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科學探究作为一种重要的学习方式，也是义务教育阶段科学课程的重要内容，对发展学生的科学素养具有不可替代的作用。科学探究的基础是实验，但在实际实验过程中，学生对于探究实验的设计存在很多问题。“猜想与假设”是否正确，只有通过实验才能得到验证。实验能否顺利进行，能否得到正确的结果，科学合理的实验设计是不可或缺的。实验设计得好与差能很好地反映出一个人的实验能力，因此，通过让学生掌握科学探究中的实验设计的基本方法、基本思路、基本原则来提高他们的实验设计的能力是非常必要的。
一、实验设计的优化策略
1.充分利用学生原有知识
因此，在提出问题前，要了解学生认知发展的水平，跟新知识相关的旧知识有哪些，先想办法把这些旧知识激活，提出的问题必须跟旧知识有关而旧知识又法解释，或新问题跟旧知识相矛盾，才会激起学生进一步学习的兴趣，若提出的问题太简单，或学生没有相关知识的基础（即太难），学生就会懒得去思考，就无法激起学习的兴趣。所以我们提出问题的常用方法是设置学生熟悉的情景，或联系日常生活、社会生产实际，提出“似曾相识”，又无法解释的问题。顺着问题教师作适当的指导，学生以饱满的热情投入到探究活动中，使问题得以圆满解决。
2.鼓励学生自主提出假设与猜想
探究性学习的课堂教学中要保证学生的主体地位。教师的精力应花引导和咨询上，教师在创设了问题情境的情况下引出课题后，要放手发动学生去猜想和假设，主动去设计和查找，在教师的监控和帮助下完成学习。
例如，在讲质理守恒定律时，我们先演示了氢氧化钠溶液与硫酸铜溶液反应前后质量的测定，结果是当反应生成蓝色沉淀后，烧杯中的物质总量却没有改变，再补做另一个实验，把上述实验中的反应物换成石灰石与稀盐酸，结果却发现反应冒出所泡扣烧杯中的物质的总质量减少了。这是为什么呢？化学变化前后物质的总质是否会改变或如何改变呢？让学生去猜想，去假设，让学生去阅读课文，并鼓励他们设计方案去验证自己的假设。经过争论和比较，学生自已得出了结论。象这样经过实验打下了感性认识的基础，最后经过抽象和逻辑思维，学生自己概括、归纳得出结论，上升为理性认识。这样深刻的感性认识命名得理性知识变得易理解和掌握。
二、实验设计的基本方法
1.比较法
所谓比较法是将一些科学现象或科学量放在一起进行对照、比较从而达到异中求同，同中求异的目的的一种方法。例如，研究物体的沉浮条件时，用重力相同的压偏的与中空的牙膏皮作比较；斜面省力实验中，用不同倾角的斜面对比，斜面与竖直面对比；长度的测量就是拿待测物体与标准米尺进行直接比较的过程。有些科学量难于直接比较，需要通过某种关系将待测量与某种标准量进行间接比较，如用温度计测温度，就是一种间接比较的过程。
2.积累法
实验中有时需要测量一些微小科学量，由于量值太小，以至无法被实验者或仪器直接感觉和反映。此时可将被测的量进行积累，然后再进行测量。例如用刻度尺测量一张纸的厚度。由于一张纸的厚度，无法用刻度尺直接测出，但是我们能用刻度尺直接测出100张纸的厚度，从而求出一张纸的厚度，这就是一种积累放大法。类似地，用天平测一枚大头针的质量，用秒表测出每次心跳的时间等都要用到积累法。
3.转化法
科学测量中常需测量一些不能直接测量和测不准的量，这时，需把不可直接测的量转化为可直接测的量，把测不准的量转化为测得准的量，进而求出待测量，这就是转化法。例如，不规则固体的密度无法直接测量，可以先求出物质的质量和体积，再求出物质的密度；旗杆的高度不易直接测量，可以先求出它的影子的长度，与它平行的小竹杆的长度和小竹杆影子的长度，再通过相似三角形对应边成比例的性质求出旗杆的长度。
4.模拟法
在实际实验中，限于条件，有许多现象是不可能直接观察的，这时，人们依据相似理论，人为制造一个类同于研究对象的科学现象或过程，用模型的测试替代对实际对象的测试，这就是模拟法。例如：在研究月相的形成这一问题时，我们可以用手电筒代替太阳，黑球代表月亮，比黑球大的另外一个球代表地球，模拟日、地、月三者在一个月中的位置变化。在研究家庭电路中保险丝在短路和总功率过大的情况下熔断及直流电和交流电的产生时也都可以采用模拟法。
5.着色法
所谓着色法指的是将无法形象、直观地显示出的科学过程和现象通过一定的手段能形象、直观地被显示出来的方法。例如我们把红墨水滴入静止的热水和冷水中，观察分子扩散与温度的关系；把高锰酸钾放入正在加热的水中，观察水的对流情况；在空气中燃蚊香，来观察光在同一种均匀介质中的传播规律；在洋葱表皮制作实验中用红墨水染色等。
6.控制变量法
为了弄清事物变化的原因和规律，当研究多个因素之间的关系时，往往先控制住其它几个因素不变，集中研究其中一个因素变化所产生的影响，这种方法叫控制变量法。控制变量法是初中科学最常用的一种方法，例如：为了研究泡沫塑料和棉絮的保温性能哪种优良，用这两种材料分别包着装有热水的密封烧瓶，让它们自然冷却，通过温度计和计时器定时测量两烧瓶中的水温随时间变化的情况。
三、探究型实验课的设计中注意的一些问题
1.设计思路和实验方法的确定都不能偏离基本知识和基本原理
科学性是设计实验成功的前提。例如，不少学生认为惯性与物体速度大小有关，即速度越大，惯性越大，可以对此观点作一推理，如果这一说法正确的话，物体速度为零的话，惯性就为零，这显然是荒谬的。以铜、盐酸、氢氧化钠、空气、水等物质为原料制取氢氧化铜，实验设计时有学生会这样做：铜和盐酸反应后再和氢氧化钠反应。其实，铜和盐酸不会反应，违背了实验的基本原理。
2.在设计科学实验时，从实验原理、实施到实验结果的产生，都要切实可行
例如测量硫酸铜晶体密度的实验中很多同学会这样做：先称出硫酸铜晶体的质量，然后放入水中测量体积。这里就忽视了硫酸铜会在水中溶解，这样这个设计就不合理了，可以把水换成硫酸铜不溶的液体。
3.在实验过程中不能对实验设备器材产生损坏，对人生安全产生危害，对环境产生污染
例如氢气（爆炸）验纯，浓硫酸的稀释，尾气的处理等。在化学实验中,常会遇到一些有毒气体，容易危害人体健康，所以在实验过程中要重视对实验装置的科学设计和对尾气的简单而有效的处理。常见的方法有：
①收集法：即将尾气直接收集起来的装置.如用气球将尾气直接收集起来。
②转化法：即将尾气转化为另一种或几种无污染或污染性小的物质。如将CO燃烧使之转变成CO2 。
③重复使用法：使未参加反应的CO再次利用，同时也节省了实验过程中CO的用量。
④吸收法：即利用能同尾气反应的某种溶液进行化学吸收。
4.实验设计不完善，装置简单，实验步骤少
例如，某校进行化学实验考查时，教师给了同学们1小包黑色粉末，这种黑色粉末可能是氧化铜、炭粉或者是这两者的混合物，让他们通过实验探究来确定。某同学探究过程如下：
【提出假设】
假设1：黑色粉末是炭粉；
假设2
假设3
【实验方案】
取少量黑色粉末于烧杯中，并加入过量的稀硫酸。则实验中可能出现的现象与对应结论如下表：
为了进一步探究炭粉和氧化铜的性质，教师可以利用这种混合物补充做如下实验：将此黑色粉末隔绝空气加热(若碳完全反应)，待冷却到室温后，取剩余固体于烧杯中，再加入过量稀硫酸，反应完全后，静置。请学生回答：
①烧杯中_______(填“有”或“无)不溶物；
②若静置后溶液呈无色，则该溶液中溶質是_______(写作学式)；
③若静置后溶液呈蓝色，该反应的化学方程式为：
从而让学生的知识进一步加深认识,也让学生更加有对探究实验设计的兴趣。
5.利用探究性习题，提高学生探究思维能力
选择好的探究性习题，对于培养学生探究性思维能力可以说具有十分重要的作用，因为实验方面的探究性学习会占据大量的时间，而且会受到一些客观条件的限制，而习题只需要利用大脑的思维，避开实验条件，利用已有的知识，在大脑里形成探究步骤，在大脑里比较分析各种可能情况的利与弊，从而得到正确的结论。所以它不仅能很好的锻炼探究性思维能力，而且有利于形成良好的探究思维品质，学会把握探究过程的脉络，有利于提高在实际探究中更快的找到最佳方法的能力。
例如：在一次探究实验中，将一种金属投入盛有水的，发现反应剧烈并有大量气体生成。请根据上述实验现象探讨下列问题：
①根据所学知识推测该气体可能是什么气体，并简述推测理由。
②对你所推测的气体，试设计实验进行检验（写出简要的实验步骤、现象、结论）。
不过由于时间和实验条件的限制，有些题材的实验要由教师演示完成，如燃烧条件的探究，二氧化锰对氯酸钾受热分解的催化作用的探究等。这里采用的是探究式教学与接受式教学相结合的方式，既发挥了接受式教学的高效率，又体现了探究式教学的重过程方法，使学生在较短的时间内既接受了有关知识又体会到科学探究的过程与方法，从而有更充分的时间有选择有重点的地去开展一些自己感兴趣的探究学习活动。
最后，初中生对探究实验方案的设计，有较大的困难，而且设计出的方案往往是漏洞百出。这时教师要以咨询者的身份出现，提供相关信息或资料，或指导学生如何查找相关资料。由于初中生的科学常识太少，如果没有教师的咨询，他们往往会在困难面前望而却步。当各小组的方案设计好后，要指导他们进行比较与交流，并提交书面材料，由教师指出存在的问题并作修改后，再进行分小组实验探究。
一、实验设计的优化策略
1.充分利用学生原有知识
因此，在提出问题前，要了解学生认知发展的水平，跟新知识相关的旧知识有哪些，先想办法把这些旧知识激活，提出的问题必须跟旧知识有关而旧知识又法解释，或新问题跟旧知识相矛盾，才会激起学生进一步学习的兴趣，若提出的问题太简单，或学生没有相关知识的基础（即太难），学生就会懒得去思考，就无法激起学习的兴趣。所以我们提出问题的常用方法是设置学生熟悉的情景，或联系日常生活、社会生产实际，提出“似曾相识”，又无法解释的问题。顺着问题教师作适当的指导，学生以饱满的热情投入到探究活动中，使问题得以圆满解决。
2.鼓励学生自主提出假设与猜想
探究性学习的课堂教学中要保证学生的主体地位。教师的精力应花引导和咨询上，教师在创设了问题情境的情况下引出课题后，要放手发动学生去猜想和假设，主动去设计和查找，在教师的监控和帮助下完成学习。
例如，在讲质理守恒定律时，我们先演示了氢氧化钠溶液与硫酸铜溶液反应前后质量的测定，结果是当反应生成蓝色沉淀后，烧杯中的物质总量却没有改变，再补做另一个实验，把上述实验中的反应物换成石灰石与稀盐酸，结果却发现反应冒出所泡扣烧杯中的物质的总质量减少了。这是为什么呢？化学变化前后物质的总质是否会改变或如何改变呢？让学生去猜想，去假设，让学生去阅读课文，并鼓励他们设计方案去验证自己的假设。经过争论和比较，学生自已得出了结论。象这样经过实验打下了感性认识的基础，最后经过抽象和逻辑思维，学生自己概括、归纳得出结论，上升为理性认识。这样深刻的感性认识命名得理性知识变得易理解和掌握。
二、实验设计的基本方法
1.比较法
所谓比较法是将一些科学现象或科学量放在一起进行对照、比较从而达到异中求同，同中求异的目的的一种方法。例如，研究物体的沉浮条件时，用重力相同的压偏的与中空的牙膏皮作比较；斜面省力实验中，用不同倾角的斜面对比，斜面与竖直面对比；长度的测量就是拿待测物体与标准米尺进行直接比较的过程。有些科学量难于直接比较，需要通过某种关系将待测量与某种标准量进行间接比较，如用温度计测温度，就是一种间接比较的过程。
2.积累法
实验中有时需要测量一些微小科学量，由于量值太小，以至无法被实验者或仪器直接感觉和反映。此时可将被测的量进行积累，然后再进行测量。例如用刻度尺测量一张纸的厚度。由于一张纸的厚度，无法用刻度尺直接测出，但是我们能用刻度尺直接测出100张纸的厚度，从而求出一张纸的厚度，这就是一种积累放大法。类似地，用天平测一枚大头针的质量，用秒表测出每次心跳的时间等都要用到积累法。
3.转化法
科学测量中常需测量一些不能直接测量和测不准的量，这时，需把不可直接测的量转化为可直接测的量，把测不准的量转化为测得准的量，进而求出待测量，这就是转化法。例如，不规则固体的密度无法直接测量，可以先求出物质的质量和体积，再求出物质的密度；旗杆的高度不易直接测量，可以先求出它的影子的长度，与它平行的小竹杆的长度和小竹杆影子的长度，再通过相似三角形对应边成比例的性质求出旗杆的长度。
4.模拟法
在实际实验中，限于条件，有许多现象是不可能直接观察的，这时，人们依据相似理论，人为制造一个类同于研究对象的科学现象或过程，用模型的测试替代对实际对象的测试，这就是模拟法。例如：在研究月相的形成这一问题时，我们可以用手电筒代替太阳，黑球代表月亮，比黑球大的另外一个球代表地球，模拟日、地、月三者在一个月中的位置变化。在研究家庭电路中保险丝在短路和总功率过大的情况下熔断及直流电和交流电的产生时也都可以采用模拟法。
5.着色法
所谓着色法指的是将无法形象、直观地显示出的科学过程和现象通过一定的手段能形象、直观地被显示出来的方法。例如我们把红墨水滴入静止的热水和冷水中，观察分子扩散与温度的关系；把高锰酸钾放入正在加热的水中，观察水的对流情况；在空气中燃蚊香，来观察光在同一种均匀介质中的传播规律；在洋葱表皮制作实验中用红墨水染色等。
6.控制变量法
为了弄清事物变化的原因和规律，当研究多个因素之间的关系时，往往先控制住其它几个因素不变，集中研究其中一个因素变化所产生的影响，这种方法叫控制变量法。控制变量法是初中科学最常用的一种方法，例如：为了研究泡沫塑料和棉絮的保温性能哪种优良，用这两种材料分别包着装有热水的密封烧瓶，让它们自然冷却，通过温度计和计时器定时测量两烧瓶中的水温随时间变化的情况。
三、探究型实验课的设计中注意的一些问题
1.设计思路和实验方法的确定都不能偏离基本知识和基本原理
科学性是设计实验成功的前提。例如，不少学生认为惯性与物体速度大小有关，即速度越大，惯性越大，可以对此观点作一推理，如果这一说法正确的话，物体速度为零的话，惯性就为零，这显然是荒谬的。以铜、盐酸、氢氧化钠、空气、水等物质为原料制取氢氧化铜，实验设计时有学生会这样做：铜和盐酸反应后再和氢氧化钠反应。其实，铜和盐酸不会反应，违背了实验的基本原理。
2.在设计科学实验时，从实验原理、实施到实验结果的产生，都要切实可行
例如测量硫酸铜晶体密度的实验中很多同学会这样做：先称出硫酸铜晶体的质量，然后放入水中测量体积。这里就忽视了硫酸铜会在水中溶解，这样这个设计就不合理了，可以把水换成硫酸铜不溶的液体。
3.在实验过程中不能对实验设备器材产生损坏，对人生安全产生危害，对环境产生污染
例如氢气（爆炸）验纯，浓硫酸的稀释，尾气的处理等。在化学实验中,常会遇到一些有毒气体，容易危害人体健康，所以在实验过程中要重视对实验装置的科学设计和对尾气的简单而有效的处理。常见的方法有：
①收集法：即将尾气直接收集起来的装置.如用气球将尾气直接收集起来。
②转化法：即将尾气转化为另一种或几种无污染或污染性小的物质。如将CO燃烧使之转变成CO2 。
③重复使用法：使未参加反应的CO再次利用，同时也节省了实验过程中CO的用量。
④吸收法：即利用能同尾气反应的某种溶液进行化学吸收。
4.实验设计不完善，装置简单，实验步骤少
例如，某校进行化学实验考查时，教师给了同学们1小包黑色粉末，这种黑色粉末可能是氧化铜、炭粉或者是这两者的混合物，让他们通过实验探究来确定。某同学探究过程如下：
【提出假设】
假设1：黑色粉末是炭粉；
假设2
假设3
【实验方案】
取少量黑色粉末于烧杯中，并加入过量的稀硫酸。则实验中可能出现的现象与对应结论如下表：
为了进一步探究炭粉和氧化铜的性质，教师可以利用这种混合物补充做如下实验：将此黑色粉末隔绝空气加热(若碳完全反应)，待冷却到室温后，取剩余固体于烧杯中，再加入过量稀硫酸，反应完全后，静置。请学生回答：
①烧杯中_______(填“有”或“无)不溶物；
②若静置后溶液呈无色，则该溶液中溶質是_______(写作学式)；
③若静置后溶液呈蓝色，该反应的化学方程式为：
从而让学生的知识进一步加深认识,也让学生更加有对探究实验设计的兴趣。
5.利用探究性习题，提高学生探究思维能力
选择好的探究性习题，对于培养学生探究性思维能力可以说具有十分重要的作用，因为实验方面的探究性学习会占据大量的时间，而且会受到一些客观条件的限制，而习题只需要利用大脑的思维，避开实验条件，利用已有的知识，在大脑里形成探究步骤，在大脑里比较分析各种可能情况的利与弊，从而得到正确的结论。所以它不仅能很好的锻炼探究性思维能力，而且有利于形成良好的探究思维品质，学会把握探究过程的脉络，有利于提高在实际探究中更快的找到最佳方法的能力。
例如：在一次探究实验中，将一种金属投入盛有水的，发现反应剧烈并有大量气体生成。请根据上述实验现象探讨下列问题：
①根据所学知识推测该气体可能是什么气体，并简述推测理由。
②对你所推测的气体，试设计实验进行检验（写出简要的实验步骤、现象、结论）。
不过由于时间和实验条件的限制，有些题材的实验要由教师演示完成，如燃烧条件的探究，二氧化锰对氯酸钾受热分解的催化作用的探究等。这里采用的是探究式教学与接受式教学相结合的方式，既发挥了接受式教学的高效率，又体现了探究式教学的重过程方法，使学生在较短的时间内既接受了有关知识又体会到科学探究的过程与方法，从而有更充分的时间有选择有重点的地去开展一些自己感兴趣的探究学习活动。
最后，初中生对探究实验方案的设计，有较大的困难，而且设计出的方案往往是漏洞百出。这时教师要以咨询者的身份出现，提供相关信息或资料，或指导学生如何查找相关资料。由于初中生的科学常识太少，如果没有教师的咨询，他们往往会在困难面前望而却步。当各小组的方案设计好后，要指导他们进行比较与交流，并提交书面材料，由教师指出存在的问题并作修改后，再进行分小组实验探究。