实验方案的实施要安全可靠，不会对人身和器材造成危害；所需装置和器材要易于置备，不能脱离实际，不能超出现有条件．

（3）精确性原则不同的实验方案，其实验原理、所用仪器以及实验重复性等方面所引入的误差是不同的．在选择方案时，应对各种可能的方案进行初步的误差分析，尽可能选用精确度高的实验方案．

以上三原则通常要综合考虑．

在前述方案中，方案（1）中常用的测力计误差较大；（2）中F和a均不易测定；（3）中θ和t不易测定且难以保证斜面足够光滑；（4）中θ、t和μ均不易测定；（5）中若用秒表计时人为因素较大，若用打点计时器计时，纸带受振针阻力与通常小物块所受重力相比不能忽略；（6）中仪器先进但一般中学没有；（7）中若用闪光照像技术则是一种好方案，但设备和技术都达不到要求，若用平抛运动的研究方法误差较大；（8）中θ和v0的测量难度较大；（9）中相对而言较切合中学实际；（10）中需测定的物理量多且很难采取绝热措施；（11）中学阶段不易测定荷质比；（12）只是一个思想实验，无法付诸实践，但可估算，代入数据得g＝9．857m／s2，与标准值9．81m／s2只相差4．8．综上所述，中学阶段通常采用单摆法测定重力加速度．

3．依据方案，选定器材

实验方案选定之后，考虑该方案需要哪些装置，被测量与哪些物理量有直接的定量关系，这些物理量分别需用什么仪器来测定，从而确定整个实验需要哪些器材．

在“用单摆测定重力加速度”的实验中，是利用单摆装置来进行实验的，故需铁架台、细线和摆球等来组装单摆．重力加速度可表示为g＝4π2l／T2，周期需用秒表测定；摆长l是从悬点到摆球中心的距离，因此需用米尺和游标卡尺分别测定摆线长度l和摆球直径d．从实验原理表达式可以看出，实验与摆球质量无关，故毋需使用天平．

当然，从实验方便性和精确性角度考虑，还需对所选器材作进一步要求，以期把系统误差降到最小．如上述器材中，摆线的伸缩性和质量应较小，摆球的质量应较大．摆线伸缩性大，其长度会随拉力变化而变化；摆球与摆线质量相差越小，系统（摆线和摆球）质心偏离摆球中心越远，误差就越大．为了便于观察，摆球振动的路径宜长，但又要确保单摆做简谐振动，故摆线宜长些，常取1米左右．

4．拟定步骤，合理有序

实验之前，要做到心中有数：如何组装器材，哪些量先测，哪些量后测，应从正确操作和提高效率的角度拟定一个合理而有序的实验步骤．对一些可直接测量的物理量，可先行测量；对需通过实验装置才能测定的物理量，须先组装器材，再进行实验、观察和测量．

在“利用单摆测定重力加速度”的实验中．原理表达式g＝4π2l／T2中的l和T分别为单摆的摆长和单摆做简谐振动的周期．因此应先组装单摆，再测定摆长，最后让单摆做简谐振动，测定周期T．根据所测数据计算出重力加速度g的值．至于过程细节不再赘述．

5．数据处理，误差分析

高考对此要求不高，但常用的数据处理和误差分析的方法还是应该掌握，在设计实验时也应予考虑．

三、建议

实验设计方法范文第2篇

高中生物《考试大纲》和《考试说明》中明确要求考生要具备验证简单生物学事实的能力，对一些生物学问题进行初步探究的能力。实验设计题注重对学生实验能力的考查，这类试题思维量大，信息和情境新颖，设问角度多样，综合性强，能力要求高，能较好地反映学生对基础知识和基本技能的掌握情况，能发挥学生的创新意识，体现学生的思维水平。因此，笔者就如何指导学生设计与解答实验设计题的方法归纳如下：

一、认真审题，弄清实验的性质和目的

解题先要认真审题，抓住关键的有效信息点，弄清该实验的性质是验证性还是探究性实验，其次要明确该实验的目的是什么？

二、分析原理，回顾实验设计的原则

实验原理是设计性实验的基础，只有明确实验的原理，才能掌握实验的关键，进而进行实验的设计。实验原理一方面可来源于题干，另一方面也可来源于书中的知识，即可通过阅读题干或联想书中知识来获取原理。

三、明确实验变量，确定平衡无关变量的方法

变量是指实验中由实验者所操纵的因素或条件，据其在实验中的作用，可分为实验变量与反应变量、无关变量与干扰变量两类。

1.实验变量与反应变量

实验变量，也称为自变量，指实验中由实验者所操纵的因素或条件。反应变量，也称因变量，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。通常实验变量是原因，反应变量是结果，二者具有因果关系。实验的目的在于获得和解释这种前因后果。例如，在“探究温度对酶活性的实验”中，所给定的低温、适温、高温就是实验变量，而由于低温、适温、高温条件变化，唾液淀粉酶水解淀粉的反应结果也随之变化，这就是反应变量，该实验即在于获得和解释温度变化（实验变量）与酶的活性（反应变量）的因果关系。

2.无关变量与干扰变量

无关变量，是指实验中除实验变量（即自变量）以外的影响实验结果的因素或条件。也称控制变量。 通常最有效、最简便的方法是设计对照实验来对其进行控制。如空白对照、条件对照、自身对照、相互对照等，干扰变量，指实验中由于无关变量而引起的变化和结果。显然，干扰变量会对实验变量（即自变量）有干扰作用。例如，上述实验中实验变量（低温、适温、高温）以外，试管的洁净程度、唾液的新鲜程度、可溶性淀粉的纯度、试剂溶液的剂量、实验操作程度、温度处理的时间长短等等，都属于无关变量，要求对低温、适温、高温三组实验是等同、均衡、稳定的。如果无关变量中的任何一个或几个因素或条件，对三个实验组的给定条件不等同，不均衡，不稳定，则会在实验结果中产生干扰变量，对实验结果产生干扰，造成误差。

四、分析、选择实验材料用具，设计实验步骤

1.若题中已提供实验材料和用具

可认真分析题中所提供的器材在实验中的作用？如何使用？是否必须用到？通常题中给出的实验材料和试剂一般应充分利用，不能随意增加。如题中说明了从所提供的器材中选取所需的进行实验，就要准确地选取用具和材料。其实这也相当于隐含条件，只要你分析判断准确，就不会有所遗漏。若让学生自行确定实验材料和用具，这就需要根据实验步骤与要求等，联系相关的生物学原理，迁移运用教材相关实验中的实验用具，选择好器材才能准确地设计好实验。

2.设计实验步骤

不同的生物实验，其步骤不一，但大多数常规实验可按照下列步骤进行设计。

2.1第一步：选取材料，分组编号

即就是选取题干提供的实验材料用具，对实验对象进行平均分组并编号，注意相应的无关变量要保持一致。

2.2第二步：施加实验变量，平衡无关变量

对实验组与对照组进行不同处理，即对实验组要施加实验变量。

2.3第三步：认真观察，如实记录现象和数据

细心观察实验现象，如实记录数据。科学描述结果。

五、预测实验结果与结论

实验结果是由实验变量而引起的变化，实验结论是根据实验结果作出的一种推论。预测实验结果与结论又可分为两种情况来分析：

1.若为验证性实验 验证性实验是设计一个实验来验证、检测实验结果能否达到实验原理所描述的结论的一类实验。这类实验在实验前其实验结果是已知的，实验过程在于努力获取预期的结论，重在结果的获得，因而验证性实验的实验结果是唯一的，即实验原理所描述的结果，预期实验结果时的表述方式为“A组……”，“B组……”。

2.若为探究性实验 探究性实验是指在假设前提下，获取支持假说或推翻假说的一类实验。这类实验在实验前并不知道实验结果，实验过程在于努力探索实验结论。因而探究性实验的实验结果与结论是未知的，实验前需对实验结果进行预测，并分析出现该结果的原因，预测实验结果不唯一，大多有三种可能：变量促进结果，变量抑制结果，变量与结果无关。预期实验结果时的表述方式为“若……，则说明……

六、例题赏析

某科研单位研制出一种新型药物X，据说对某种肿瘤有较好的疗效，请你设计一个实验加以验证并简要写出实验步骤和结论。

答案：（1）在无菌条件下，将适宜的动物细胞培养液均分为两等份，注入两个洁净的试管中并分别编号为1号、2号。1号试管加入少量的X药物，2号试管加入等量的蒸馏水。

（2）将等量且少量的动物肿瘤细胞分别移入1号、2号试管中，在适宜的条件下培养。

（3）培养一段时间后，分别从1号、2号试管中取一滴培养液制成装片，观察肿瘤细胞的生长情况。结果加X药物的1号试管中肿瘤细胞数目少，增长慢。

若此实验为探究性实验，实验步骤一样，只是结果和结论要进行讨论：若1号试管中的肿瘤细胞数目比2号试管少，则说明X药物对肿瘤细胞有较好的疗效。

若1号试管中的肿瘤细胞数目比2号试管多，则说明X药物能促进肿瘤细胞的增殖。

实验设计方法范文第3篇

【关键词】五年级；科学；实验设计；方法

进入五年级，课标对学生实验设计能力的要求大大提高，从三四年级仅要求制定口头计划或简单的书面计划，上升到“制定较为完整的科学探究活动计划”，其中涉及到如何确定和控制变量，具体操作等。可以说，进入五年级，学生才开始进行真正意义上的实验设计。可同时，刚从四年级升上来的学生，实验设计能力与课标要求相比，明显滞后，由此便产生了矛盾。在此情形下，教师应该怎么做？

一、帮助学生牢固掌握实验设计要领

真正掌握了实验设计的要领，学生才能在实验设计之路上迈开坚实的第一步。

以对比实验为例，其实验设计要领就是单因素比较。而要进行单因素比较，则必须设法控制其它可能有影响的诸多因素，尽量使这些因素完全相同。当然，对比实验的设计要领，在教学时应该采用浅显的话语来表述（比如：一个条件不同，其它条件都相同），这样便于学生记忆和掌握。此外，实验设计要领必须是由学生自己归纳出来的才记得牢。五年级第一课《种子发芽实验》，教师就让学生通过“绿豆种子发芽与光的关系”这一对比实验，思考该实验中哪些实验条件是一样的，哪个实验条件是不一样的，并思考为什么有且只有一个实验条件不同。经过思考、讨论、交流，学生对对比实验有了充分的认识，再让学生进行归纳总结，从而得出对比实验的设计要领。

二、保证学生进行实验设计的时间

学生在实验设计上刚刚起步，要想做出一个稍微像样的方案，绝对是很花时间和功夫的。这时候，教师一定要有耐心，要坚持让学生完成实验设计。因为对学生而言，只有完整地经历整个过程，才能对实验设计有全面的认识，也才能更顺遂地进行下一次的实验设计活动。如果原定的教学任务未能完成，可以顺延到下一课，但学生的实验设计过程一旦被截断，一切就都回到了原点。

如何既保证学生实验设计的时间，又能让教学任务顺利完成呢？这就需要教师在课前进行充分的预设，尽量精简教学环节，并将除学生实验设计之外的其余教学环节所需时间尽可能地压缩。事实上，这就是在做教学的“减法”，减去无谓的枝枝丫丫，集中精力攻克重点。

三、提升学生实验设计的速度

在学生实验设计刚刚入门时，教师不能操之过急，要给予学生充分的时间，但并不是说，教师只能被动的等待，积极主动地寻求提升学生设计速度的措施，才是最为可取的做法。

（一）增加练习机会

要想提升学生的实验设计能力（包括实验设计速度），就要多进行实验设计的练习。除了教材中明确要求学生进行实验设计的内容外，教师还可以――

1.补充一些非教材内容，组织学生进行实验设计的训练。例如在学习了《观察绿豆芽的生长》一课后，教师可引入这样一个实验设计内容：许多植物生长都具有向光性，请设计一个实验来证明。学生已经知道了植物生长需要阳光，而“向光性”则是在这一知识基础上的再进一步。这个实验既能实现知识拓展，又能考查学生对知识的理解运用，同时还是一次很好的对比实验设计练，可以说是一举多得。有学生的实验方案是这样的：在两盆豆苗上各罩一个纸盒。其中一个纸盒左边开个小窗户，另一个则在右边开个小窗户。两盆豆苗都放在有阳刚的窗台上，经常浇水，三天后看豆苗的生长情况。这个方案设计严谨，容易操作，可以说是很出色的。

2.挖掘教材中的潜在实验设计内容，组织学生进行训练。例如《光与热》一课，有一项实验内容是组织学生利用凸透镜聚焦光线，点燃白纸。这个实验不少学生在生活中已经做过了，教师就从这一实际情况出发，本着训练学生实验设计能力的目的，对这一实验进行了再开发：在大部分学生表示做过“凸透镜烧纸”实验后，教师询问学生使用凸透镜让纸燃烧起来需要多长时间，学生说需要较长时间。于是教师追问有没有什么办法能让纸更快地被烧着？有学生说如果把白纸换成黑纸，可能烧起来会快些。教师就让学生设计一个实验，证明这个猜测。于是教材上这个简单的实验操作就成了一次实验设计活动。在实验设计过程中，有学生的方案是在白纸上用笔画个黑点，以取代黑色纸，可以说是方便易行。

（二）加强练习的针对性

实验设计方法范文第4篇

本实验设计方案评价：本实验在创新设计方案二的基础上作了改进，不用立方体小铁块而将挡光效果好、宽度相同的黑色磁带贴在透明直尺上，从一定高度由静止释放，并使其竖直通过光电门，测得各段黑色磁带通过光电门的时间，另外长度的测量比创新设计方案二和三更好操作，误差更小.当然本实验操作中也要控制好直尺竖直下落.

验证性实验高考复习建议

1.要明确实验思想

做好验证性实验的前提，就是要创设好物理情景，这就是验证性实验的实验思想.在验证机械能守恒定律的实验中，我们可以创设出多种物理情景，而其中让物体自由下落在中学实验室很容易做到，过程也简单.

2.要掌握实验方法

在教材的验证实验中，给我们提供了多种实验方法，而这些实验方法在我们研究探究性实验和设计性实验中经常会用到，因此，我们必须要掌握和灵活运用这些实验方法.

3.要重视实验的验证条件

物理规律的形成，通常会有一定的前提或必备条件，在验证性实验中必须要满足这些条件才能使实验顺利进行，而这一点恰恰是我们容易忽视或不注意的.在验证机械能守恒定律的实验中，“只有重力做功”是实验的验证条件，而实验中阻力的存在是不可避免的，阻力做功过大时，实验误差大，实验将失去意义，实验设计中要考虑到减小阻力.

4.要学会实验数据的处理

定量验证实验的数据处理通常采用代数计算法.如在验证机械能守恒定律实验时，根据计算求出增加的动能和减少的重力势能在“误差允许的范围内”是否相等来完成验证工作，定性的验证实验的数据处理通常采用图象法.

实验设计方法范文第5篇

1 高中物理教学过程中存在的问题

1.1 仍然采用传统的教学模式

当前中国仍然采用的是应试教育，在教学过程中，教师更多的是采用实验演示，而学生观看的教学方式，未能给学生创造实际动手操作的机会，也很难加深同学们对一些理论知识的理解，阻碍了学生创新能力的发展。同时，教师进行的实验操作也都是根据课本的指示和案例来进行，缺乏创造性和新奇性，很难引起学生的学习兴趣，激发学生的创造性思维，抑制了学生的全面发展。

1.2 物理教学中的实验设计环节没有得到重视

从物理的发展历史来看，大部分的物理理论都是通过实验得来的，而当前我国的物理教学方式恰恰忽视了这一点，仍然采用填鸭式教学，只是一味将枯燥乏味的物理理论传授给学生，未能将实验设计的环节应用到物理教学课程中，这也是很多学生讨厌物理的原因之一。实验设计环节是物理授课过程中不可或缺的一部分，它有利于提高学生学习物理的兴趣，培养学生实验操作能力和创新能力，让学生更好理解物理理论，更加有效学习。

1.3 教学过程中学生没有足够的发挥空间

当前的高中物理教学课程中，学生自己动手操作的环节越来越少，甚至很多教师在课上只是一味进行实验操作的演示或者引导学生在下边模仿，没有给学生更大空间发挥，进行实验设计，这一做法很难调动学生的学习热情，并且严重阻碍了学生的学习兴趣和物理实验设计的能力。在一定程度上，阻碍了学生的全面发展，也严重影响了实验创新的进程和发展。

1.4 仍然注重学生的卷面考试成绩

传统的评价方式都是以卷面成绩作为评价学生能力的唯一标准。而这种评价方式恰恰忽视了学生的另一种能力，即实验能力。这种方式会让学生认为只要学会理论知识就可以，没有必要在进行实验设计的学习和探索，只要卷面考试取得高分就可以，也没有必要浪费时间做这些与卷面考试无关的事情，所以，导致很多学生只着眼于书本上的理论，

而实验创新能力受到了极大发展阻力。这种考核方式和教学方法，很难正确科学反映一名学生的整体能力水平，也不能体现学生的实验操作能力和动手能力。

2 对高中物理教学方法进行实验创新的措施

2.1 在物理教学过程中，提高对实验设计的重视

现在大多数的高中院校以提高升学率为目的，进行应试教育，严重忽视了对学生能力的培养。在物理教学课程中，教师往往为了追求效率，简化了教学过程，减少或者没有为学生提供实验操作的机会。学校相关领导和教师要尽快对这种教育模式进行创新，重视实验设计在物理教学过程中的重要性，为学生提供更多的实验动手能力，激发学生的创新精神，由此来提高物理教学的效率和学生的学习兴趣。

2.2 培养学生的创新能力，提高学习积极性

逐渐转变在教学课程中的主体地位，由以教师为主体转变为以学生为主体，发挥学生在实验设计中的作用。教师要引导学生在进行创新性实验时，学会自主思考，主动接受知识，在实验之后引导学生进行归纳和总结，激发学生的积极性和创造性。在进行某些实验时，鼓励学生自己思考实验的方法和步骤。学生可以通过这种方法，更好对物理理论有更深一步理解和运用，进一步提高对物理的学习兴趣，有利于帮助学生树立正确的科学态度。

2.3 提高教师队伍的整体素质，引导学生自主思考

教师在培养学生实验能力的过程中发挥着至关重要的作用，若要发挥实验设计的作用，必须调动教师资源，需要教师的配合。所以，在一定程度上，要想充分发挥出物理实验教学的积极作用，需要提高教师的整体素质水平，培养教师树立实验创新精神，提高教师的实验能力。这对物理教师的要求有了极大提高，一方面要有坚实的物理理论基础和实验创新能力;另一方面还要有责任意识和认真的教学态度。

2.4 适当的转变教学方法，加大对实验的探索