结合“四阶段问题解决模式”进行实验设计教学——以《探究加速度与力、质量关系》为例，本文主要内容关键词为：加速度论文,为例论文,阶段论文,模式论文,关系论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
实验设计是指进行正式的科学实验之前，实验者根据一定的目的和要求，运用有关的科学知识原理（如生物学、物理学、化学、数学等），对实验过程中的材料、方法、步骤等全部方案的制定，是物理实验的前提和基础，是“科学探究”中的一个重要因素。
而在实际的中学物理实验教学中，实验设计教学却是一个相对较为薄弱的环节。在进行物理实验之前，教师往往将实验器材、方法、步骤甚至注意事项等交代的一清二楚，学生只是机械的进行记录和读数，并无实验设计可言。一些教师注意到了实验设计的重要性，但是又缺乏相应的指导，实验设计流于形式，出现了设计场景非常活跃，学生却收获甚少的情况。
为了解决以上问题，提出了基于“四阶段问题解决模式”的实验设计教学。
一、“四阶段问题解决模式”对实验设计的指导意义
所谓问题是指在人做某件事情、达到某种目标的过程中遇到障碍暂时不知道通向目标的方法。问题解决是指克服、越过当前的障碍，寻找通向目标的方法的过程，这一答案不是简单应用已经学过的规则，而是对已有的知识、技能或概念、原理进行重新改组，形成一个适应问题要求的方案。基克（M.L.Gick）针对问题的解决提出了一个问题解决过程的模式，认为一般问题的解决大致应当包括以下四个阶段——建立问题表征、搜寻解法、执行解法和评价，各阶段直接存在着动态的联系。如图1所示。
解决问题首先要建立问题表征（problem representation），即要理解问题到底是什么，即学习者要分析把握问题的基本要点，在结合以往解决问题的经验的基础上，学习者会对问题的结构特征及其解法形成一定的理解，即所谓的问题图示（problem schema）。在研究分析问题时，如果学习者能够找到完全匹配的问题图示，就能够直接进入到“执行解法”阶段，否则需要先“搜寻解法”。
搜寻解法的策略如下：
①问题类比
当学习者遇到的现有问题与已解决问题相类似时，可以通过相关问题的类比，将原有经验迁移过来，体现了新旧知识经验间的联系。
②手段—目的分析
手段—目的分析是利用各种手段来消除初始状态与目标状态之间的种种差异，从而达到目标状态的一种搜索方法。
③问题分解
问题分解是指将一个问题分解为若干个子问题，再对每个子问题进行分解直至子问题得到解决，最终找到解决总问题的方法。
④想法—检验
当对某个问题完全一无所知的时候，学习者可以竭力想出各种解决方案，逐一检验直至找出解决方案。
在找出解决方案后，进入“执行解法与评价”阶段，若是一个解法不能奏效，学习者需要对解法进行调整、修正，直至得出正确的解法。研究表明，专家与新手相比，由于拥有更加丰富的知识和问题图示，因而能够更快地解决问题。实验设计过程同时也是一个问题解决的过程，因此，在实验设计过程中同样要遵循问题解决的过程模式。
基于“四阶段问题解决模式”进行实验设计首先需要构建问题表征，结合实验设计的过程，实验设计需要解决以下三个问题：
①实验目的是什么？
②实验原理是什么？
③实验方案是什么？
三个问题是依次递进的关系，实验目的表述实验要做什么，实验方案是实验的具体操作流程，实验原理则是将二者联系起来的重要桥梁。
二、基于“四阶段问题解决模式”进行实验设计
1.实验目的
进行实验设计首先要解决的问题是实验目的是什么，探究性实验的实验目的应当是（在某种条件下）研究两个物理量的定量/定性关系。
例如，在“探究加速度大小与力、质量的关系”实验中，学生会猜想“加速度大小可能与所受外力及自身质量大小有关”，要验证学生的猜想是否正确，需要实验进行验证，首先要明确实验目的，结合实验要求的单变量原则，实验目的可以确定为：①力一定时，加速度大小与质量的定量关系；②质量一定时，加速度大小与力的定量关系。
2.实验原理
实验原理是指实验进行依据的原理。确定实验原理的目的在于为下一步进行的实验方案设计给出大体框架，便于进行实验方案设计从而完善整体实验设计。实验原理的表述的内容应当是实验设计的整体思路，即实验通过×××达到×××的目的，同时实验原理还应当包括实验现象与结果出现的原因以及重要实验步骤设计的根据等。明确实验原理，需要选择实验源、实验对象和实验效果显示器，即需要明确以下问题：①实验条件怎样保证？②怎样改变自变量？③怎样测量因变量？
在“探究加速度大小与力、质量的关系”实验中需要明确的问题是：①怎样保持力、质量不变？②怎样改变质量和力？③怎样测量加速度的大小？
学生很容易想到，物体质量的改变与否可以通过向物体上增添砝码解决。
物体所受外力如何改变，由于教材在本实验之前安排的运用打点计时器探究小车运动规律实验中运用钩码给小车提供外力，两个实验的情况可以进行类比，学生能够将相关实验设计进行移植，即将钩码所受重力转换为小车拉力，改变钩码质量可以改变小车所受外力。由于研究的是定量关系，对于外力还需要知道其大小，但是结合受力分析可知，物体若在平面上运动，必然要受到滑动摩擦力，对于如何平衡摩擦力，学生经过已有实验，还是可以将原有实验经验进行移植，提出两种方法：气垫导轨和斜面。由于气垫导轨现多用于教师演示实验，尚未在学生中普及，因此此处选择斜面平衡摩擦力。
加速度大小的测量，学生能够根据已有实验经验和物理规律提出多种方法，如前面使用过打点计时器研究加速度大小，学生可能选择使用打点计时器；由于初速度为零的匀加速运动的位移公式
，学生可能选择测量位移来间接测量加速度。进一步分析发现，研究中需要的是加速度大小的比值，加速度大小与位移大小在初速度为零的情况下是成正比的，因此，通过位移比值间接得到加速度大小比值明显更为简便。
3.实验方案
实验方案的设计是对于实验原理的丰满和具体化。实验方案设计是实验设计的重点，实验方案设计包括实验器材选择、实验步骤确定（包括实验数据表格设计）等内容。
在确定“探究加速度大小与力、质量的关系”实验的原理后，可以确定实验器材，选用小车作为实验对象，为了让实验现象更为直观明显，同时减小人为测量时间带来的误差，可以使用两辆小车同时进行实验，要保证两辆小车同时启动同时停止，需要一个同步刹车启动装置。钩码的重力提供绳子拉力，需要选用一个定滑轮来改变力的作用方向。结合实验原理的分析，确定实验器材为：两辆相同的小车、可调斜面、细绳、钩码、两个定滑轮、同步刹车启动装置、天平。
确定实验器材后，结合实验已有分析，确定实验步骤。首先，利用天平称量小车质量，然后调节斜面角度，使小车达到平衡状态，而后将两辆小车通过细绳与钩码相连，跨过定滑轮。调整小车位置，使两辆小车起始位置相同，向小车或者是钩码添加砝码，改变质量或者力。确定实验表格如下：
实验设计过程也是一个问题解决的过程，将实验设计按照其程序分解为三个问题，即明确实验目的、选择实验原理、设计实验方案，将不能解决的问题又分解为多个子问题，运用类比等方法尝试进行问题解决，直至找到解决方案，进而完成实验设计。结合“四阶段问题解决模式”进行实验设计教学能够使学生明确实验设计的方法和程序，有利于学生实验设计水平的提升。