实验设计是物理实验的最高层次，是学生探索新知识、解决新问题的重要途径。
为此，教师在物理实验教学中，要尽可能多地为学生创造进行物理实验设计的机会，使学生在物理实验设计的过程中，体会实验设计的重要性，认识实验设计应遵循的基本原则，初步掌握物理实验设计的基本方法。
教学策略是为了达到教学目的，完成教学任务，而在对教学活动清晰认识的基础上对教学活动进行调节和控制的一系列执行过程。针对调查问卷和测试卷所反映出来的问题，笔者提出了以下培养学生初步实验设计能力的教学策略。
（一）加强开展探究性实验教学
随着教育改革的不断深入，新课程标准明确以全面提高学生科学素养作为义务教育阶段物理课程的基本理念，大力倡导科学探究。探究性实验要求学生熟悉教材内容，运用实验设计的方法和原理设计出合理的实验方案，并观察实验现象、得出实验结果。通过这种实验教学，学生真正参与探索过程，在过程中获得具体经验和方法训练。
1.充分利用教材中已有的探究性实验
与传统物理实验教学不同，在探究性实验教学中，学生不再是一味地听教师讲、看教师做，而是在教师的指导下，运用已有的知识技能，灵活创造性地对所提出的问题设计实验方案，进行实验操作，对实验现象或数据加以分析并得出结论。学生真正参与探究过程，从过程中获得具体经验，活化了知识结构，养成良好的思维习惯。只要教师安排合理、引导恰当，必将有利于提高学生的初步实验设计能力。
例如，在“测量小灯泡功率”实验教学中，学生在明确了实验目的是测量小灯泡的额定功率和实际功率后，根据物理公式P＝UI，从而确定待测物理量是灯泡两端电压U和通过灯泡的电流I，进一步设计出了实验方案和电路图。又经过集体交流讨论，发现了许多问题，如为了保护两表的安全应串联一个滑动变阻器、仪器的量程选择问题等。学生通过交流与评估，倾听别人的设计方案和别人对自己的实验设计方案的评价意见，通过反思和自评，发现自己与他人的长处以及存在的问题，进一步完善和改进原设计方案。
2.将某些验证性实验变为探究性实验
验证性实验是指对所研究的物理知识有了一定的了解，并且形成了一定的认识或提出了某种假说，为验证这种认识或假说是否正确而进行的一种实验。初中物理教学实验多为验证性实验，如阿基米德原理、二力平衡的条件、欧姆定律等。但是，验证性实验不利于学生在学习物理过程中科学方法和科学态度的养成，也限制了学生初步实验设计能力的培养。在物理实验教学中，可将适合研究探索的验证性实验上升为探究性实验，使学生由被动接受者变为主动探究者，让学生在探究过程中不断发现问题、提出假设、调整实验设计方案，为学生提供广阔的实践活动空间和思维分析空间。且在实施探究过程中，尽量再现实验的设计过程，鼓励学生大胆地去构思，逐渐增长自身的知识水平和能力水平，进一步提高学生的实验设计能力。
例如，在“密度”一节的教学中，笔者将这个验证性实验变为探究性实验。教师首先创设情境引导学生认识到不同的物质，其质量和体积都有可能不同。接下来，让学生分组，按小组分别测量若干杯体积不同的水的质量与体积，体积不同的铁块、铜块、铝块的质量与体积，要求学生先设计实验方案、实验记录表格，然后选择器材进行实验，收集数据，分析数据并得出结论。通过学生之间的交流与合作，讨论并归纳得出：同种物质的不同物体，其质量与体积的比值为一定值；不同物质的物体，其质量与体积的比值一般是不同的。进而顺势提出“密度”的概念。
3.教师可将某些疑难问题设计成探究性实验
学生在学习知识的过程中，往往容易根据自己已有的知识和经验对某些问题进行分析、判断，从而达到解决某一问题的目的。在物理学习中，有些问题不能凭经验判断，必须通过实践才能得出正确的结论。在解答某些疑难问题的时候，如果让学生亲自设计方案、动手实验，根据实验现象分析、归纳，最终获得结论，不仅培养了学生科学的思维方法，还培养了学生科学探究的能力。
例如，完成对凸透镜成像规律的探究后，学生还想知道，当烛焰通过凸透镜在光屏上成一实像时，用一块遮光板拦住凸透镜的上半部，光屏上能不能成一完整的像？此时，教师可以引导学生设计实验方案、进行实验探究。实验表明，像的大小、位置都没变，只是变暗了一些，因为遮光板挡住了一些光线透过。通过实验验证，使学习内容中的疑难问题都得以印证澄清，既可加深学生对知识的掌握程度，又可提高学生对问题分析探究的兴趣。
物理知识起源于对日常生活的观察，并在观察的基础上通过探究实验归纳总结起来形成。学生需要把学习的知识自觉地联系于实际，提高感性认识，促进自主设计实验能力的提高，因此教师要引导学生善于到周围的物理世界去观察、思考，调动学生已有的生活经验，运用学过的物理实验设计知识和方法，设计出实验方案，并通过实际操作验证实验方案的正确与否。这样，不仅能够激发学生探索物理奥妙的兴趣，还能使学生在不断的实践中体验到设计成功的快乐，增强物理实验设计的自信心。
例如，家庭照明用电，为什么同一盏灯在晚上有时较暗？有的学生观察到这一现象并提出疑问，想到实验室找答案。他设计了这样一个小实验：连接一个基本的并联电路，在干路上接一个小电阻，再并联几个相同的小灯泡。依次开启灯泡，分别让一个灯亮、两个灯亮、三个灯亮……观察灯泡的亮度情况，发现并联的灯越多，灯越暗。通过对这一现象的定性分析，学生把家庭用电的“电灯较暗的时间—各家各户的用电高峰期—电路中总电阻的变化—总电流的变化—各部分电压的重新分配—每一盏灯的电压变化”等联系起来了，从而对这一现象有了本质的认识。又如，在建筑物或电梯中，手机有时会接收不到信号或信号较弱。有的学生是这样设计实验得到启示的：将手机先后放在密闭的塑料容器、纸容器以及金属容器中，再打电话呼叫容器中的手机，发现放在金属容器中的手机不能接收到呼叫信号，从而了解到金属容器对手机信号（电磁波）有屏蔽作用。
5.引导学生改进实验并进行探究
在物理教学过程中，教师经常会以各种演示实验来吸引学生的注意。演示实验有着自身独特的要求，必须做到时间短、效果好、科学性和直观性强。但有些演示实验，如果照搬教材，效果并不好。此时，教师要有意识地引导学生发现实验中存在的不足，激发学生的认知冲突，启发学生对有关实验进行改进，促使学生主动地参与到实验设计的过程中来。
例如，估测大气压数值的实验。教材上的实验是用注射器、弹簧测力计、刻度尺来完成的，但是在实际操作过程中，无法用弹簧测力计直接测出大气对活塞的压力。通过分析，学生找出了原因：大气压力超出了弹簧测力计的量程、注射器容积太大。因此，他们提出了改进方案，可以将注射器竖直放置，在活塞下面挂重物来代替弹簧测力计进行测量。如此步步启发、层层深入，既完成了实验的改进，又使学生受到了实验设计的训练，增强了学生参与实验设计的意识和信心。
总之，培养学生的实验设计能力是初中物理实验教学中的一个重要方面，也是提高教学质量，培养创造型人才的极好途径。只要教师能认真研究初中物理的实验教学，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的实验设计能力。
（二）规范实验设计的基本思路
正确的思路是实验设计取得预期成效的基本保证。无论是哪种类型的实验设计，其实质都是根据实验题目所提出的问题，运用已具备的物理知识或实验技能，有时甚至是根据实验题目所给的信息或提示，构思出解决问题的方案。(www.daowen.com)
教师在平时的教学中，首先要充分挖掘教材中的资源，引导学生认真分析教材中的实验设计方法，让学生在体验科学家科学探究的过程中进一步体会实验设计思想，掌握实验设计的方法和技能。然后，教师要经常有意识地指导学生进行规范性的实验方案设计，在学生头脑中牢固地形成实验设计的基本思路：明确目的及要求→分析实验原理→选择实验器材→确定实验方法→设计实验步骤。此外，还可以通过一些典型习题，让学生明确实验设计的基本思路。下面，结合具体实例对实验设计思路做一个简要分析。
例如，请使用电流表或电压表和一只定值电阻测出未知电阻的阻值大小。思路分析：此实验的目的是要测量未知电阻的阻值。如何测电阻，这是思路分析的第二步——分析实验原理，根据R＝U/I，要测量导体电阻就必须知道电阻两端电压和通过电阻的电流，利用欧姆定律公式即可求出阻值大小。但如今只有电流表或电压表，只能测定其中一个物理量，怎么办？要运用已具备的知识和技能，进行物理知识、实验技能的组合，可根据串、并联电路的特点：串联电路电流相等，并联电路电压相等。最终确定实验方法，可用定值电阻与待测电阻串联或并联。
（三）把握实验设计的基本原则
在实际教学中，要让学生设计出一个完整的实验方案绝非易事，他们需要掌握实验设计原则，需要有科学的思维能力，需要掌握实验设计的方法步骤，最终还必须用准确的语言加以描述。尽管在教学中实验设计的一些理论已得到了普遍的认可，但学生即使记住了这些理论也不会灵活运用，因为学生头脑中原有的知识背景和理论是脱节的，所以教师在教学过程中不能纯粹地讲解实验设计的理论知识，而应引导学生对课本实验进行归纳、总结，在学生原有的经验背景的基础上得到相应的实验设计的理论支持。
例如，探究改变摩擦力大小的方法。在做完实验后，提出以下问题让学生讨论：如果想要探究摩擦力大小与接触面积的关系，能否直接用弹簧测力计拖动两块大小不同的木块以测出摩擦力的大小？学生在热烈的讨论中很容易得出结论：这个实验中只能有一个变量，其他的量都应该完全相同，如果按照上述做法，不仅接触面积不同，两木块对接触面的压力大小也不同，这就违反了控制变量原则。在探究杠杆的平衡条件时，要改变钩码的数量和位置至少测量三次以排除实验的偶然性，通过该实验引导学生掌握实验设计中的重复性原则。再如，静电实验的演示一般比较困难，特别是天气潮湿时电荷很容易漏掉，所以可以做一个简易烘干箱，里面放一只“100W、220V”的灯泡，用来烘干箱内的“湿气”，里面再放一些静电器材，如玻璃棒、橡胶棒、毛皮、丝绸、验电器等，有这样一个全天候静电实验箱，这个实验受天气的影响就小多了。通过实验仪器的改进让学生认识到实验设计也要遵循可行性原则。
经过观察、讨论、分析，学生不再被动地记忆实验设计的理论知识，而是了解了整个实验安排的必要性，懂得了实验设计虽然需要大胆畅想，但是更重要的是要考虑实验方案的科学性和可行性。这样，学生对实验设计的原则有了更清晰的认识，还在这样的分析中培养了思维的严密性。
（四）培养良好的思维品质
思维品质是培养实验设计能力结构形成的核心。在实验方案设计过程中，需要运用发散思维、逻辑思维、想象思维、直觉思维、批判思维等多种思维方式。教师在教学中，要提高教学效果，就必须加强学生的思维训练，提高他们的思维能力。引导学生对实验进行改进设计来培养学生的批判性思维；通过设计实验解决一些趣味的、新奇的现象或问题来激发学生的主动思维；让学生针对一个问题设计多种方案，挖掘同一个实验装置的不同用途，从而训练学生的发散思维；通过对自己设计的实验方案的论证来训练逻辑思维；通过对设计过程及所得结论的审视与反思，培养学生思维的紧密性与收敛性；让学生通过讨论、交流，用辩证的眼光看待每一种实验设计方案的优点和缺点，开阔学生的思维，培养辩证思维能力，等等。
当教师所传授的知识不能求解时，学生自然会改变思维方向，另求他法，从而摆脱思维定式的束缚。思维训练的方法是多种多样的，教师要多加注意学生思维能力的训练，培养他们解决实际问题的能力。学生思维能力的提高，也必将促进实验设计能力的提高。
（五）规范学生的物理用语
大部分实验设计题都需要通过物理语言来表述。不少学生在解题时使用物理用语不规范、描述物理实验现象不规范，这不仅是学生学习物理的障碍，也是学生考试失分的重要原因。为此，教师必须指导学生掌握用物理语言来思考解答问题的方法，以帮助学生提高物理学习的能力。
1.教师要规范教学用语
在课堂教学实践中，教师的教学语言直接影响到学生的言语，要训练学生正确运用物理语言，教师在教学过程中的教学语言必须科学化，运用严谨、准确的语言表达各种概念、原理和规律。例如探究物体的浮沉条件，实验中物体所受浮力是在完全浸没时的浮力。在力和运动的关系中关于惯性是物体的一种属性，我们只能说物体“具有惯性”，而物体“受到惯性”或“惯性的作用”或“惯性力”这些错误的说法教师必须在课堂上强调指出。在说滑动摩擦力方向时，只能说“与物体相对运动的方向相反”，而不能说“与物体运动方向相反”。教师在教学中要注意每一个细节，严格要求自己，做到教学示范化，让学生有样可学。
2.学生要提高规范答题能力
课堂是锻炼物理表达能力的最佳场所，教学过程中要多给学生提供“说”的机会，可说过程，说思路、疑问，说知识点，让学生通过多方面考虑成熟后有条理地、符合逻辑地进行讨论回答。这样既能锻炼学生从容陈述问题的能力，又能及时针对学生在物理表述中暴露的弱点有效地指正，为进行有效的书面语言表达能力的训练打下良好的基础。
另外，教师应营造各种环境，激励学生多写，在书写中总结经验，形成规范。要有针对性地练习实验设计题，要求学生进行规范而简练的书写，且在每一次练习或考试后，都能及时纠正、纠错、反思，对差错做出深入的分析，找出错误的根源，指明规范的做法。这样可以将规范问题深深地植根于学生的意识之中，使其摈弃过去关于规范问题可有可无的错误认识。
总之，要提高学生的实验设计能力，必须使学生在理论知识的基础上把握原则、理清思路、书写准确、分析清楚、强化训练才能运用自如。
【注释】
[1]王磊，胡久华.中学化学实验问题解决心理机制的初步研究[J].化学教育，2000（05）：11-13，36.
[2]张慧.试论循序渐进原则的运作[J].科教文汇（中旬刊），2009（07）：19.
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