学生实验设计范文

导语：如何才能写好一篇学生实验设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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实验的目的并不是完全为了得出所谓“正确的”结论，而是在实验过程中养成科学习惯，了解科学研究的步骤。对实验每一环节充分地认识其实就能有效提高学生实验设计的能力。在教学活动中教师有时忽略了让学生设计实验这一环节，而是直接让学生上手进行实验，课堂看似非常热闹，但是细细推敲这样的活动就缺少了目的性。学生对于活动的任务不明确，计划不充分，实验过程就会流于形式或者活动杂乱无章。

如《水和冰》一课，水在凝固成冰的过程中温度是会逐渐下降、保持、继续下降，并且每个阶段温度下降的速率也是不一样的。为了能记录这些温度变化的过程，必须要确定记录的时间间隔，教师直接出示了实验的要求，尽管学生在整个实验中执行力很强，实验效果也不错，但是学生在活动中并没有提升自己的实验设计能力。这样的实验课学生的设计能力、科学意识和科学素养并没有提高。所以在指导学生设计实验时教师更应该注意自己在课堂中引导者的身份，把生本主义放在心间，以学生的发展、能力的养成为主要目的。除了注重实验的环节外，更应该创设较为开放的课堂环境，不要害怕课堂会因为学生实验设计的讨论影响了整节课原有的设置和安排，其实正相反，学生对于实验的自主设计正是本堂课的亮点。

二、课堂师生本质交流加速学生实验设计意识

实验课的实验要求是完成实验的前提，但是实验要求的让学生明确的方法有很多，可以是教师直接出示，学生按照实验的要求进行实验，从实验的过程来看，学生主动参与了实验，但是从本质来看，学生的思考能力并没有因此得到提高。在师生的本质交流中得出实验方案更能增强学生实验设计的意识，对于实验操作更能领会，实验设计的目的更为了解。

如2013年全国小学自然优质课展评活动中来自广西南宁的邓超老师执教的《在星空中》一课，学生对于北斗七星知之甚少，仅限于七颗星组成的形状，那么就利用学生对于北斗七星仅有的这些前概念来建构水平方向上七星的模型。再进一步，这七颗星离地球的距离是不同的，如何构建这七颗星的方位，是需要学生通过计算，测量大概距离，构建准确七星模型，进行摆放的，这个过程教师并没有过多的要求，而是适时点拨，和学生有效交流，学生通过与教师交流得出建模实验的方案，在小组内有效实施方案，实验成功，而且在此过程中学生的实验设计意识得到提高，部分学生也拥有了实验设计的能力。

三、有效实验材料的选择促进学生实验设计能力的养成

实验课必然需要实验材料来支撑，而实验课的效果很大程度上也是由使用的材料决定的。在材料的选择上，教师需要花足够多的心思，有效的实验材料是可以给予学生在思维上引导和提示作用，这比教师讲述复杂的实验要求有效很多，也能较好地激发学生对于实验的理解，即实验设计能力。

很多时候我们在执教的课堂中实验材料比较单一，就是一种材料用到底，这也无可厚非，在有些实验课的确是只需要一种主要的实验材料，如《磁》这一课，学生对于磁铁的有效研究，发现磁铁两端的磁性较强，能够吸引较多磁性材料，以及在磁铁周围存在着特殊形态的磁场。这样的实验课是对这种具有特性的材料进行研究，使用这种材料足矣，但是有不排除使用其他形态的磁铁，多块磁铁共同使用的情况，这样的设计思路其实又开拓了思维的瓶颈，学生的学习探究兴趣会更加浓厚，自然会促成其研究还有怎样的实验方法。

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关键词：微型实验；电解；学生探究

文章编号：1008-0546（2015）06-0094-01 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

针对教科书介绍的相关电解实验方案存在试剂用量较多、实验现象不易被所有学生看到、不太适合学生进行自主探究等不足，笔者借助于天然指示剂紫甘蓝汁，利用西林瓶（一种胶塞封口的小瓶子）、饮料瓶盖、注射针针头、电池、铅笔芯等物质设计了适合学生探究的微型电解实验[1]，经常态课堂和综合实践活动课中应用，效果良好。

该实验设计参加了无锡市中学化学实验设计大赛和江苏省理化生实验教学设计比赛，均获得一等奖的好成绩。比赛后不少现场观摩的老师和笔者探讨微型实验的设计，认为该实验设计巧妙、现象明显、表征手段独特、低成本、绿色化；但也有一些老师认为该设计如果作为学生实验，学生将西林瓶倾倒于瓶盖中时，容易导致电解液泄漏。为了开发更适合学生探究的微型电解实验，笔者对其进行了再次研究，现将开发的的一些微型电解实验方案介绍如下。

一、实验设计

1. 以“滤纸”作为“微型盐桥”

如图2所示将两个西林瓶正放于桌面上，此时需要解决的是寻找一个“微型盐桥”来确保整个装置回路。经过多次尝试发现用润湿的滤纸连接在两个西林瓶的电解液中效果较好，连接电源后实验现象同图1介绍的实验方案一样，操作比较简便，同时也解决了电解液泄漏的问题。

2. 以塑料滴管作为电解液的“载体”

与胶头滴管相比，塑料滴管由于其质地柔软，易弯曲等特点，不仅具有滴加试剂的功能，还能作为电解液的载体。在进行本实验时，先将指示剂紫甘蓝汁和电解液硫酸钠溶液吸入滴管中（注意量不要超过滴管体积的一半），然后横放，将注射针针头插入滴管中（如图3所示），连接电池，可以发现现象非常明显，短时间内阴阳极呈现鲜明的颜色差别，而且在电解饱和食盐水时，产生的氯气并不会逸散到空气中，此外该实验的一个优点就是反应结束后可以将阴阳极反应产物混合，对比前后溶液颜色变化，帮助学生认识电解前后反应体系pH的变化，能够有效地突破这个教学难点。

3. 以宽口径试管为电解液的“载体”

由于这样的试管具有宽口径和管身较短这样的特点，适合作为电解液的载体。在电解的过程中阴阳极区域并没有分开，为了便于观察阴阳两极的现象，可以将一块纸板放入其中（如图4所示），将阴阳极分开。电极可以选择注射针针头或回形针，也可以选择铅笔笔芯。

（需要说明的是图2、3、4在绘制时均省略了电源和导线）

二、实验反思

在对于微型实验的研究过程中，笔者感觉到微型化学实验在中学推广艰难的原因之一就是化学反应有时在微量和常量时给予观察者的感受并不一样。因此将化学实验设计成“微型化”的同时也应该使得实验现象尽可能的“可视化”、“扩大化”。

此外任何一种实验设计都不是完美的，表1分析了笔者在进行上述实验设计时感受到这些设计的优点和缺点，教师应该根据不同的教学需求选择不同的实验方案。如利用塑料滴管作为电解液的载体，操作方便，现象明显，但电解过程中产生的气体容易使电解液被排出，因此电解的时间并不能太长，教师如果让学生感受电解硫酸钠溶液时阴阳极的产物和某些溶液电解前后反应体系的pH变化，则可以选择该方案。

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翻开近几年的高考试题，我们不难发现，实验设计的题目都占有一定的份量。所以教师在平时的课堂教学中必须加强对实验设计方案的指导，将一些简便易行、富有趣味性、启发性、思考性的实验让学生自己设计。还可以利用学生对某些问题的争议和不同看法，创设化学问题情境，激化学生认识中的矛盾，促使他们利用已有的知识和经验，提出各种可能的假说；在教师的指导下查阅资料或进行实验论证，最终获得合理的结论，从而强化学生的创新意识。

例如，在讲解食盐中加碘时，可以让学生思考如何用实验方法来验证一包食盐中是否加碘酸钾。通过讨论大部分学生都可以得到比较正确的实验方案，这时再由学生动手操作验证，巩固所学知识，并提高学生实验的积极性。当然，在实验方案设计过程中，我们教师本身应注意以下几点：①问题提出要具有针对性，范围不应该太大，否则会使学生失去探究兴趣、挫伤学习积极性，要紧扣同学们身边可以感受到的问题展开。

如：设计一个实验证明铝表面的氧化物的确对铝能起到保护作用；②给学生充分的思考时间和讨论机会。教师只能做引导者,千万不要包办学生的活动,更不要只是告诉学生问题的答案，要设计就需要时间，需要同学们在智力火花的碰撞中去深化思维和加强实验探究；③采用“鼓励教学法”多鼓励少批评，合理而又有新意的实验方案要及时表扬，不足之处应引导其自己质疑或提供必要帮助。

利用课堂实验“意外”来培养学生严谨的科学态度

在课堂实验时，尽管我们严格按操作规程进行，但有时也会因为实验条件、实验药品等因素产生“意外”。“意外”情况的处理的好坏能反映一个教师和学生心理素质的稳定性。演示实验的“意外”如果处理得好，不仅不会影响教学实验效果，反而是验证正确结论的好教材。例如，在检验乙烯和乙炔的演示实验中，一位同学将实验室得到的这两种气体分别通入溴水中，发现乙炔褪色快，为什么会出现这种情况呢？该同学又用KMnO4来验证，结果还是乙炔使之褪色更快。

为什么出现了与理论知识不相符合的实验现象呢？同学们讨论分析，有的同学从对比实验的外部条件出发，看两种气体的流速和流量是否相同，同时溴水或KMnO4溶液的浓度是否相同，只有都相同的情况下才有可比性；有的学生从乙烯、乙炔气体的纯度方面讨论考虑杂质对实验结果的影响，如乙烯中的二氧化硫、乙炔中的硫化氢对结果的影响。针对学生讨论的不同原因让学生自己设计方案来验证，如何才能得到正确的结论。这样既培养了学生严谨的科学思维能力，同时也鼓励学生对传统的结论的质疑，从而培养学生独立思考的能力。因而当实验操作出现与基本理论不相符合的情况时，教师不可以慌乱，要做出榜样，要给学生一个稳定的心态，碰到困难要敢于去接受分析和解决。实验中的“意外”可使学生的记忆更深刻、更牢固。

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要进行探究性实验设计，必须要清楚实验设计遵循的原则：

首先，科学性原则。科学性是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段的选择要恰当，整个设计思路和实验方法的确定都不能偏离所学基本知识和基本原理以及其他学科领域的基本原则。

其次，可操作性原则。设计实验时，要考虑到实验材料容易获得，实验装置比较简单，实验药品比较便宜，实验操作比较简便，实验步骤比较少，实验时间比较短。

第三，单一变量原则。单一变量原则是实验步骤设计中非常重要的原则。确保”单一变量”的实验观测，即不论一个实验有几个实验变量，都应做到一个实验变量对应一个反应变量；即控制其他因素不变，只改变其中某一变量，观察其对实验结果的影响。除了整个实验过程中欲处理的实验因素外，其他实验条件要求做到前后一致。

第四，严谨性原则。这里包含两层意思，一是对比实验，通过设置实验对照对比，即可排除无关变量的影响，又可增加实验结果的可信度和说服力。通常，一个实验总分为实验组和对照组。实验组，是接受实验变量处理的对象组；对照组，对实验假设而言，是不接受实验变量处理的对象组，至于哪个作为实验组，哪个作为对照组，一般是随机决定的，这样，从理论上说，由于实验组与对照组的无关变量的影响是相等的，被平衡了的，故实验组与对照组两者之差异，则可认定为是来自实验变量的效果，这样的实验结果是可信的。二是平行重复同一实验，即控制某种因素的变化幅度，在同样条件下重复实验，观察其对实验结果影响的程度。任何实验都必须能够重复，这是具有科学性的标志。上述随机性原则虽然要求随机抽取样本，这能够在相当大的程度上抵消非处理因素所造成的偏差，但不能消除它的全部影响。平行重复的原则就是为解决这个问题而提出的。

在遵循以上原则的基础上，就可以引导学生进行探究性实验设计。

首先要对实验原理进行探究。原理探究是指对实验进行理论上的探讨，主要解决完成实验任务的理论问题。进行相关原理探究时，要根据学生实际情况，教师通过一定的情景引发问题，展示实验设计任务，确定整堂课的学习方向。由于探究性实验本身往往有一定难度，问题的设计就显得尤为重要。设计的问题恰当，可以引导学生思考，有助于探究；设计的问题不恰当，则会使探究式实验丧失应有的作用。适当设置情景问题，让学生不但知道怎样做，还要知道为什么这样做，真正使学生在做中学，在学中思。然后组织同学们展示讨论的成果并对各原理进行评价，判断其合理性和可行性，最后选择出可行的原理，为下一步的探究做好准备。

其次是探究出科学可行的实验方案。从课本知识入手，培养学生大胆质疑的能力，养成探究习惯。人们求知识的过程，是一个不断破旧立新的过程。正是怀疑推动人们去思考，去探求未知的领域。所以根据学生实际，设计富有启发性的实施方案，并给予巧妙的设“疑”，是启发学生积极思考，培养学生创新意识的重要手段，也有利于激发学生探究性学习和创造性思维。善于疑，敢于疑，是走向真理的必经的阶梯。疑是思之始，学之端，鼓励学生大胆质疑是十分重要的。但是，要引导学生以正确的态度质疑，不可陷入怀疑主义的怪圈中。首先要引导学生思考实验步骤设计中隐含的科学方法，引导学生了解实验的思维过程，提出探究性的问题，培养学生探究的兴趣；然后根据实验可能的各种条件，让学生自行设计实验，进行实验操作，并作认真记录，引导学生分析实验结果，由结果推导出结论，培养科学探究能力，最终使学生形成：提出问题设计探究结果分析评价的探究式学习方法。

所以在学生选择出可行的实验原理之后，教师不能直接给出肯定或否定的判断，也不必提示实验方案，应该由学生根据原理进行实验设计，将抽象的原理与实际的实验任务结合起来，设计实验方案。将学生进行分组，每组选择上一步中确定的可行原理进行设计，完成设计之后，每组选派代表将本组的设计方案进行展示和讲解，其他同学提出疑问和指出缺漏，最后，大家选择出可行的方案。

第三是根据实验方案进行实验验证。前面两步是理论上的设计，该设计是否合理，还有待实验来验证，因此，探究性实验设计的教学必须有实验验证的阶段。在实验验证中，教师要事先估计到学生可能出现的实验方案，从而准备好可能需要的仪器、试剂和用品。每组学生可以自主选择自己认为合理的方案进行实验。在实验过程中，教师要提醒学生不仅注意操作，更要做好记录，获得足够的信息，以便对实验设计进行评价。最后，根据实验结果和记录分析实验结果，得出对该方案的评价并提出解决和改进的办法。

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一、生物教学中实验设计的重要意义

新教材的实验以探究为主，着重培养学生的自主学习能力。培养学生的生物设计实验能力，是中学生物新课标明确提出的培养学生的观察能力、思维能力、实验能力和自学能力等四种能力之一。生物实验设计能力既是实验能力的重要内容，也是实验能力的最高层次，其本身具有较强的综合性、创造性和灵活性等特点。

二、实验设计的基本原则

1.科学性原则

科学探究的过程本身就是科学，并不是说研究的结论才是科学。因此，在实验设计中必须有充分的科学依据，把方方面面因素考虑周全再设计实验，从而保证实验设计比较全面、科学，充分体现了逻辑思维的严密性。

2.单因子变量原则

实验变量，或称自变量，指实验假设中涉及的给定的研究因素。反应变量，或称因变量，指实验变量所引起产生的结果或结论。遵循单因子原则，既便于对实验结果进行科学的分析，又增强实验结果的可信度和说服力。

3.对照性原则

实验中的无关变量很多，必须严格控制，要平衡和消除无关变量对实验结果的影响，设计对照实验是消除无关变量影响的有效方法。根据实验目的要求，凡是涉及确定变化因素之间的因果关系的实验中，一般都需要设计对照组实验。

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关键词：新课标 生物 探究性实验 设计能力

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）05-0152-01

在传统的生物教学中，实验教学虽然也是重要的一个环节，但其弊端是很明显的。比如在实验课上，教师往往成为了主角。教师会按照教科书上的指示，精心演示实验，然后总结实验结果。学生往往成为了观众，只是记录一些实验数据，分析实验现象，得出实验结论。学生自己并不敢操作实验，这就使得实验教学的效率大打折扣。

探究性实验设计是指根据问题的需要确立研究目标，应用所学原理，选择适当仪器、药品和材料，设计各种实验去验证或探索某一原理和现象的过程，目的是把学生从照抄、照搬、照做的状态引导为自主、独立、创新的状态，需要教师从平常的教学中不断贯彻新的教学理念，新的教学方式，鼓励和肯定学生的思维火花，不断放手让学生在实践中探索研究和“发现”知识，从而培养学生的创新意识、创新思维及实践能力，全面提高学生的科学素质。下面我就浅谈一下自己在教学实践中的几点体会。

一、教师要引导学生认真分析实验操作步骤，体会实验设计的科学性和可操作性

以往的实验操作过程，有着许多不足，比如学生往往按部就班、机械地按实验步骤操作，所有的实验都成了验证性实验，导致对实验材料的选择、实验的次序及操作细节都忽略了，而只注重实验结果。这就根本达不到实验的目的，更不利于学生能力的提高，尽对这一现象，教师可从课本中的实验入手，引导学生体会实验步骤中的选材、实验的次序及操作细节等方面折科学性和可操作性，多问个为什么？有无其它解决方法？

如：在观察酵母菌的形态结构实验时，教师首先让学生讨论分析其实验操作的细节，启发引导学生提出一些问题：酵母菌为什么要培养在淀粉液中？培养在苹果中是否可以？淀粉糊为什么煮沸后要冷却？瓶口为什么要加棉塞？为什么要放在温暖的环境中？

经过讨论，学生才真正地体会到了一个完整的实验步骤原来这么复杂、这么严密，需要注意很多问题，从而使学生真正地理解了实验原理，了解了整个实验安排的必要性，并进一步地懂得了实验步骤的设计需要大胆想象、需要考虑实验方案的科学性和可操作性。这样为下一步有条不紊的实验操作打下了良好的基础。

二、鼓励学生大胆想象，初步锻炼实验设计能力

教师在学生懂得了实验设计的科学性的基础上，适时创造机会，让学生扮演发明家的角色，自己去设计各种方案，去探究科学的奥密，去实践一下自己的能力，并在成功中享受到创造的喜悦。

如：在探究种子萌发条件实验中，提出假设后，让学生以小组为单位，自行设计实验步骤。结果学生纷纷发挥自己的想象力和创造力，设计了各种实验方案，其中虽然有些显得幼稚和不成熟，甚至有很多错误，但学生是在走自己的路，自己探索，自己运用所学的知识创造性地解决 问题。因此我对他们的积极性仍然给予了高度评价，并与学生一起讨论、分析、筛选了几个可行性较强的方案，进行实验操作和验证。下面是一组学生设计的比较好的一个实验。实验来证明“阳光是不是种子萌发必需的外界条件”。学生准备了两组种子萌发实验的装置，在其他条件都相同的情况下，一组装置放在阳光下，另一组放在暗室中，用有、无阳光照射作对照，实验结果就可以说明阳光对种子萌发是否有作用。如果我们只在阳光下做了种子萌发实验，没有做对照实验，就不能说明阳光是不是种子萌发必需的外界条件。经过实际操作后，学生又在教师的指导下对实验步骤和结果进行逐个分析，发现其中 的问题给予及时地纠正，从而使实验结果更加科学可靠。

三、激发学生实验设计的热情，培养学生独立探索的习惯

如果学生总是担心操作失败，缺乏自信心，慢慢地就失去生物实验的兴趣，更谈不上实验设计的热情了，尽对这一情况，我就鼓励学生说：“任何一项重大发明和发现，都 是科学家经过多次的实验失败后产生的，失败不可怕，可怕的是因担心失败而不敢去探索，将会一事无成。”通过讲解并结合平时的实验教学，不断地激发学生的实验热情，引导学生自觉主动地发现探索空间，使学生逐步养成独立探索的习惯，教师要及时地发现和肯定学生的点滴进步，以增强其自信心，提高实验设计能力。

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关键词： 化学实验设计 类型和内容 教学策略

一、化学实验设计对发展学生科学探究能力的意义

所谓化学实验设计，是指学生在实施化学实验之前，根据一定的化学实验目的和要求，运用有关的化学知识与技能、科学过程与方法，对化学实验的仪器、装置、步骤和操作方法进行规范的一种规则。化学实验设计对于发展学生的科学探究能力、提高他们的科学素养具有重要的意义。首先，它可以激发学生的化学学习兴趣。学生根据自己所学的化学知识，独立地或在教师启发下，设计出各种实验方案，成功地解决化学实验问题，从而产生成功后的喜悦，激发起更大的学习热情，成为进一步学习的强劲动力。其次，设计化学实验方案需要学生灵活地和创造性地运用所学的化学基本能力和创造能力。最后，进行化学实验设计还需要学生掌握各种科学方法（如实验、测定、实验条件的控制、假说等），具有严肃认真、一丝不苟和敢于创新的精神，有利于学生认识和掌握科学过程与科学方法，形成正确的化学实验态度、情感与价值。

二、化学实验设计的类型和内容

根据不同的标准，我们可以将高中化学实验教学中的实验设计划成不同的类型。根据实验在化学教学认识过程中的作用，它可以分为：

1.启发性（或探索性）实验的设计。

这类实验是在课堂教学中配合其他化学知识的学习进行的，多采取随堂实验的形式。在引导学生进行设计时，我们要注意效果明显、容易操作、时间短和安全可靠。

2.验证性实验的设计。

这类实验目的主要是验证化学假说和理论，多采取学生实验课或边讲边实验的形式。在引导学生进行设计时，除了上述要求外，我们还要注意其作为证据对猜想与假设是否具有较强的说服力。

3.运用性实验的设计。

这类实验的目的是综合运用所学的化学知识和技能，通过化学实验解决一些与化学有关的实际问题。在引导学生进行设计时，我们要注意灵活性和综合性，尽可能设计多种方案，并加以比较，进而进行优选。

根据化学实验的工具，它可划分为以下两种类型：

（1）化学实验仪器、装置和药品的改进或代替。

（2）化学实验方法的改进。一方面，这主要是由于高中化学教课书中，有的实验因装置过于繁杂、操作不太方便、方法不合适、可见度较低而影响化学教学效果，因此需要改进方案，重新设计。另一方面，由于高中生受到种种条件的限制，常会发生缺少某些仪器、药品的情况，因而需要自制一些仪器和代用品，采用微型实验，所以也需要对实验重新进行设计。

三、化学实验设计的原则

1.科学性原则。

科学性是指实验原理、实验程序和操作方法必须与化学理论知识和化学实验方法论相一致，这是化学实验设计的首要原则。例如Na2S和Na2SO3的鉴别，在试剂的选择上就不宜选用硝酸等具有氧化性的酸；在操作程序的设计上，应先溶解，取少量溶液，然后加试剂，而不能溶解后就加入试剂。

2.可行性原则。

可行性是指设计化学实验时所运用的实验原理在实施时切实可行，所选用的化学实验药品、仪器、设备和方法在中学的条件下能够得到满足。例如NaCl、Na2SO4的鉴别，有的学生常选用AgNO3做试剂，认为AgCl难溶、Ag2SO4微溶，从而把两者加以区分。事实上，这种方法所依据的原理在实施时是不可行的。因为硫酸银不稳定，很容易分解成难溶的氧化银。

3.绿色化原则。

绿色化学是21世纪化学科学的一个重要发展方向，也是中学化学教学中，学生应树立的基本化学观念之一。绿色化学倡导从源头上就尽可能地消除或减少有毒、有害化学物质对环境的影响，要想实现这一目标，必须首先从化学实验设计做起。在化学实验设计中体现绿色化学思想，就要遵循化学实验设计的绿色化原则，即在化学反应原料的选择、化学反应的条件的选择、化学反应的产物、化学实验的操作等环节都要贯彻绿色化学思想。

四、发展学生化学实验设计能力的教学策略

1.尽可能为学生提供进行化学实验设计的机会。

化学实验设计能力，是实验探究能力的重要组成部分。进行化学实验设计的过程，也就是学生经历制定实验探究活动计划，发展实验探究能力的过程。因此，我们在化学实验教学中，要尽可能多地为学生创造进行化学实验设计的机会，使学生在化学实验设计的过程中，体会实验设计的重要性，认识实验设计应遵循的基本原则，初步掌握化学实验设计的基本方法。

2.增强发展学生化学实验设计能力的计划性。

增强发展化学实验设计能力的计划性是发展学生的化学实验设计能力很重要的一个方面。我们应根据化学实验教学内容的特点、学生知识与技能的基础和能力发展水平，有目的、分阶段地制定化学实验设计能力的发展计划。

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【关键词】小学科学；实验设计；能力；培养

实验教学是小学科学课堂教学的核心，学生在老师的引导下，自己动脑、动手完成实验，得出实验现象，培养简单的探索科学的方法和基本的科学观念。要做好这些并不容易，这就要求学生有一定的实验设计能力。小学生的科学实验设计能力不是仅仅指小学生操作实验的能力，而是一种综合的实验能力，是指小学生在科学学习中理解实验目的要求，按照教材提供的实验方案或者自己设计的实验方案进行有步骤地操作实验、采集实验数据、分析实验数据、归纳总结实验结论的综合能力。

培养小学生的实验设计能力，也是培养学生自主探究性学习的能力，不但能提高学生自主探究学习的兴趣，还能提高学生进行自主探究学习的自信心，综合发展小学生的科学素养，打造小学科学高效课堂。那么，怎样培养小学生的科学实验设计能力呢？我结合几年的科学教学实践，从以下几个方面来谈谈我对小学生实验能力培养的做法。

一、明确实验目的，按照实验方案有序进行实验

爱动手是小学生的特点，所以科学课在动手操作这一项比其他学科占优势，学生积极性高，兴趣浓。可是，在具体的教学过程中，我们不难发现学生们很想做实验，但是却不知道怎样才能把实验做好。课堂上常常出现这种情况，当老师让学生动手做实验时，人人都要争着做实验，可是却没有几个人是按照实验要求去做的，实验场景怎一个“乱”字了得，实验的结果也是百花齐放，各有千秋。学生做实验更多的是满足自己一时的好奇心，而缺乏有目的、有秩序地去完成探究实验任务。不知道实验的目的是什么，没有对实验中会发生的情况进行预设和猜想，没有把观察到的现象、实验数据及时记录下来，也就无法得出实验结论，这是我们所不愿意看到的，不是我们想要的结局。

如何克服学生做实验的盲目性，提高学生实验的效果呢？我在教学实践中感觉到：第一，在学生做实验之前，老师应该引导学生养成认真细读实验目要求的习惯，使学生了解实验的目的要求。第二，了解实验的方法，有些实验的实验方案教材中已经有了，有些实验方案则需要自己根据实验要求设计。只有让学生读懂实验目的要求（要做什么？），了解实验方案（怎么做？），学生才能对实验做到心中有数，才能较好地完成实验，提高实验效果。

二、激发兴趣，及时督查，自主进行实验

根据新课程标准要求，小学科学教材中安排了许多探究性科学实验活动，老师在每节课上都要安排学生做较多的实验，要想让学生做好实验，就必需要准备较多的实验器材。许多老师为了让学生做好实验，都会亲自动手准备实验器材，样样亲力亲为，而不需要学生动手参与准备实验器材，担心学生准备实验器材有困难，担心学生找不到所需的实验材料，无法完成课堂上的实验。其实，老师完全没有必要这样担心，只要你做好宣传工作，宣传到位，检查到位，学生基本上都会按照实验要求准备实验器材的。

要求学生课前准备实验器材，有很多好处，一方面可以让学生切身感受到老师准备实验器材不容易，懂得尊重老师的劳动；更重要的一方面是，学生在准备实验器材的过程中必然要细读实验目的要求、实验方法，必定细看教材，对课本有提前预习的准备，进而对实验目的要求、实验方法有深刻地认识，为上课做好实验做了心理上和思想上的准备，为做好实验做了铺垫。学生在自主做实验的过程中不断地理解、消化实验的目的要求，无形之中养成了实验之前仔细研读实验要求与实验方法的习惯，提高了学生理解实验的能力。

三、面向全体学生，明确分工，主动参与实验

学生参与课堂科学实验，经历整个探究实验过程，是培养小学生探究性学习能力的最佳途径，也是培养小学生科学实验设计能力的最佳途径。参与做实验，参与到整个探究实验过程中去，使所有学生都能在实验过程中发挥作用，都能有机会动手做实验，都能细致观察实验中产生的现象，都能学会记录实验数据，都能参与讨论，分析实验数据，分析实验过程中观察到的现象，都能学习归纳总结实验结论，都能学结实验成功的经验和实验失败的教训，等等。但是，现实的教学活动中学生参与探究实验活动的情况并不令人满意，虽然说小学生喜欢做科学实验，但是实际现象是有些学生还是不愿意动手做的，特别是一部分女生，她们常常不愿意动手做，经我了解她们不愿动手做实验的原因有三种，一种是就是不想动手做；一种是不敢做，担心做失败，被别的同学笑话；一种是没有机会做，每次实验都被男生抢去做了，或者被动手能力强的女同学抢去做了，自己没有做的机会，久而久之就再也没有机会做实验了。这样下去，不动手参与做实验的这部分同学动手能力必然被弱化，不做实验，她们的兴趣必然减弱，他们的实验能力必然得不到培养。

如何解决部分学生不参与实验活动呢？首先，老师安排学生做实验时要给学生充足的时间，其次，要求实验小组的成员明确分工，细化职责，小组内的同学轮流动手做实验，轮流观察实验现象，轮流记录实验数据，保证每个人都有机会动手做实验。这样小组成员就会主动参与实验。

四、记录实验数据，分析实验现象，综合归纳结论

学生喜欢做实验，但往往不愿意去仔细观察实验过程中产生的现象，不愿意去主动用笔记录观察到的实验数据，忙着做实验，甚至抢着去做实验，等到要使用实验数据时，却没有完整的实验数据可用，也就无法通过对实验现象、实验数据的分析来归纳总结实验的结论，那做实验也就没有达到做实验的目的，实验几乎没有发挥应有的作用。为了避免这种事情的发生，在做实验前，教师就要给每个实验小组的成员明确地分好工，安排好实验小组各个成员的任务，实验时要求实验小组成员各行其事，有条不紊地做好自己的工作，观察实验过程中产生的现象，获取有效的实验数据，保证实验顺利有效地完成。

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【关键词】高中数学实验；操作性数学实验；思维性数学实验；计算机模拟实验

【中图分类号】G633.6 【文献标志码】A 【文章编号】1005-6009（2017）27-0009-03

【作者简介】徐彩娥，江苏省太仓高级中学（江苏太仓，215400）教师，高级教师，苏州市名教师，江苏省优秀教育工作者。

高中数学实验是根据国家课程标准、学生认知水平及数学教学思想发展的脉络，创设问题情境，充分利用实践手段、设计系列问题、增加辅助环节，在教学思维活动的参与下引导学生主动、积极、批判地思考，给出验证和理论的证明，从而使学生亲历数学建构，逐步把握认识事物与真理的方式方法，培养学生创造能力和科学研究意识，提高数学素养的一种探索活动。江苏省太仓高级中学数学团队根据高中的教学内容精心设计高中数学实验，有计划、有步骤、有目的地开设高中数学实验课程。我们将高中数学实验依据开展形式，分为操作性数学实验、思维性数学实验和图形计算器模拟实验三类。下文就对这三种数学实验的教学设计进行详细分析。

一、操作性数学实验

操作性数学实验教学是根据数学实验的目的和要求，教师指导学生通过动手操作，制作或使用一些简单的工具，验证数学结论或假设、进行探究数学知识的教学活动。操作性数学实验按照实验目的分为验证式的数学实验和理解式的数学实验。

1.验证式的数学实验设计。

验证式实验的目的并不是让学生探索数学知识，而是让学生通过实验验证数学结论或了解公式的用。

【案例1】椭圆定义的应用。

（1）实验设计：在圆形纸片内部设置一个不同于圆心的一点，折叠纸片，使圆周的边界上有一点与该点重合，重复这个过程数次，形成一系列折叠，它们整体地勾画出一条曲线的轮廓。

（2）实验目的：会用椭圆定义来解释实验的现象，加深对椭圆定义的深刻理解，激发学生对数学的兴趣，培养数学应用能力和论证能力。

（3）现象与解释：

经过观察，可以猜想众多折痕围出的图形是椭圆。

证明：如图1所示，M，O关于直线AB对称，PO=PM，

PC+PO=PC+PM=r，即椭圆上的点到圆心C与另一个定点O的距离和等于圆的半径。

2.理解式的数学实验设计。

理解式实验主要针对一些很难直观想象的数学公式、定理和结论，通过制作实验模型或操作其变化过程，达到直观、便于理解的目的。

【案例2】圆锥曲线的探索。

（1）实验设计：从手电筒打出的光束是呈圆锥形，当光束打到墙面上时，光斑的边缘就形成了一条曲线，画出手电筒光束形成的圆锥曲线，并写出对应的方程。

（2）实验目的：通过观察平面截圆锥面的情境，获得自身体会，使得学生对圆锥曲线的概念有一个感性的认识，由此引出圆锥曲线的概念。

（3）实验工具：手电筒、一张纸。

（4）实验过程：

①在一张纸上画出直角坐标系，并把它贴到墙上；

②手电筒垂直照向纸，使光束在纸上形成一个圆，并使光束的中心在原点，然后保持手电筒不动，描出光斑的边缘，测量出半径，写出圆方程；

③改变手电筒与墙面的夹角，使得光斑形成一个椭圆，并使得对称轴位于竖直方向，中心在原点，然后保持手电筒不动，描出椭圆的形状，测量出长轴、短轴的长，写出它的方程。

④用类似上述的方法，探索还能得到其他哪些曲线。

（5）现象和解释：

手电筒发出的光束形状可以近似看成一个圆锥，设圆锥的母线与轴线的夹角为α，纸面与轴线的夹角为β。（如图2）

当β=90°时（即手电筒垂直与纸面时），光束在纸上形成一个圆。

改变纸面与圆锥轴线的夹角，当β=α时（即手电筒与圆锥的母线纸面平行时），光斑形成的图形形状是抛物线。

当手电筒既不与纸面垂直，纸面又不与圆锥的母线平行时，需要分两种情况讨论：

当β>α时，光斑形成的图形是椭圆；

当β

二、思维性数学实验

思维性数学实验又称为“探索建构式”实验，它是通过对数学对象的不同变化形态下的展示，创设问题情境，引导学生运用思维方式探究数学知识、检验数学结论（或假设）的教学活动。思维性的数学实验重在思维训练，实验分四个阶段进行：探究情境的创设，学生形成问题，确认研究中的问题，对问题做出解释。

【案例3】苏教版高中数学必修4中“实习作业”：制作烟囱弯头（如图3，单位：cm），不考虑焊接处的需要，选用的矩形铁片应满足怎样的尺寸？请你设计一个最合理的裁剪方案。（在矩形铁片上画出的裁剪线应是什么图形？）

1.实验设计。

（1）安排制作直角烟道模型的课前实践活动，在利用火腿肠制作烟道模型的过程中，通过斜切火腿肠、观察截面椭圆的展开图，增加感性认识，为进一步的理性分析打下基础；

（2）利用TI计算器进行函数模型拟合分析，让学生应用信息技术验证猜想，为推理证明埋下必要的线索；

（3）加强自主探究、合作交流活动，将每个学生的作业即时投射到大屏幕上，为课堂中的师生、生生互动提供材料，并引导学生观察、比较、分析。

2.实验目的。通过烟囱弯头的设计，不仅让学生感受“数学源于生活又服务于生活”，而且促使学生将所学的圆柱的侧面展开图、二面角、直线与平面的关系等立体几何知识和y=Asin（ωx+φ）+B的图象与性质方面的知识联系起来，培养学生的数学应用能力和创新能力。

3.实验工具：火腿肠、美工刀1把、矩形纸片一张、TI计算器。

4.实验过程：

（1）课前探究。

第一步：先切去火腿肠两头，将其切成一个圆柱体，再将圆柱体按约45°斜切成两段，拼成一个直角烟道的模型。

第二步：用美工刀将其中一段火腿肠包装纸切开，然后将其展平在一张纸上，并观察曲线的形状特征。

（2）学生初步确定曲线函数图象：截面椭圆的展开曲线可能是正弦型函数y=Asin（ωx+φ）+k的图象。

（3）借助TI计算器操作确认。

选取一张学生的图片，导入到TI计算器的坐标系中，然后让学生完成下面操作：①在曲线上有针对性地选一些点（至少5个），测量各点的坐标，并将测得的坐标列成电子表格；②至少选用两种函数模型进行回归分析，并比较一下效果。

（4）实验结果和解释。

可将此问题数学化为一个数学模型，供学生利用理论进行推理论证：水平面α与斜平面β成45°的二面角，α∩β=l，且l与截面圆O相切。设圆柱底面半径为1，点Q为截面椭圆上任一点P在水平截面α上的投影，设AQ=x，PQ=y，试求y关于x的函数表达式。

“实验操作直觉猜想直观验证推理论证”是科学探究的一般方法。让学生参与探究的全过程，可以培养学生严谨的思维习惯。在学生利用TI计算器拟合并得出初步结论时，引导学生利用所学的数学知识进行严密论证是不可或缺的一环。在探究过程中，通过层层设问，适时点拨，使学生调动、运用已有数学知识，最终揭开直观现象背后的数学奥秘。

三、计算机模拟实验

计算机模拟实验教学指借助于计算机的快速运算功能和图形处理能力，模拟再现问题情境，引导学生自主探究数学知识、检验数学结论（或假设）的教学活动。计算机多媒体技术能为教学活动提供并展示各种所需的图文资料，创设、模拟各种与教学内容相适应的情境，为学生的学习和发展提供丰富多彩的学习情境和有力的学习工具。

【案例4】抛掷硬币实验。

1.实验设计。通过TI计算器模拟抛掷硬币的实验，记录正面向上的频率。

2.实验工具。TI计算器。

3.实验目的。体验抛掷硬币的实验，真正感受出现正面的概率为1/2。

4.实验过程。利用TI计算器，记录正面向上的次数，计算正面向上的频率p=m/n。

5.实验现象。分别统计小组和全班学生的实验结果，得到正面向上的概率是1/2。

6.理论解释。抛掷一枚硬币出现的结果只有两种：正面向上和正面向下，且两种事件是互斥的，所以抛掷一枚硬币出现正面向上的概率是1/2。

以往的教学因为缺乏实验的环境，常常将结论直接提供给学生，学生没有质疑的机会，自然也没有质疑的念头，这对科学探究精神的培养是不利的。这里借助TI计算器进行数学实验，有效地验证或探究数学问题，使得做数学、用数学成为可能。

可见，数学实验不但可以改变传统的教学方式，而且使得数学探究活动变得丰富多彩、方法灵活多样。通过数学实验课程的开设，不但有利于培养学生的主体意识，而且改变了学生学习方式，拓展了问题研究的空间，真正做到富有创造性地学习数学，真正有利于培养学生创新意识和研究能力，真正有效提高了学生的核心素养。

【参考文献】

篇10

【关键词】生物医学工程；生物医学电子学；生物电位放大器；电子设计自动化

【Abstract】In order to strengthen the electronic engineering technology training for Biomedical Engineering students， the Biomedical Electronics experiment course was designed for the students. The biological potential amplifier was selected as the experiment subject； In the experiment， student will be required to combine the simulation based on the electronic design automation software and practical operation to complete the design work of the biological potential amplifier， verify its function， and measure its important performance； the experiment was arranged in the early stage of the theoretical courses. Practice shows that the students have a more depth understanding of the characteristics of different methods in electronic engineering technology through the training of biomedical electronics experiments. Therefore， the curriculum design of the experiment is successful.

【Key words】Biomedical Engineering； Biomedical Electronics； Biological potential amplifier；Design automation

0 引言

生物医学工程专业涉及多种学科和技术，具有很强的综合性[1]；但与此同时，该专业的本科生培养工作也具有很高的难度，原因就在于学生学习的内容多而不精，在择业时常常无法体现出能力优势。因此，从培养生物医学工程专业本科生的角度而言，应该在对学生进行综合素质培养的同时、加强特定专业技能的训练，为学生的就业和继续深造打下良好的专业基础[2]。

医学电子仪器方式是上海理工大学生物医学工程专业的一个重要方向，在课程设置上，专注于培养学生的电子工程技术[3]。这其中，生物医学电子学[4]是生物医学工程专业的重要专业课程之一，其教学目的是让学生掌握医学电子仪器中带有共性的电子器件、电子线路及电子学设计方法，因此是引导学生学习将电子工程技术应用于生物医学工程专业的重要环节。生物医学电子学实验是该课程的配套实验，目的是在于通过有代表性的实验课题，引导学生学以致用、将课堂内容融会贯通于实践之中。因此，生物医学电子学实验是生物医学工程专业的一门重要实验，需要进行慎重的实验选题、认真的实验设计和细致的实验安排。为此，进行了相关的课程设计和实践工作，详述如下。

1 课程设计思想

上海理工大学生物医学工程专业的生物医学电子学实验被安排于第五学期，和生物医学电子学理论课平行设置。此前，学生已经通过电路原理、模拟电子技术基础、数字电子技术基础和电子技术技能训练等课程的培养，具备了一定的电子工程技术基础。生物医学电子学实验的总课时为16学时，在有限的课时内，让学生得到最大程度的专业训练，具有一定难度。在此背景下，展开生物医学电子学实验的课程设计工作。

首先要解决的问题是实验选题。生物医学电子学实验的选题，应该能够突出生物医学电子学的特色，具有代表性。经过研究，多个生物医学电子学的相关教材中，都将生物电位放大器（Biopotential Amplifier），即仪表放大器（instrumentation amplifier），放在了相当重要的位置上[5]。生物电位放大器，是用于放大心电、肌电和脑电等信号的专用放大器；这些信号具有的特点包括：由生物体内的电活动产生、属于微弱的差分信号、非常容易被更加强烈的共模噪声淹没；而生物电位放大器具有很好的共模抑止特性，最适于放大这些存在于强烈共模噪声背景下的微弱差分信号[6]；因此，生物电位放大器在生物医学电子学中占有重要地位，以生物电位放大器为主题开展生物医学电子学实验，不仅具有代表性，而且能够引导学生在前期的课程基础上有所提高。

其次要解决的问题是实验设计。围绕生物电位放大器这个主题开展实验设计工作，需要使实验具有一定深度，但同时又要保证大部分同学有能力在限定的课时内完成任务。经过反复论证设计，最终决定生物电位放大器相关实验由两部分组成：基于电子设计自动化（Electronic design automation， EDA）软件的设计仿真实验和动手实践实验。在第一部分实验中：学生基于LM324[7]完成生物电位放大器的设计工作；仿真验证设计结果；仿真测试其差模增益幅频响应曲线[8]。在第二部分实验中：学生在面包板上动手搭建生物电位放大器；并在实验室中，使用各种设备测试差模增益幅频响应曲线。上述实验设计的优点在于：通过设计仿真工作，让同学们尽快掌握生物电位放大器的原理，同时，基于EDA软件开展电路工作，符合发展趋势[9]；通过设计仿真和动手实践相结合，互为验证，比较差异，容易引发思考，更加深刻的体会电子工程技术中不同手段的特点；对生物电位放大器的重要参数进行仿真、测量和总结，有利于学生们在更深地程度上掌握生物电位放大器。

最后要解决的问题是实验安排。由于生物医学电子学实验是生物医学电子学理论课程的配套实验，因此在进度安排上必须要统筹考虑；此外，实验设计决定了生物医学电子学实验适宜集中精力完成，而不是分散到每周进行，集中完成实验能够取得更好的效果。为此，在生物医学电子学理论课程中，生物电位放大器相关内容被安排在课程的早期进行讲解；紧随其后，利用课余和周末时间，在一周内完成生物医学电子学实验。这样安排的好处是：学生能够在课程的开始阶段，就体会到了如何将理论应用于实际，引发学习兴趣。

2 实验内容展示

下面以一位学生的实验情况为例，说明课程设计效果。

1）生物电位放大器的设计和仿真

a）生物电位放大器的设计：

基于lm324设计一个基于三运放的仪表放大器，用于生物电位测量，仿真电路原理图如图1所示。增益公式如公式（1）所示，其中：R1、R2、R5和R6都选用10KΩ的电阻；R3和R4都选用24KΩ的电阻；Rg为增益电阻，当Rg为无穷大时，（这里选用600MΩ），增益约为1倍，当Rg为5.6kΩ时，增益约为10倍，当Rg为470时，增益约为100倍，当Rg为47时，增益约为1000倍。

A=（2*R3/Rg+1）*R2/R1（1）

b）对所设计的生物电位放大器进行仿真，验证其功能

如图1所示：使用+Vdm/2和-Vdm/2两个信号源组合成模拟心电信号的差模输入信号Vdm，峰值为10mV，频率为18Hz；使用Vcm仿真工频干扰产生的共模信号，峰值为500mV，频率为50Hz。取Rg为5.6kΩ，输入、输出信号对比图如图2所示。由图可见，差模输入信号被放大约10倍，但50Hz共模输入信号在输出信号中全无踪迹，因此该生物电位放大器正确的实现了预期目的：放大差模信号、抑制共模信号。

c）对所设计的生物电位放大器进行仿真，测量其性能，频率范围设定在0.1Hz-5MHz之间：

对图1的生物电位放大器进行仿真，测量其差模增益频率响应，如图3所示。图中从上到下的短划线、虚线、点划线和实线分别代表差模增益约为1000倍、100倍、10倍和1倍时的幅频响应。由图3可见，放大倍数越小时的幅频响应截止频率约高：差模增益约1000倍时，幅频响应在1kHz左右就开始截止；差模增益约100倍时，幅频响应在10kHz左右开始截止；差模增益约10倍时，幅频响应在100kHz左右开始截止；差模增益约1倍时，幅频响应在1MHz左右开始截止。

2）生物电位放大器的实践实验

动手实现所设计的生物电位放大器。使用的器材包括：面包板、lm324、10KΩ电阻、24KΩ电阻、5.6KΩ电阻、470Ω电阻、47Ω电阻和导线等，电阻均为5%精度；使用的仪器包括SPF05数字合成函数信号发生器、DS1000数字示波器和电源。测试所得到差模增益频响曲线如图4所示。其中，差模增益随频率变化的趋势与仿真所得的结果基本类似，除了差模增益为1时的截止频率出现在了100kHz左右。

3）实验分析

相比于实际实现的生物电位放大器，仿真实验而得的结果具有更好、更理想的特点。其原因在于：仿真时避免了器件差异造成的影响，需要匹配的电阻和运放可以做到完全匹配，同时也避免了人为测量失误造成的影响，因此可以排除随机误差。仿真实验更容易实施，对于理解理论课内容大有裨益；但动手实验更加真实，且可以提高动手能力、积累实验经验，对于理解真实情况、解决实际问题非常有好处；两者可以互为补充。

3 结论

为了避免生物医学工程专业本科生培养博而不精的问题，在对学生进行综合素质培养的同时，应该加强特定专业技能的训练；上海理工大学生物医学工程专业医学电子仪器方向在课程设置上专注于培养学生的电子工程技术；生物医学电子学实验作为该专业的重要课程生物医学电子学的配套实验，在引导学生“入门”、引发专业兴趣等方面，具有重要作用；为此，对该实验进行了相关的课程设计工作。实践表明，通过生物医学电子学实验的训练，学生对专业的认知程度、对技术的理解程度和对知识的掌握程度，都得到了提升，这些能力的加强有助于学生对其它专业课程的学习和掌握。因此，该实验的课程设计是成功的，今后将沿此方向继续推进。

【参考文献】

[1]尤富生.麻省理工学院教育理念及对生物医学工程专业的启示[J].医疗卫生装备，2016，37（1）.

[2]赵晓明.生物医学电子综合实验系统设计[J].实验技术与管理，2013，30（7）.

[3]周宇.医学仪器设计原理课程构建的心电检测系统[J].实验室研究与探索，2012（2）.

[4]马长升.生物医学电子学的回顾与展望[J].中国医疗设备，2008，23（3）.

[5]Webster， J.G.Medical Instrumentation： Application and Design[M]. 3rd ed. John Wiley & Sons，2009.

[6]Franco， S.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].2ed.西安交通大学出版社，2009.

[7]Instruments. T. LM324 Quadruple Operational Amplifier. Available from： http：///product/lm324.