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隨著中學物理教學研究的不斷深入和發展，探索性實驗的作用越來越為人們所認識。探索性實驗作為近年來嶄露頭角的一種新型實驗，它在激發學生學習興趣、訓練動手操作能力，特別是在培養學生創造性思維能力方面有著很好的作用，因而引起廣大物理教育工作者的關注。而且有關這方面的研究及成果不斷出現，這說明探索性實驗的研究正在逐步走向深入。

然而從總的情況看，目前探索性實驗的研究仍然是初步的，還有一些理論和實踐上的問題有待探討。比如，實驗的教學功能有哪些？如何設計這種實驗？顯然，這些問題都是高中物理探索性實驗研究中尚需深入探索的領域。

本文在前人研究的基礎上，總結作者多年來高中物理探索性實驗設計的具體實踐經驗，結合現代認知心理學理論，從實驗設計這個探索性實驗最基本的環節入手，對高中物理探索性實驗的設計進行了初步的研究，試圖從理論上初步形成高中物理探索性實驗的設計指導思想、設計原則，從而給探索性實驗的進一步研究以新的啟示。

我們對探索性實驗的定義是：由教師給出實驗課題，提供實驗器材，提出實驗要求，讓學生自己擬定實驗方案，制訂實驗步驟，獨立地通過實驗的觀測和分析去探索研究，從而發現“新”的物理現象，并通過建立物理模型來解釋實驗現象，總結出他們原來并不知道的規律性認識的實驗。

一、高中物理探索性實驗的設計指導思想

探索性實驗作為物理實驗的一種形式，它既有別于測定性實驗，又有別于一般的驗證實驗。探索性實驗的目的在于使學生獲得物理實驗研究方法的訓練，讓學生接觸探索、發明、發現的過程和方法。在探索發現的過程中，發展學生理性的、批判的思想方法，體驗學者研究的苦衷和愉悅，培養他們的發現、探究能力。而要達到這種目的，首先要求教師樹立正確會設計指導思想。那么，探索性實驗的設計應該該具備什么樣的指導思想呢？瑞士心理學家皮亞杰的發生認識論理論可以給我們以很好的啟示。

皮亞杰認為，人的行為具有一種定向性平衡。本來處于平衡狀態的圖式，由于人與事物的相互作用而破壞了平衡狀態，出現了平衡化。為此，人再進行反應又恢復平衡，這種重新達到平衡狀態的心理反應過程，稱為平衡化。平衡化又可分為同化和順應兩種形式。同化是主體面臨新的情境時，總是將新的知覺要素或刺激整合到原有的圖式中，引起主體原有認知結構量的變化，以加強和豐富主體的動作；而當主體的圖式不能同化客體時，主體只有改變原有圖式或建立新的圖式，引起主體認知結構發生質變才能適應或容納新的刺激，這叫順應。正是在同化、順應的交替轉換過程中，新的認識不斷整合為更高級復雜的認知結構。

學生的心理發展，就是這種認知結構從平衡到不平衡再到新的平衡的過程。皮亞杰認為，引起兒童認知上的沖突，引起最佳或最大限度的不平衡，才能激發兒童的求知欲和好奇心。按照他的平衡學說，沖突是認知結構重新組織和隨后發展的基礎。

探索性物理實驗作為學生的一種積極主動的認識建構手段，其目的和作用不僅僅只是作為一般的建構手段，而是作為學生建構邏輯結構的手段。要達到這種目的，就要使學生在進行探索性實驗時發生認知沖突。這要求探索性實驗設計首先要足夠“新穎”。正是這種“新穎”的刺激，才會激發學生對探索的興趣，才能引起學生探索的欲望，才使得它與主體原有的“定勢”相矛盾、相對立，才能產生認識上的不協調和沖突。比如，我們設計的“測定沒有系統誤差存在時干電池的電動勢和內電阻”實驗，要求學生自己設計電路、得出數據，并求出沒有系統誤差存在時電池的電動勢與內電阻，這比高中教材上的實驗“新穎”。

那么，設計的“新穎”要達到什么程度呢？這涉及一個“度”的問題，太弱的刺激由于不能引起認知上的不平衡，因而也就不能引起同化和順應。相反，如果外部刺激超過主體認知結構同化的范圍，那么同化和順應都無法進行，主體的反應也無從談起。這正如皮亞杰所說的那樣：“一個人既不注意太熟悉的東西，因為已經司空見慣了，他也不注意太不熟悉的東西，因為和他圖式中的任何東西都沒有聯系。”

為了引起學生認知上的沖突，引起最佳或最大限度的不平衡，探索性實驗的設計還要遵循“適度”原則。“適度”是指設計既要與學生已有的知識經驗有一定聯系，同時又要有一定的難度。這樣的設計如同樹上的果子一樣，學生必須“跳一跳”才能摘下來，這樣就最大限度地激發了學生的求知欲和好奇心。當他們依靠已有的知識解決了一個新問題時，往往會在緊張的智力勞動之后帶來精神上的滿足。這種求知欲滿足后，又會產生新的刺激，激勵他們進一步去探索新的課題，從而轉化為學習上的一種內驅力。

概括以上兩個方面可知，探索性實驗的設計指導思想應該是“新穎、適度”。

二、高中物理探索性實驗的設計原則

根據上面所提出的探索性物理實驗的設計思想，結合我們多年具體設計中的體會與經驗，我們認為有必要進一步制訂探索性實驗的設計原則。這是因為，設計指導思想的確立能使我們從總體上把握設計的方向，而設計原則的制訂則會對設計的指導更臻于具體，并對探索性實驗的設計選題、設計思路等方面給予理論指導，從而指導我們設計出符合學生認知水平發展的實驗來。

（一）探索性設計原則

探索性設計原則是指：所設計的實驗包含的物理規律往往隱藏在較深的層次，需要學生去挖掘；實驗的條件和結果之間往往存在著較大的距離，需要學生去跨越；解決問題的方法與途徑往往不太明確，需要學生通過嘗試錯誤，提出假設并驗證假設來尋找。提出這一原則基于以下原因：探索性實驗作為一種發現學習活動，首先需要學生進行深入仔細的觀察，并對外界輸入信息和刺激進行過濾，喚起并指引注意作出有選擇的記憶檢索，并結合輸入信息進行評價，從而提出假設，進行試誤性嘗試，以便檢驗假設。這樣，學生在解決問題的過程中，不僅能學會并形成一定的認知策略和技巧，同時也激發了他們的智慧潛力，并有助于形成內在的學習動機。因此，探索性實驗的性質本身要求我們的設計要在條件與目的之間設置“障礙”，學生在越障的過程中，實際上是通過思維的中介在條件與目的之間架起一座認知“橋梁”。這種越障過程既包括發散性思維，同時又包括輻合思維。發散性思維不直接加工信息，它主要提供解決問題的方向與方法，它屬于執行控制過程，它屬于影響問題求解過程的認知策略范疇。待問題求解的方向與方法確定后，又需要輻合思維進行邏輯推理，按已確定的方向深入下去直至解決問題，從而在這一探究的過程中培養學生的創造性思維。

從探索性實驗的教育目的來看，由于探索性實驗是建構學生良好認知結構的手段與方式，其信息刺激是一種新穎、適宜的刺激，因而，決定了實驗設計一定要具有探索性。探索性的意義在于它給出的新穎、適宜的刺激能在學生的頭腦中引起認知沖突和危機，從而促使學生積極、主動地建構他們的認知結構。特別需要指出的是，學生的探究行為作為一種動作或活動，它不同于演示實驗中學生的觀察，也不同于學生分組實驗中的操作。上述觀察和操作雖都包含物質動作和精神動作，但是精神動作的參與少，同時缺少兩者的轉化。這種情況正是造成目前實驗教學不受歡迎的一個重要原因。而學生的探究行為則表現為物質動作與精神動作自始至終的交織與轉化。這種交織與轉化的前提來自由于探索而引起的認知沖突。這樣，學生在探索性實驗中進行的抽象思維就不只是來自感覺因素的聯結，而是來自感知與行動的相互協調。這事實上就回答了我們經常為之困惑的一個問題：為什么說物理理論的思維訓練與運用實驗的思維訓練其效果大相徑庭？進一步，我們也朝著解決探索性實驗教育功能的方向邁出一大步，這就是探索性實驗探索性的價值之所在，也正是我們制訂這一原則的理由與根據。

（二）趣味性設計原則

趣味性設計原則是指：探索性實驗的設計要充分考慮學生的心理特點和認知水平，實驗設計要求生動、有趣，能使學生在進行實驗探索時，自始至終保持很高的興趣。

在探索性實驗設計中強調趣味性原則是因為，探索性實驗作為一種學習活動，不能依靠教師的督促使學生完成，而要通過設計良好的實驗本身來激發學生的興趣，使學生從好奇出發，進而發生興趣，只有這樣，才能使學生自覺自愿地參與實驗探究活動。

探索性實驗作為學生探究行為的目標或誘因，它還具有誘發和激勵主體的有目標指向行為的作用和功能。生動有趣的實驗本身會使學生產生暫時性的興趣，而解決問題的探究以及成功地解決問題，又會使學生的暫時性興趣轉化為持久興趣。興趣作為主體的一種內驅力，它刺激主體并引起反應（活動和動作），反應的結果則導致主體需要的滿足。當需要（探索的愿望）和內驅力（興趣）指向某種特定的目標（探索性實驗）時，主體便獲得了動機。

（三）理論聯系實際設計原則

理論聯系實際設計原則是：探索性物理實驗的設計不僅有觀察、測量的過程，而且需要建立物理模型，對實驗的現象和結果用根據物理模型得出的表達式進行解釋，從而培養學生運用理論解決實際問題的能力。

在設計中提出這一原則的理由是：多年來我們對物理實驗的教學功能缺乏深入的研究，存在著一種普遍的觀點，認為實驗是附屬于論、服務于理論的手段。實驗的目的和作用常被歸納為正確觀察、測量、讀數和記錄數據。根據實驗數據驗證物理規律。其實，物理實驗不僅僅是用作訓練技能，驗證規律，而且它也是探索物理現象和規律的手段之一。它與物理理論相伴而行，密不可分。

提出理論聯系實際原則的理由還在于：物理模型在學生的探究過程中還有三種功能。1、它具有相關功能。它以合理的方式把我們研究的物理現象和結論聯系在一起。2．它具有解釋功能。物理模型可用來說明或解釋觀測現象和得出的結論。3．它具有啟發功能。它能提出進一步研究的新假說、新問題和新實驗。當學生在探究過程中認識到物理模型的上述功能后，就會逐步走出觀測資料和實驗歸納的局限，接受并學會提出和檢驗物理模型的方法。

（四）簡易性設計原則

簡易性設計原則是指；實驗的設計要盡可能采用較少的儀器，所使用的儀器要盡可能簡單，設計的選題要盡可能與日常生活實際相聯系，實驗的原理要盡可能在高中物理范圍之內。

提出這個原則的理由基于以下幾點。首先，探索性實驗作為實驗教學的一種形式，它由教師給出實驗課題、提供實驗器材、提出實驗要求，讓學生自己設計實驗方案，并選取日常生活中的一些物品作實驗器材，自制一些簡單的儀器或零件。就地取材，用簡單的器材做實驗的方法還富于教育意義。因為這樣做能使學生感到物理就在自己身邊，研究物理并不神秘，從而調動學生的學習積極性、主動性，培養創造精神。

采用簡單的器材還容易突出實驗的物理原理，而不為那復雜的結構所干擾，因而能獲得更好的效果。事實上，實驗的效果往往與儀器的復雜程度成反比。麥克斯韋在評價簡單儀器時曾說過：“這些實驗的教育價值，往往與儀器的復雜性成反比，學生用自制的儀器雖然經常出毛病，但他卻會比用仔細調整好的儀器學到更多的東西。仔細調整的儀器學生易干依賴，而不敢拆成零件。”這很好地說明了簡單儀器特有的教育價值。比如，我們設計的“探索熱水瓶的保溫性能”實驗，所使用的器材僅是一只溫度計（100℃），而其研究對象卻是家家都有的熱水瓶。要求學生探索熱水瓶內的熱水溫度（T）與時間（t）的函數關系T＝f（t〕。這個實驗由于器材簡單、情境活潑，很容易激發學生的興趣。并且易于突出其物理本質，又富于探索性。這樣的實驗設計較好地體現了探索性實驗的特點。

（五）科學性設計原則

科學性設計原則是指：在探索性物理實驗的設計中，首先，必須保證實驗的設計不出現科學性錯誤，這是最根本的要求。其次，實驗設計要具有科學思想和科學方法的教育因素。

為什么要提出這個原則呢？這是因為，我們對學生進行科學教育的基本要求就是要向學生傳授科學知識，同時物理知識本身的科學性也要求我們在實驗中尊重科學事實。提出這個原則的另一層含義在于，由于一個較好的探索性實驗設計本身就是一項小型科研，在選題及設計過程中對于設計者也是一種探究活動，其結果很難在設計之始加以預測。因此，如果在設計中沒有科學的態度和方法，或者沒有認真處理實驗數據，往往稍有疏忽就會出現科學性錯誤。比如，“用沿線變阻器作限流器和分壓器使用時輸出特性的研究”的探索性實驗，本身是一個很好的實驗設計，但也出現了科學性錯誤，如圖l。為什么說這個圖是錯誤的呢？分析其原因，可能是設計者沒有認真對待實驗數據，以致出現當R>>r時直線與R<<r時曲線相交的錯誤結論。其實，若在實驗中對實驗數據認真處理，是不難得出正確結論的，如圖2。

由圖2可知，當負載電阻值不同時，輸出調節范圍也不一樣。如ε＝3V，r＝20Ω，使用r＝200Ω的滑線變阻器作分壓器，則電壓的調節范圍如表一。

運用全電路歐姆定律，我們還可以求出輸出電壓最大值的表達式

因此，由于內電阻廠的存在，當分壓器處于最大值R滑時，輸出電壓U≠ε，且U與R有關。不同的R值對應不同的最大調節范圍，R越大，Umax越接近ε值。

科學性原則在實驗設計中的要求還在于，把科學的物理思想和方法滲透到設計之中，使學生在解決探索性實驗的過程中，形成科學的物理思想，學會并運用科學的方法解決問題。比如，通過觀察、比較、判斷、推理提出假設的思想，以及把誤差分析應用于實驗之中的思想。還有應用圖象法處理實驗數據的方法，以及由此而產生的“曲線改直”，內推、外推的方法，提出物理模型，建立經驗公式的方法等等。這些思想與方法都有很好的科學性與思想性，在學生解決問題過程中，起著一種誘因或刺激作用，引導著他們去思考、去發現，從而使探索性實驗真正起到培養科學思想與方法的目的。