電學實驗是高中物理教學內容中十分重要的一個版塊，對于培養學生科學探究、發現問題解決問題的能力具有重要意義。傳統的電學實驗教學往往是由教師主導的，教師先進行演示，學生只進行觀看，然后學生需要按照教師的指令進行實驗，這種實驗教學方式限制了學生的創新思維和實踐能力的發展。想要改變這一現狀，教師必須轉變實驗教學理念和方法，充分發揮學生的主觀能動性，引導學生基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、自主制定實驗方案、獲取和處理信息，鼓勵學生從多角度思考實驗的可能性，設計出更安全的、更精確的、更有創意的電學實驗，從而促進物理學科核心素養的發展。一、實驗設計的基本概述1.實驗設計的概念。實驗設計是指實驗者依據實驗目的，運用物理原理和實驗技能，借助一定的實驗儀器，嚴格尊重實驗要求，探究實驗操作的活動。具體包括實驗方案設計、實驗流程和步驟的設計、實驗改進方法的設計等。實驗設計是物理實驗的基礎，也是核心，為實驗提供了理論支撐和行動依據。其中實驗方案和實驗原理二者是相輔相成、密不可分的關系，一切物理實驗方案的設計都應該圍繞著一定的物理實驗原理展開。設計的實驗計劃要充分符合現有實驗室和實驗儀器的要求，選擇最適合的操作方法，這樣才能從實驗中獲得更加準確的、具體的實驗結果。在設計實驗過程中，可能會遇到一些要求精準測量的數據，這就需要實驗設計者將各種實驗理念相融合，對實驗過程和實驗結果進行全方位的、科學合理的預測，并且提出針對性的解決方案。2.實驗設計思想。不論是演示實驗、課外實驗還是分組實驗，在實驗儀器配備、操作、數據采集和分析等各個環節都蘊藏著豐富的實驗思想。比如，類比思想、替代思想、轉化思想、放大思想等，只有靈活運用這些實驗設計思想，才能設計出更加符合實驗要求的、精巧具體、科學合理的實驗。二、電學實驗設計1.基本原則。（1）安全性。電學實驗需要進行通電，當電路選擇不正確、實驗儀器選擇不正確時都會對實驗儀器和人身安全產生威脅，儀器可能會損壞嚴重，實驗人員也有遭受電擊的危險。所以進行電學實驗，首先要保證實驗的安全性和可靠性，保證實驗儀器不受到損害，人身安全不受到威脅，這也是實驗成功的基礎。（2）科學性。電學實驗設計一定能夠反映真實的物理本質，實事求是，不能存在弄虛作假，保證實驗原理的選擇無誤，實驗操作準確無誤，實驗儀器選擇無誤。（3）精確性。物理實驗結果追求精準、具體、有價值，所以在電學實驗設計環節就應該追求精準性，選用優質的實驗儀器和最規范的實驗操作，控制誤差，保證實驗的精準度。因為電學實驗很多情況會因為一些細微的因素產生誤差，這時實驗人員需要對誤差進行科學分析，做出最科學的解釋，也可以進行多次反復測量，去平均值，保證實驗誤差最小。（4）便捷性。在保證安全性和精準性的基礎上，應該采用最為簡便的、最容易操作的實驗器材和實驗操作方法。比如，在電路實驗中，選用滑動變阻器可以省去了更換電阻的操作，也可以有效控制電流。（5）經濟性。實驗人員應該具有節約資源和保護環境的意識，盡量選用節能環保綠色的實驗材料，在合理范圍內降低實驗成本。（6）趣味性。用于教學的電學物理實驗應該符合趣味性原則，可以以學生在生活中常見的，或者親身經歷、親眼看到的物理現象和物理原理為基礎進行實驗，盡量選用生活中的實驗素材，這樣更容易激發學生的探索欲望，主動投入到實驗中，也更容易理解其中的實驗原理。2.基本思路。首先，根據實驗探究的目的與所給條件，構建實驗模型，確定合適的實驗原理，所需的器材及相應的規格。其次，確定控制電路（分壓或限流）和測量電路（內接或外接）。再次，根據器材的規格（電表的量程、內阻等），確定是否要采用特殊的設計方法，如是否要改裝、擴程、保護等，并思考如何減小或消除系統誤差。最后，統籌考慮各方面因素和條件，設計實驗步驟和操作流程。三、創新高中物理電學實驗設計的策略分析1.運用信息技術手段。高中階段的物理電學的教學內容更抽象、更復雜，難度也更大。在設計電學物理實驗的時候，需要考慮的條件也更多。這就需要教師提前對物理實驗的原理和過程進行詳細的說明，引導學生討論分析，建立電路模型，確定實驗原理和控制電路。我們可以巧妙運用多媒體設備落實可視化教學，通過展示圖片、動畫、視頻、計算機采集與處理數據的方式使教材中的物理原理活起來，將抽象難懂的物理知識形象化、具體化，使學生可以更好地、更準確地模擬電學實驗情境，預測實驗過程中的可能情況，設計出更加安全、精準的實驗計劃，也可以在潛移默化中培養學生的實驗設計能力。例如，在“科學測量：金屬絲的電阻率”實驗中滑動變阻器要用限流式接法，而在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中滑動變阻器要用分壓式接法，分壓式接法與限流式接法在對電路的控制作用上有什么區別，基于實驗目的與器材確定滑動變阻器的接法，以及分壓式接法時滑動變阻器的規格等等問題都是教學的難點。我們可以運用信息技術手段努力突破教學難點：如通過數據采集器和計算機軟件處理，探究“改變分壓器的電阻大小時被測電阻上的電壓變化情況”，作出相應的曲線，得出“滑動變阻器相對于被測電阻越小，被測電阻上得到的電壓圖線線性越好，越便于調節”的結論，這樣既便捷又有說服力。2.明確實驗設計目的。明確實驗目的是進行物理實驗設計的基礎和關鍵，也是影響實驗器材的選擇、實驗步驟和實驗方法的關鍵因素，所以我們應該鼓勵學生自主設計實驗計劃，根據給出的提問，思考為什么做、怎么做，理清實驗思路，要求學生圍繞著實驗目的，結合實驗原理，選擇實驗器材，設計實驗計劃，這樣才能更好保證實驗計劃是與實驗原理相符合，是符合實驗室規定的，從而有效培養學生的電學實驗設計能力。例如，在進行“科學測量：金屬絲的電阻率”的教學時，需要用“伏安法”測電阻。在學生自主設計實驗計劃前，應明確本實驗的目的是測量金屬電阻率，且掌握螺旋測微器的測量原理和讀數方法，基本原理是歐姆定律和電阻定律，運用的方法是伏安法測電阻。接下來，鼓勵學生圍繞實驗目的設計實驗思路，明確求什么、測什么、怎么測、用什么測、怎么減小誤差等問題，選擇實驗器材，設計實驗電路。圍繞著同樣測電阻的目的，教師也可以改變實驗條件，如無合適量程的電流表，是否可以用兩個電壓表來測電阻，這一條件下，對電壓表有何特殊要求，所需的滑動變阻器規格與接法又要做怎樣的改變，組織學生進行相關的“伏伏法”或“安安法”測電阻的實驗，通過實驗原理的遷移培養學生創新能力。3.體會實驗設計思想。每一個物理實驗都有其獨特的實驗設計思想，成功的物理實驗設計充分體現了實驗設計者對已掌握的物理知識的靈活應用能力和創造性思維。教學中應分析領會實驗設計思想，并在新的實驗中遷移運用。比如，替代是一種重要的實驗設計思想，用已知的變量去代替未知的變量，保證實驗可以保持同樣的狀態和效果，從而得出待測量。替代實驗需要通過一個中間載體將未知量與標準量建立起聯系，再通過把控精準的實驗儀器，保證替代的等效性。此外還有圖表法、極限思維法、整體法等實驗設計思想。應該引導學生在設計電學實驗計劃的時候，應該根據實驗目的，選擇合適的物理實驗計劃，從而有效培養學生的創新能力、邏輯分析能力和實驗設計能力。如圖，這是為了研究小燈泡伏安特性設計的一個電路（2020年高考全國Ⅱ卷），其中包含的設計思想是：實驗未提供電壓表，已知內阻的兩個電流表均可發揮電壓表的作用，但量程均小于小燈泡的額定電壓，所以要用電流表A1與定值電阻R0串聯改裝成合適量程的電壓表。同時因為改裝的電壓表支路電流可讀，用I2-I1可得小燈泡的真實電流，從而消除“伏安法測電阻”中，電流表外接電壓表分流造成的系統誤差。這其中的“改裝替代”及“利用串并聯電路特點消除系統誤差”的設計思想，是值得深入分析并在具體的設計問題中遷移運用的。同樣的，以“電阻的測量”為核心的測量方法有“伏安法”“伏伏法”“安安法”“替代法”“半偏法”“電橋法”等，每一種方法都包含深刻的設計思想，在明確設計思想的基礎上進行拓展變化、包括相應的誤差分析以及提高測量精度的改進辦法，達到提高學生實驗設計能力的目的。4.改變實驗設計條件。通過實驗條件的改變，設計符合要求的實驗方案，有助于深化實驗原理的理解，提升分析問題解決問題的能力。例如，在“科學測量：電源的電動勢和內電阻”教學中，實驗的基本原理是閉合電路歐姆定律E＝U＋Ir，式中U為路端電壓、I為經過電源的電流，如果有電壓表、電流表，再加滑動變阻器即可實現多次測量（此為伏安法）。從理論上說只需測出U、I兩組數據，就能求得電動勢和內電阻，但顯然偶然誤差較大。實際實驗中是采用圖線法進行數據處理，通過繪制電源的U-I圖像，所畫出圖線的延長線與U軸的交點就等于電動勢E，圖線斜率絕對值等于電源內阻r。“伏安法”測電動勢和內阻有1、3兩種電路，通過“圖線修正法”（分別對應圖2、圖4）分析可知，圖1電路誤差來源為電壓表分流，所測的電動勢E和內阻r均偏小。圖3電路誤差來源為電流表分壓，所測的電動勢與真實值相等，所測的內阻偏大，實際等于電源內阻和電流表內阻之和。圖1圖2圖3圖4根據實驗條件的變化，需要做不同的方案設計：（1）若測量對象為實驗室內阻較小的干電池，因其內阻與電流表內阻接近，為了減小測量相對誤差，應采用圖1電路。（2）若測量對象為內阻較大的電池（如試題常見的水果電池），應采用圖3電路，此時所測的電動勢是準確的，所測的內阻雖偏大，但相對誤差很小。（3）若圖1實驗中發現電壓表示值變化范圍很窄，這個問題怎么解決？原因在于電源內阻太小，可設計圖5電路解決。圖5（4）若未提供電壓表，為了解決測電壓的問題，需將滑動變阻器換成電阻箱，采用“安阻法”測量，設計如圖6電路，實驗原理為E＝IR＋Ir。實驗的誤差來源仍為電流表分壓，故誤差情況與圖3電路相同。圖6圖7綜上所述，電學實驗是高