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实验设计方法范文1
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．
实验设计方法范文2
【关键词】高中 物理 演示实验 设计创新
中图分类号：G4 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2017.09.166
物理演示实验对加强学生的理解能力至关重要，也是培养学生创新意识的最佳途径，物理教学不能脱离开演示实验这一重要的教学形式。那么，如何让演示实验切实有效地发挥它的作用呢？这就需要物理教师在实验设计方面多下工夫，多结合生活中常见的问题，增加一些教材上学不到的内容，拓宽学生们的思路，才能进一步激发出来自于学生们的创新思维。因此只有教师先创新，才能带动和引导学生们去创新。
一、加深演示实验的知识层面
首先，高中生虽然已经开始学习较高难度的物理知识，但是相对于物理这门学科的深度和广度而言，还是具有很强的片面性和局限性的；另外，物理教材在演示实验方面也偏于单一和浅显。从提升学生知识层面的角度来看，需要物理教师给学生开辟一条了解物理学科全貌的途径，对实验的内容进行拓展和填充，让实验的过程变得丰富起来，尽量让学生能够深层次、多角度、全方位的了解物理学知识。
比如，在以往的“超重和失重”这项实验中，物理教师会拿一个易拉罐，然后在靠近其底部的侧面做一个出水的小孔，然后用手指按住这个小孔，在易拉罐里面装满水；随后将手指快速地移开，水则立即从小孔射出来。这时将拿着易拉罐的手松开，易拉罐就会变一个自由落体，在下落过程中，从小孔中射出的水也瞬间停止。这样仅仅是让学生们看到了一个无可厚非的事实而已，并没有引发出太多的思考。为了加深实验的知识层面，物理教师在实验设计上进行了创新：在易拉罐的底部靠边缘处制造一个小的出水孔，当罐中的水量较少时，没有足够的压力让水从小孔射出；这时给易拉罐一个向上的作用力，水则会立即从孔中喷出，这就是失重现象；然后，在另一个透明的塑料瓶里倒进半瓶水，再将瓶盖拧严；将塑料瓶保持水平状态时，瓶内上方是空气，下方是水，水面是平静的；随即再给塑料瓶一个向上的作用力，就可以看到瓶中的空气在水中形成了一个或几个大小不同的圆形气泡，这就是超重现象。创新之后的演示实验过程变跌宕起伏，生动形象，涉及到的知识不局限于“超重和失重”层面，同时对学生们的创造力也是一个很好的启迪。
二、将实验形式从验证式转换为探索式
在以往的物理教学中，基本是教师将本次实验的结论先告诉学生，然后再开始进行实验操作，这个过程有点类似于验证一件事情，目的性很强，导致实验中用到的知识点很有局限。通过对演示实验的进行设计创新以后，教师可以组织学生们进行探索式的实验，让学生们尝试运用不同的实验方法来解决问题。这种开放式的实验就具有很强的思维发散性，在实验中运用到的物理知识范围自然大了很多，对学生们的物理知识掌握情况是一种真实有力的考察。
例如“探索式求合力的方法”实验。如图所示：第一次实验，在水平的木板上放置一张白纸，把橡皮筋的一端固定在图中P点的位置上，另一端用两条绳子连接，通过绳子同时用两个测力器互成角度地拉动橡皮筋，使橡皮筋与绳子的连结点到达图中0的位置；再记下两个测力器上读数和它们各自拉动的方向；在白纸上按比例画出两个拉力的示意图；在第二次实验中只用一个测力器，仍然通过绳子将连结点拉到O的位置；记下测力器的读数和拉力的方向，按同一比例画出@个力的示意图，观察第二次实验合力和第一次实验合力的共同作用点O与这三个力图示的箭头端的位置，看它们构成了什么图形，多次重复实验，看看结论是否相同。
三、对演示实验的条件进行创新
物理教师可以通过对实验条件进行改进让学生获得更多的知识体验。例如在“平抛运动规律”这一实验中。采用塑料瓶和透明塑料瓶作为实验的器材，先让水从塑料管中流出形成一条弧形的抛物线，通过水的流动线条看平抛运动的轨迹，这时就可以定性、定量的研究平抛运动的规律。但在这个实验的过程中会出现了一个必须解决的问题，就是随着水位的下降水压也会随之减小，水线的射程自然也会变短，这就给研究带来了很大的难度。于是，教师和学生们就需要共同努力想出一个办法，让水压在一个时间段内保持恒定状态，使得从塑料管中流出的水柱形状不变。在经过一番讨论之后，大家决定采用浮标来解决这一难题，就是将塑料管口与浮标相连，这样就能保持水压可以在一定时间内恒定不变了。解决了难题，学生们根据水流抛物线的形状顺利的计算出水柱的运动速度，进而收到好的实验效果，这都是改进实验条件的功劳。
四、通过创造情境使实验生动化
例如在讲授牛顿第一定律时，由于高中生的推理能力比较有限，让他们理解抽象的物理规律存在很大的难度。这时，物理教师可以设计一个生动的演示实验情境，让学生们在情境中进行观察：让一辆小车分别从同一斜面上自由滚动到另外三种不同材质的平面上，第一次是滚到地毯上，第二次滚到水泥地面上，第三次滚到木板上，在小车三次滚动中观察每次从滚动到静止下来的距离并做好记录。学生们通过观察，发现小车一次比一次滚动的距离远。此时，教师把握时机问道：为什么小车每次静止的距离会有所不同？因为之前在课堂上讲过摩擦力的作用，学生们马上就想到了是摩擦力不同导致的这种结果。于是，教师又提出第二个问题，如果小车滚动到一个没有摩擦力的平面上，结果会是怎样呢？学生们经过一番讨论之后得出结论：如果没有摩擦力，小车永远不会静止下来。这个时候，再讲授牛顿第一定律，学生们的接受能力就强大了很多。这种实验方式，不仅得到了很好的教学效果，也为日后更进一步的创新思维提供了良好的基础。
实验设计方法范文3
【关键词】酶 动物生理 植物生理 光合作用 生物实验
【中图分类号】G632 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2015）04-0142-01
一 酶相关实验的常见设计方法
酶的相关实验包括探究（或验证）酶的催化作用、酶的高效性、酶的专一性和需要适宜的条件等题目，其解题方法归纳如下：
1.酶的催化作用
实验组：底物+一定量的酶溶液，检测底物分解情况或生成物生成情况；对照组：底物+等量的蒸馏水，检测底物分解情况或生成物生成情况。
2.酶的高效性
酶的高效性是指酶的催化作用相对于无机催化剂效率要高很多，所以在设计实验时，一组加入一定量的酶，另一组加入等体积的无机催化剂，因为实验遵循单一变量原则，所以底物应该相同，两组的实验条件应相同，观察、记录实验结果进行比较后可得出结论。
3.酶的专一性
酶的专一性是指每一种酶只能催化一种化合物或一类化合物的化学反应，这种类型的实验基本分为两种思路：（1）不同的组底物不同，但酶相同；（2）不同的组酶不同，但底物相同。实验过程中的温度、pH等条件保持在最适状态且各组相同，遵循等量原则和单一变量原则。
4.酶的适宜温度或pH
在探究酶的最适温度或pH时，应设计一个系列的温度或pH为自变量，通过对照找出最适温度或最适pH，如果在两种温度或pH的条件下酶的催化活性相同，则最适温度或最适pH应该在这两种温度或pH之间，此时可再在两者间取一定梯度变化的温度或pH进行进一步的实验，最终确定出最适温度或最适pH。
二 生物生理实验的研究方法
生物生理实验的研究方法可以大致分为“加法”和“减法”。“加法”是指实验中加入某种变量，如植入器官或注射某种物质等；“减法”是指实验中去除某种变量，如切除器官。
1.动物生理实验的研究方法
切除法和植入法常用于研究动物某器官的生理作用。如研究性腺与的关系时，实验操作方法：切除器官观察、记录生理变化植入器官观察、记录相应生理活动在消失后是否会重现。注射法和饲喂法往往用于研究某种物质的生理作用。如果所研究物质的化学本质是蛋白质，则必须用注射法，而不能用饲喂法，因为该物质会被消化分解，如研究胰岛素具有降血糖的生理作用，必须选用注射法，对成年个体注射胰岛素后观察、记录血糖浓度的变化情况；如果是脂质或氨基酸类等小分子物质可以注射，也可饲喂。此外，在动物生理实验中，选择实验动物时要考虑其生长发育的情况、年龄、性别、体重等，如研究甲状腺激素能促进生物生长发育的实验应该选择年幼的动物，研究甲状腺激素可以提高神经系统的兴奋性的实验应该选用成年动物为实验材料。
2.植物生理实验的研究方法
研究植物体中的生理作用可以选择喷洒、涂抹或浸泡等方法。如将扦插枝条用不同浓度的生长素类似物浸泡后，概括生根情况可以研究促进插条生根的最适浓度。切除法可以用于研究植物体某器官或部位的生理作用，如研究向光性生长与顶芽有关时，可以用去掉顶芽的植株和正常植株对照。
下列关于生命活动调节相关实验操作的叙述正确的是（ ）。A.探究植物顶端优势产生原因的实验中，应该设置具有顶芽的植株、切除顶芽的植株和切除顶芽后的断口处涂上生长素的植株三组实验；B.用适宜浓度的生长素涂抹受粉后的雌蕊柱头证明生长素可以促进果实发育；C.用静脉注射法验证甲状激素可以促进成年雄鼠的发育；D.用饲喂法可以验证胰岛素具有降血糖的作用。
解析：探究顶端优势产生原因应该设置三组实验，一组是具有顶芽的植株，作为对照，另一组植株去掉顶芽，第三组植株去掉顶芽后在断口处涂抹生长素，三组对照可以说明顶端优势的产生原因。发育着的种子也会合成生长素，所以验证生长素可以促进果实发育的实验中，雌蕊必须是未受粉的。验证甲状腺激素的作用，不能用成年个体，因为成年个体的发育已经不明显。胰岛素的化学本质是蛋白质，不能用饲喂法验证胰岛素的生理功能。答案：A。
易错点拨：生理实验中，实验组与对照组的设置、实验材料的选择、对激素的处理方法等是实验成功的关键，下面就这几个易错的方面进行提示说明：（1）对对照组的设置不重视，认为已经知道了正常生长发育的个体情况，所以实验中不需要再设置对照组；（2）对实验材料的选择不恰当，不能依据实验的因变量选择理想的实验材料；（3）对动物激素的人为操作不重视，不联想激素的化学本质而随意选用注射法或饲喂法。
三 光合作用的相关实验方法
实验设计方法范文4
关键词：物理教学；实验设计；实验方法
中图分类号：G633.7 文献标识码：A文章编号：1003-6148(2007)5(S)-0053-3
物理学是一门以实验为基础的学科，实验是物理学最基本、最重要的研究方法。在中学物理教学的过程中加强实验教学，不仅是向学生传授科学知识的需要，而且是对学生进行实验技能训练、培养学生科学思维能力、使学生掌握科学研究方法、全面发展学生素质的需要。然而，多年来实验教学仍是一个薄弱环节。一方面，有些学校具备一定的实验条件，但实验教学未受到足够的重视；另一方面，有些学校想开展实验教学，却苦于缺乏实验设备。不论是哪种情况，要想开展好物理实验教学，都应当先做好两件事情：一是端正实验教学态度；二是做好教学实验设计。态度是做好实验教学工作的前提，设计是做好教学实验的保证。一个实验往往有多种不同的方法和手段来实现，“坛坛罐罐当器材、拼拼凑凑做实验”、“科学就在身边、实验就在手中”也说明了这个道理。利用现有实验器材或者再添置、开发一些器材，经过精心设计，也可以很好地完成实验教学任务。可见，实验设计在实验教学中起着重要作用。中学物理教学实验设计的方法有很多种，可将其归纳为以下类别：
1 模拟法：也叫再现法，就是抓住事物的本质特征，模拟自然现象发生的条件，在实验室里重现自然物理现象和过程，从而揭示物理规律的一种实验设计方法。
例如：用棱镜对光进行色散可以模拟彩虹；自然界海市蜃楼的景象持续的时间短促、转瞬即逝，利用人工方法模拟海市蜃楼，把大自然的壮观幻景再现出来，使人能较长时间观察与研究这种现象，并由此揭示其形成机制就是光在非均匀媒质中传播时光线弯曲所产生的景象；模拟法测绘静电场，是用电流场模拟静电场，且它与原静电场的分布完全一样，当用探针去测模拟场时，它不受干扰，因此可以通过测量模拟场而间接地达到测量静电场的目的。2 比较法：比较法是通过实验对一些物理现象或物理量的对照比较和分析研究，达到异中求同或同中求异的目的，以揭示所研究事物的某种性质或规律的一种实验设计方法。比较可以采取横向对比和纵向对比。横向对比一般是把研究对象分为两个或两个以上的组群，一个是对照组，作为比较的标准。另一个是实验组，通过某种实验处理确定对实验组的影响；纵向对比是实验时间前后的对比，即对同一组进行施加影响因素前和施加影响因素后的对比。
例如：研究物体的沉浮条件时，用重量相等的铝盒与铝团作比较；研究自由落体运动时，要否定亚里士多德关于“重的物体先落地”的错误观点，可用质量相等的纸团和纸片做比较演示其下落，进而用牛顿管做实验比较羽毛与铁片的下落；把两种不同的金属片铆在一起做成双金属片进行受热膨胀的比较；用黑白颜色截然不同的两种物体表面来对比物体吸热本领的不同；在自感现象观察的实验中，通过灯泡亮度的比较，显示自感现象的存在；光谱分析也是运用比较法设计的；用电位差计测电源电动势，就是在辅助电路上用待测电源与标准电源进行比较的方法。
3 平衡法：所谓平衡，就是矛盾双方的平衡，分析平衡就是分析矛盾的双方。在一个平衡的系统中，总存在着偏离平衡的因素，平衡就是指偏离平衡的不同因素的作用相互抵消的效应。在物理教学中，各种不同的平衡情况总对应着一个数学方程式，据此，就可由已知的物理量去寻求未知的物理量。平衡原理应用于实验设计的例子很多。
例如：利用天平测质量，是依据等臂杠杆平衡时两边质量相等的原理；用弹簧秤测力，是根据二力平衡的原理；用托里拆利实验测大气压强，是根据管内一定高度的液柱所产生的压力与大气压力相等；用惠斯登电桥测电阻，是利用电桥的平衡条件R1/R2=Rx/R0来测定；测定金属的比热容，是利用系统达到热平衡时吸热与放热相等来实现的；用电位差计测电源电动势，也是在辅助电路上利用了平衡方法。4 放大法：在物理实验观测过程中，有些物理量由于太小而不能直接观测时，就要借助声、光、电或叠加等方法，将待测量放大后再进行观测。中学物理实验中常用的放大法有：
(1)电放大。例如：用单根导线切割磁感线来产生感应电流的演示实验，由于感应电流很微弱，可以在示教电表上附加一个放大电路，使感应电流放大从而能在示教电表上明显地显示出来。
(2)光放大。例如：利用投影放大验电器的验电实验、电解过程中的化学反应现象、水波的干涉现象；载流导体磁相互作用的实验投影演示；金属线胀系数测定实验中，利用光杠杆放大法将金属棒的微小膨胀放大后进行测量。
(3)机械放大。例如：热膨胀的实验演示中，铜棒受热膨胀时，其长度的微小变化可以利用机械杠杆机构加以放大后观察。
(4)叠加放大。例如：用摇绳切割地磁场的磁感线来产生感应电流的演示实验，由于感应电流太微弱，所以可以用很多股导线捆绑在一起组成摇绳，通过摇绳上多股导线的感应电流的叠加，便可以在示教电表上明显地显示出来。
5 转换法：转换法是一种间接测量或间接观察的方法。在物理实验中，常有一些现象因为不明显而不易观察或者不易直接观察，这时可运用等效的思想，遵循等效的原则，借助力、热、电、光、机械等方法之间的相互转换以间接地达到可观察、容易观察或观察效果明显的目的。
例如：弹簧秤是把力的大小转换为弹簧的伸长量来测量；固体的热胀冷缩现象不明显，可以转换为指针偏转或拉断钢钉来观测；伏安法测电阻是把测电阻转换为测量电压和电流；迈克尔逊干涉仪则是把测光速转换成测光的干涉条纹。
6 图像法：根据实验所获得的物体运动轨迹、直观图形或数据，借助数学手段建立相应的坐标系，将这些轨迹、图形或数据反映成坐标系下的图像，然后加以分析研究，以揭示所研究事物的某种性质或规律的一种实验设计方法。
例如：研究单摆的振动规律，可以借助沙摆或墨摆在匀速运动纸板上留下的轨迹来实现；研究弹簧振子的振动规律，可以借助传感器和计算机处理软件，将其离开平衡位置的位移随时间的变化规律形成图像后进行分析；研究波的干涉规律时，借助水波干涉的投影图像进行观测分析。
7 极限法：极限法是物理实验中常用的一种方法(有人称之为极限思想)。在许多实际情况中，理论是在极限情况(或理想情况)下得到的，而实际上都不可能实现，于是就用极限法来解决。
例如：气垫导轨上的许多物理实验都与瞬时速度有关。然而，在这些实验中所测定的瞬时速度往往是极短时间(或极短距离)内的平均速度=δs/δt(δs是第一、第二挡光边之间的距离，δt是两次挡光之间的时间间隔)，由于无法做到δt0，所以后者只能是前者的近似值。为了测得真正意义下的瞬时速度，可以采用极限法来解决：测出从待测点A起逐渐变短(即挡光距离δs不断变小)的若干个δt内的，画出-δt图线。对于匀变速直线运动，它是一条方程为=vA+a/2δt的直线。将图线延伸(外推)到坐标δt=0处，对应的值(直线截距)就等于A点的瞬时速度vA。
8 理想化方法：理想化方法就是通过实验，同时借助逻辑思维和想象力，有意识地突出研究对象的主要条件，完全排除次要因素和无关因素的干扰，在大脑中形成理想化的研究客体或各因素之间的相互联系，从而探索物理世界内在奥秘的一种科学抽象的方法。理想化方法一般有三种形式：对物理条件理想化――抓住起主要作用的条件，完全忽略其它条件的影响；建立理想模型――分为对象模型和过程模型；进行理想实验。
例如：用纸带落体法研究自由落体运动规律，是忽略空气阻力和撞针对纸带阻力影响后的理想化实验；探究单摆振动规律的实验，首先是用变式实验抽象出单摆模型，然后是在摆角小于5°的情况下、且在忽略空气阻力影响后进行的理想化实验；实验室里所做的有关研究理想气体状态变化规律的实验也都是理想化实验；对于伽利略，很多人都知道其比萨斜塔实验，但他更为重要的实验应当是斜面理想实验，由此得到了惯性定律，并为物理学奠定了重要的方法论基础。
当然，实验设计方法远不止这些，而且一个实验中可能会贯穿多个方法。关键是明确并掌握了这些实验设计方法，就可以在物理教学的过程中，运用现有实验器材或经适当配置，通过恰当的实验设计而很好地完成实验教学任务。
参考文献：
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实验设计方法范文5
实验课程再建设是教师在实验教学过程中依据课程标准，调整实验内容、优化实验设计、改进实验方法和完善实验素材，从而使之更好地适应具体的实验情境和学习需求的课程二次开发。
一、教学资源的再开发
1. 传递科学思想
（1）改进实验方案，渗透可持续发展思想
可持续发展思想要求实验的设计、操作和产物“绿色化”；形成化学是改善环境、提高生活质量重要手段的观点。教学途径如表2。
（2）引入化学史实，体验科学精神
科学精神是在长期科学实践中形成的共同信念、价值标准和行为规范。引导学生重演历史上的科学研究历程，能够感受科学态度；研读情境史料，可以体会科学家的优秀品质。
2. 获取科学方法
（1）摒弃繁复操作，组建对照实验
对照实验是通过控制变量的方法获取分析资料的途径，能培育信息的搜集和处理能力，为形成优选技能提供经验借鉴。
（2）改编验证实验，开展探究实验
探究实验不是按照既定的实验方案，单一地重复教材范例，而是依靠积极探索，在实验过程中发现、思考、解决问题。
3. 形成科学意识
（1）发掘身边的化学，传递生活化意识
取用生活中的器材做实验，研究身边的化学；具有感受亲切、材料易得、气氛宽松的优点。
（2）关注新颖的实验手段，强化科技意识
科学是第一生产力，技术则能直接转化成生产力。让学生了解实验中的新技术，既是科普的需要，也是感受科学魅力的途径。
二、教学活动的再整合（以“原电池”教学为例）
1. 打破编排限制，重新设计教学框架
部分实验分散编排在多本教材中。初学时，机械记忆的内容较多；深入学习时，新鲜感减弱，探究欲望降低。因此，打破教材编排限制，尝试教学活动中的再整合，如图4。
2. 以史料和实验为导引，创设情境
【化学史料】迦法尼偶然发现蛙腿痉挛现象，经过十年观察，写成《关于电对筋肉运动的作用》的论著。
【模拟实验1】铜制5角和铝制1角的硬币结成V形，轻触舌尖，感受电流的味道。
【模拟实验2】用硬币制作水果电池。
【发现问题】构成原电池的要素有哪些？
【实验探索】用铜片和锌片作电极，硫酸作电解质，探索原电池的形成原理。
【情感体验】用化学史和模拟实验引课，体会迦法尼细致入微的观察品质和持之以恒、深入探究的科学精神，蕴含着化学联系生活的学科价值。
3. 以对照实验为手段，分析探究（原电池电动势影响因素的探究）
【提出假设】分析原电池的构成因素，影响电动势的变量可能是：①电极活泼性；②电解液差异。
【对照实验】电极活泼性与电动势关系（图5）。
【探究实验】电解质溶液浓度与电动势关系（图6）。
【交流分享】电池不仅要有较高的电动势，还要能够持续供电。如何消除极化，长时间点亮灯泡？
【实验比赛】试验等浓度的过氧化氢、重铬酸钾、高锰酸钾作为去极化剂，结合减少极化作用的操作（如震荡），比比谁的电池亮灯时间更久（图7）。
【情感交流】通过对照实验，培养了用实验解决问题的科学精神，传递了学以致用的思想。
4. 以反思诘问为途径，深化结论（对构成原电池要素的反思）
【结论反思】形成原电池的电极必须不同吗？
【深化认识】可以电极相同、电解质不同；如浓差电池。
【问题追思】电极和电解质溶液（包括浓度）都相同，能制得原电池吗？
【实验再证】饱和食盐水作电解质溶液，螺旋状铁丝作电极，用塑料滴管向其中的一极轻轻鼓入空气（图8），用微电流传感器测量（图9）。
【情感启迪】通过构成原电池要素的反思，发现旧认知的偏差。数字实验向学生诠释了高灵敏度、定量化的实验发展趋势，并为钢铁生锈腐蚀的后续教学预留空白。
5. 以实践能力为标准，评价成效
调查显示：多数学生对这节课感兴趣和较感兴趣（分别25人和12人），感到一般的较少（9人），不感兴趣的为零。课后，有学生串联水果电池，点亮了发光二极管；也有收集历史上的各种电池资料，赠予教学参考。更有用钉子打穿已经失效的电池（图10），灌入饱和食盐水和氯化铵溶液，蜡烛封口，使废电池复活！这说明，教学激发了学习兴趣，培养了方法情感。
三、教学实践的体会
1. 挖掘隐含的情感方法
教材以物质的分类和转化作为编写的主线，方法情感往往处于相对隐性的地位。例如教材虽然没有明确指出实验的绿色化追求，但对所有有害气体都加装了尾气处理装置，潜移默化地渗透着可持续发展的思想。引导学生发掘实验装置、操作和说明中的隐含信息，能够帮助学生从多个角度理解实验，创造性地用好教材。
2. 顺应情感技能的发展
社会学习论指出：自信的人会产生较高的自我效能感，进而成为良好的情感体验。所以教学设计不但要落在知识的最近发展区，还要顺应情感技能的发展。“原电池”教学中，创设情境激发了学生模拟科学家探究的欲望。探索原电池工作原理时，与锌片相连的铜片竟然冒出了气泡；与学生已有的认知产生了冲突，激发出分析气泡成分的求知欲。进而发现了电子通过外电路转移的事实（电化学腐蚀和化学腐蚀的最大区别），其情感体验也达到了巅峰。顺势探索影响电子迁移能力的因素，将新认知同化到已有的知识体系当中。最后用改进的吸氧腐蚀实验结尾，悬置疑问，为下一课时的发展预设铺垫。
3. 开放而批判地教学
教师是学习的引领者，需要提供开放的学术视野，供学生批判地体验。“原电池”教学展示了微型实验技术：用塑料滴管代替滴瓶， 6孔井穴板代替烧杯；新颖的仪器和使用方法，激发了学生的好奇心，提高了变式思维能力。用身边的硬币和水果作为材料，增强了实验的亲切感。药品用量的减少提升了操作的安全性，担心事故伤害而不敢动手的学生也开始大胆探究，去体验成功的愉悦……
活用教材能轻负高质地教学，拘泥于教材反被其束缚。因地制宜地开展课程再建设，定能实现教学形式的多样化和学生发展的个性化。
参考文献：
实验设计方法范文6
关键词：工科类专业;试验设计方法;教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）36-0144-02
一、试验设计方法
在生产和科研中，为了研制新产品，改革生产工艺，寻找优良的生产条件，需要做大量多因素的试验。因而选用正确的试验设计方法则尤其重要。目前通常的试验设计方法有：配对设计、完全随机化、均衡设计、正交设计等。实践证明，正交试验设计法就是研究与处理多因素试验的一种科学有效的方法。这种方法的优点是能通过代表性很强的少数次试验，摸清各个因素对试验指标的影响情况，确定因素的主次顺序，找出较好的生产条件或最优的参数组合。
二、试验设计方法在工科类专业中的教学实践
（一）色纺纱生产工艺改进案例
问题提出：色纺纱可以实现多种成分纤维的混合和利用，并可获得独特的混色效果与产品风格，故具有一定的科技含量，符合当前社会节能环保的需求，因此具有较好的市场发展前景。但是对纤维染色后，棉纤维表层棉蜡熔化，加上染料分子的渗透会导致纤维发涩、弹性较差、容易扭结在一起，纤维单强有所下降，纤维间抱合力减弱，可纺性能明显下降。采用赛络纺的工艺进行纺纱，在纺纱过程中，纤维会经过两次包缠，因此减少纤维在纱体上的外露，从而达到降低毛羽、提高单纱强力、改善纱线条干CV值等目的。目前色纺是纺织业中的朝阳产业，所以对优选生产赛络涤棉色纺纱的细纱工艺，找出最合适的生产工艺，具有一定的实际意义。
试验条件：赛络A纱的粗纱定量为3.1g/10m，赛络B纱为纯棉精梳纱，粗纱定量分别为3.6g/10m、4.0g/10m、4.6g/10m。纺纱时温度25℃，湿度76%，涤棉实际回潮率6.5%。
试验方案：在采用相同成分的原料、相同的锭速，试验采用L9（34）正交设计，为粗纱定量（A）、粗纱中心距（B）和细纱捻系数（C）三因素三水平正交试验。其中赛络B纱粗纱定量因素三水平：A1（3.6g/10m）、A2（4.0g/10m）、A3（4.6g/10m）;粗纱中心距因素三水平：B1（6mm）、B2（8mm）、B3（10mm）;细纱捻系数因素水平：C1（330）、C2（350）、C3（370）。
当选用的赛络B纱粗纱定量为3.6g/10m时，则赛络纺粗纱总定量和为6.7g/10m，所以选用细纱机的机械牵伸倍数为23.39;当选用的赛络B纱粗纱定量为4.0g/10m时，则赛络纺粗纱总定量和为7.1g/10m，所以选用细纱机的机械牵伸倍数为24.48;当选用的赛络B纱粗纱定量为4.6g/10m时，则赛络纺粗纱总定量和为7.7g/10m，所以选用细纱机的机械牵伸倍数为28.30。
纱线的性能测试是在标准的恒温恒湿实验室进行的，所有的纱线实验在温度22℃，相对湿度62%的环境下进行测试。单纱的断裂强力和断裂伸长率等性能测试采用YG068C全自动单纱强力仪，上下夹持50cm，拉伸速度为0.5m/min，测试次数为10次，取其平均值。测试指标：单纱断裂强力、断裂强度、断裂伸长率、断裂功。单纱的条干均匀度测试采用Uster Tester 5条干测试仪，测试速度为400mm/min，测试时间为0.5分钟，测试次数为3次，取其平均值。选择条干均匀度变异系数、细节-50%、粗节+50%及棉结+200%作为评价指标。采用YG172A型纱线毛羽测试仪测试纱线毛羽，测试速度为30m/min，取10个片段，每个片段的长度为10米，测10组。
结果分析：纱线断裂强力和断裂伸长率在试验2时明显最好，其他试验号波动较小且远远低于试验2;纱线条干CV值波动较大，试验1、2、3、5条干低于12%较好，而实验4、6条干过差;3mm以上有害毛羽数量除试验1过大外其他试验变化较小，试验2有害毛羽数最少。整体看来，试验2各项纱线性能较好;试验1纱线毛羽较多，试验4＼6断裂强力和伸长率较小且纱线条干较差，各项纱线性能较差。
各因素对20s赛络涤棉色纱纱线断裂强力影响程度排序为A>C>B，粗纱定量为显著影响最大，细纱捻度次之，粗纱中心距影响最小。由于各因素对单纱断裂强力影响使得其越大越好，则断裂强力之和大为较好水平，因此对于20s赛络涤棉色纱其较优工艺方案为A1B2C3。各因素对20s赛络涤棉色纱纱线断裂伸长率影响程度排序为C>A>B，细纱捻系数显著影响因素，粗纱定量次之，粗纱中心距影响较小。由于各因素对单纱断裂伸长率影响使得其越大越好，则断裂伸长率之和大为较好水平，对于20s赛络涤棉色纱其较优工艺方案为A1B2C3。
对于20s赛络涤棉色纱，粗纱定量对纱线强力、伸长、CV等各项性能有较大的影响，且选用较小的粗纱定量有利于提高纱线强力、降低纱线毛羽等;粗纱中心距对纱线毛羽影响较大，对其他纱线性能影响较小;细纱捻系数对于纱线强力、伸长、毛羽等各项性能有较大的影响且选用较大的细纱捻系数提高纱线强力、毛羽等性能。较小的粗纱定量、适中的粗纱间距和较大的细纱捻系数有利于提高赛络涤棉色纱的纱线性能。
通过采用正交实验纺制20s纱线，可以知道纺制20s赛络涤棉色纱，粗纱定量是影响纱线强力和纱线条干的主要影响因素，适当降低粗纱定量有助于提高纱线强力和纱线条干;粗纱中心距是3mm以上有害纱疵的主要影响因素，适当提高粗纱中心距有助于降低3mm以上有害毛羽;对纱线伸长率影响最大的是细纱捻系数，较大的细纱捻系数有助于提高纱线伸长率。
（二）零件改进设计案例
问题提出：研究导套的外径、过渡圆角、底板壁厚对零件破损处（即过渡圆角处）应力集中的影响。
试验方案：选用三个可变因素：导套外径A（mm）、过渡圆角B（mm）、底板壁厚C（mm）。每个因素分别取三个水平数。特安排了三因素三水平的正交试验，水平尺寸的选取充分考虑到了零件在部件中的允许空间尺寸。选用L9（34）正交表进行试验设计，这样仅需要进行9次不同的计算。
结果分析：导套外径203mm时圆角处应力最小，总体而言该因素影响不大;随着过渡圆角半径的增大，圆角处应力呈显著的减小趋势;底板厚度为32mm时圆角处应力最小，总体而言该因素影响也不大，加大厚度并不能有效减小过渡圆角处的应力。综合上述三点，这是一个应力集中的问题，最有效的解决办法就是增大圆角半径，降低应力集中程度。
综合起来A=203、B=15、C=32最好，这与极差分析得出的结论一致。而上述9次试验并未出现该方案，故需追加试验，试验的结果是69MPa，这比前面9次试验所得的结果都小，且明显小于许用应力。
经过试验得出该零件破损的主要原因是过渡圆角半径过小引起较大的应力集中，进而找出了应力集中最小的解决方案，按所确定的尺寸制成的零件在使用中未出现任何问题。
（三）废水处理改进案例
问题提出：纳米TiO2光催化-SBR工艺处理印染废水的研究。
试验方案：采用偶联剂法将纳米TiO2附于聚丙烯多面小球上制备出小球填料，运用自行设计的“TiO2光催化-SBR”联合工艺对实际印染废水进行处理。假设：在正交试验中光源强度和反应时间两个因素都选取了由单因素试验确定的最佳水平进行试验操作。光源强度为4*30W，光照时间为120分钟。进水水质稳定，SBR系统的水利负荷较低，短周期运行，则微生物的数量和性能、溶解氧都相对恒定。纳米TiO2光催化小球膜层相对均匀，不易脱落。两者其他条件相同，光催化试验设计只考虑催化剂添加量、pH值、溶解氧浓度三个因素，SBR工艺的试验设计只考虑暴气时间和沉淀时间对试验结果的影响。
试验分为两个部分的设计：一个是光催化实验设计，另一个是SBR工艺的实验设计。在光催化试验设计中由于光催化的影响因素较多，最终选取了催化剂添加量、pH值、溶解氧浓度3个因素为正交实验的因素，故本试验采用正交法L9（34）进行试验设计，以确定印染废水光催化预处理工艺的最佳工艺条件。
结果分析：催化剂投加量、pH、溶解氧浓度为因素，因素有三个水平，文中计算出了K值、极差，最后做出了最有水平的组合及主要影响因素。在SBR工艺处理试验结果的数据中，由于只有两个因素，试验指标只有一个，因此没有做正交实验，只作了线性相关实验，可以较明显的看到两个因素对降解效果的影响。本试验进行了单独工艺的处理研究，然后再进行了联合工艺的研究，印染废水通过光催化处理后色度得到了大量的去除，同时B/C的值也得到了提高，表明光催化反应器提高了废水的可生化性能，为后续的生物反应器的处理效果奠定了基础;同时因为一部分CODCr、BOD5得到去除，使得后续的SBR工艺的进水负荷得到降低，大大提高了后续工艺的处理效果，使得整个工艺脱色率达到90%，CODCr去除率达到85%，其处理效果比单独使用光催化或SBR均显著，保证了出水的达标排放。
三、结论
通过案例教学，使得教学与科研相辅相成、相互促进，两者实现了双向互动，这对于培养新世纪研究型专业人才有很大的作用。
参考文献：
[1]盛永莉.正交试验设计及其应用[J].济南大学学报，1997，7（3）：69-73.
