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物理是一门以实验为基础的学科，实验在物理教学中具有十分重要的作用。所谓设计性实验，就是要求学生根据实验目的，运用学过的实验方法，自己设计一个新的实验方案。
它要求学生设计实验原理，选择实验器材，安排实验步骤，设计数据处理的方法及分析实验误差。主要考查学生是否理解实验原理和实验仪器的工作原理，是否具有灵活运用科研方法的能力，是否具有在不同情况下迁移知识的能力，这些对学生的能力要求都较高。物理实验设计能力是学生实验能力的最高层次的能力。这个能力学生不是生来就有的，它的获得需要教师在教学过程中去培养。教师引导学生挖掘教材上的学生实验。可提高学生的物理实验设计能力，学生通过实验设计题的训练，可巩固学生的物理实验设计能力，最终提高学生的创新能力。
多年的教学实践证明，以验证理论为主要内容的传统的实验模式，存在着方法单一、不能充分发挥学生的积极性、忽视对学生的综合能力的培养等弊端，必须进行改革。
由于实验是一门独立的专业技术课，它具有独立的理论体系、结构体系及教学规律与方法，有其特有的构成要素。现有实验教材中只强调实践性、而忽略了理论研究，因而多数学生误认为实验教学是理论教学的附属，是专门为理论服务的，头脑里很难形成物理实验这门学科的完整体系。教学过程限制得太死板，只强调学生“做”实验，而不是强调学生“学会”做实验，压抑了学生的个性发展和学习积极性，束缚了学生创造能力的发挥，从而使部分学生对实验产生“应付”的现象。同时物理实验的教学方法和教学手段相对滞后，仍大多采用单层次教学方式，忽略或不重视与计算机多媒体和网络相结合的现代化教学手段。实验考核内容单调、落后、繁琐，强调的主要是笔试成绩和平时成绩以及重复的操作成绩，体现不出该学科的特点和优势，“高分低能”的现象较为严重。
实验教学改革的目的在于：以构建实验教学的理论为指导，提高学生对实验的兴趣，从而调动学生做实验的主动性和积极性，提高学生的实验水平和实验操作技能，最终达到对学生实验综合素质和创新能力的极大提高，使学生真正体验到自己才是实验的主体，是实验的探索者。实验教师应始终树立以学生为主的观点，处处调动学生自主探索、积极思考。在教学的过程中，应坚决废除旧的“填鸭式”教学方法，采用启发式、讨论式、探究式的开放式教学新模式，引导学生观察物理现象，激发学生的学习兴趣，培养他们的观察能力。
学生对自然界的事物怀有好奇心，尤其是对于刚刚接触到物理的初中学生来说，不懂的现象总喜欢问几个为什么。教师应该爱护学生的这种精神，可以和学生一起设计实验，组织他们观察现象，引导他们积极思考。例如：研究浮力实验，先将塑料块放入盛水的烧杯中，无论怎样压塑料块，塑料块最终都浮在水面上，由此引出浮力的概念，而后再将杯中水倒干擦净，将塑料块压到杯底（与杯底密切接触），然后倒入水，这时问学生：塑料块会不会上浮？学生肯定回答塑料块会上浮，实验结果塑料块没有浮上来。如此“奇怪”问题，能激发学生去思考为什么，大胆地猜测浮力与哪些因素有关，强化学生的创新意识。在此基础上，让学生设计实验去探索浮力究竟和哪些因素有关，让学生自己观察实验现象，并做好记录。教师引导学生边观察，边思考，边发现问题，边解决问题，并根据实验记录加以分析、归纳和总结，帮助学生归纳出影响浮力大小与物体排开水的多少有关系的结论；然后引导学生将水换成酒精、煤油，探索酒精、煤油对同样的物体产生浮力的大小，通过对比实验现象，比较实验数据，加以分析和总结，得出浸在液体里的物体受到的浮力还与液体的密度有关的结论。这样通过教师的启发诱导，学生亲自动手设计实验探索，大部分学生都能熟练应用阿基米德原理解决实际问题，能收到良好的教学成效。
一、设计性实验课教学的步骤
1． 教师启发讲解，学生模仿设计
教师通过课堂知识的讲解，渗透物理研究方法，使学生从中获得启示，再以课外兴趣小组的形式，讨论教师准备好的课题，学生进行模仿设计，使学生亲身经历类似科学研究的过程，获得亲自参与研究探索的体验，激发学生的兴趣，初步了解科学的思维方法，培养解决实际问题的能力。
2． 讲清原理，独立设计
通过第一阶段的训练，学生已经初步具备了一定的设计实验的思路和基本方法，在此基础上鼓励学生应用所学知识解决一些简单的实际问题，通过积极开展实践活动，使学生在学习探究实践中充分体验，学会思考，加深对知识的进一步理解。
3． 方法养成，开放性设计实验
通过前两个阶段的学习和训练，学生已基本了解了“研究性学习”的一般方法，具有了分析问题和解决问题的基本思路，因而可让学生在此基础上进行更进一层的实验设计，使学生将所学知识得以升华，进一步提高实践动手能力。
二、实验设计的基本步骤：
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，测量应通过什么规律，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。
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。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。
（2）可行性原则。实验方案的实施要安全可靠，不会对人身和器材造成危害；所需装置和器材要易于置备，不能脱离实际，不能超出现有条件。
（3）精确性原则。不同的实验方案，其实验原理、所用仪器以及实验重复性等方面所导致的误差是不同的。在选择方案时，应对各种可能的方案进行初步的误差分析，尽可能选用精确度高的实验方案。
以上三原则通常要综合考虑。
3． 依据方案，选定器材
实验方案选定之后，应考虑该方案需要哪些装置，实验与哪些物理量有直接的定量关系，这些物理量分别需用什么仪器来测定，从而确定整个实验需要哪些器材。
4． 拟定步骤，合理有序
实验之前，要做到心中有数：如何组装器材，哪些量先测，哪些量后测，应从正确操作和提高效率的角度拟定一个合理而有序的实验步骤。对一些可直接测量的物理量，可先行测量；对需要通过实验装置才能测定的物理量，须先组装器材，再进行实验、观察和测量。
5． 数据处理，误差分析
中学阶段对此要求不高，但常用的数据处理和误差分析的方法还是应该掌握，在设计实验时也应予以考虑。
三、物理实验设计的基本方法
物理实验是研究物理问题的重要手段和方法，也是物理教学中的重要内容；而实验设计方法是决定实验成功与否的首要因素。在物理实验教学中，如果能让学生在“明确实验目的，弄懂实验原理，了解实验仪器的性能，搞清实验的步骤”的基础上对物理实验的设计思想和方法有所了解，则不仅能进一步提高实验教学的质量，同时还能对学生进行科学方法的教育和训练，有利于学生创造性思维的培养。
1. 积累法
某些微小量的测量，在现有仪器的准确度内难以测准确，若采用将这些微小量积累后求平均的方法，则能减小误差。如要测一面书纸的厚度，可测全部书纸的总厚度，然后除以纸张数。
2. 控制法
在一些实验中，往往存在多种变化因素，为了研究某些量之间的关系，可以先控制一些量不变，依次研究某一个因素的影响。例如，在验证牛顿第二定律的实验中，为了验证加速度a与合外力 F及物体质量m三者的关系，可以先保持m不变，研究a与F的关系，再保持F不变，验证a与m的关系。
3. 放大法
在现象、变化、待测量很微小的情况下，可采用“放大”的方法。根据放大对象的不同，放大的方法也各异。螺旋测微计、游标卡尺是对“长度”的“机械放大”；望远镜，显微镜是利用透镜来进行“光放大”；喇叭，蜂鸣器是对声的放大；用晶体三极管可对电信号进行“电放大”；投影式教学是借助投影仪来放大。
光点反射放大法也是物理实验中常用的放大方法，它是使光的反射角的微小变化通过反射线投射到远处光屏上的光点的移位来显示，其变化的显著程度取决于反射镜至光点投射之间的距离。
4. 转换法
某些物理量不容易直接测量，或某些现象直接显示有困难，可以采取把所要观测的变量转换成其他变量进行间接观察和测量，这就是转换法。如玻璃瓶的微小形变难以直接观察，但用插在瓶塞上的毛细管里液柱的高低来显示，则现象明显；双金属片热胀冷缩时的弯曲，不用投影仪是不容易看清楚的，但利用它的弯曲来接通电路，则效果更好。
5. 平衡法
物理学中常利用一个量的作用与另一个（或几个）量的作用相同、相当或相反来设计实验、制作仪器、进行测量，这就是所谓的平衡法。如弹簧秤的设计是利用了力的平衡，天平的设计是根据力矩的平衡，温度计的设计思想是热的平衡等。
6. 比较法
比较法是在一定的条件下找出研究对象之间的同一性和差异性。在物理学中由于研究对象的广泛性和多样性，比较的形式也是灵活多样的，可以是比较某物理现象在实验时间内前后的变化情况，可以是同时对几类物理对象的变化过程的比较，也可以是比较同一对象中不同条件下的变化情况等。如通路自感实验，就是通过电感支路和电阻支路在通电时两灯泡发亮的先后比较，来说明线圈在通过自身的电流发生变化时会产生感生电动势，阻碍电流的变化。
7. 留迹法
在物理实验中，有些物理现象瞬息即逝，如运动物体所处的位置、轨迹或图像等，用一定的方法记录下来，然后通过测量或观察来进行研究，就是留迹法。如测定匀变速直线运动的加速度的实验，就是通过纸带上打出的点记录小车的位移和运动的时间，从而计算小车在各个位置或时刻的速度，并求出加速度。
培养学生“研究性学习”是一个长期、循序渐进的过程，在物理实验教学中，需要有计划有目的地进行合理安排，精心设计训练题目，进行耐心的指导，才能切实提高学生学习的自主性和能动性，培养和提高学生的实践能力和创新精神，从而进一步激发学生学习欲望和创造欲望，在促进“研究性学习”的形成，同时也促进了物理教学的深入，突破实验设计这一教学难点，提高教学质量，培养学生正确的学习观。
它要求学生设计实验原理，选择实验器材，安排实验步骤，设计数据处理的方法及分析实验误差。主要考查学生是否理解实验原理和实验仪器的工作原理，是否具有灵活运用科研方法的能力，是否具有在不同情况下迁移知识的能力，这些对学生的能力要求都较高。物理实验设计能力是学生实验能力的最高层次的能力。这个能力学生不是生来就有的，它的获得需要教师在教学过程中去培养。教师引导学生挖掘教材上的学生实验。可提高学生的物理实验设计能力，学生通过实验设计题的训练，可巩固学生的物理实验设计能力，最终提高学生的创新能力。
多年的教学实践证明，以验证理论为主要内容的传统的实验模式，存在着方法单一、不能充分发挥学生的积极性、忽视对学生的综合能力的培养等弊端，必须进行改革。
由于实验是一门独立的专业技术课，它具有独立的理论体系、结构体系及教学规律与方法，有其特有的构成要素。现有实验教材中只强调实践性、而忽略了理论研究，因而多数学生误认为实验教学是理论教学的附属，是专门为理论服务的，头脑里很难形成物理实验这门学科的完整体系。教学过程限制得太死板，只强调学生“做”实验，而不是强调学生“学会”做实验，压抑了学生的个性发展和学习积极性，束缚了学生创造能力的发挥，从而使部分学生对实验产生“应付”的现象。同时物理实验的教学方法和教学手段相对滞后，仍大多采用单层次教学方式，忽略或不重视与计算机多媒体和网络相结合的现代化教学手段。实验考核内容单调、落后、繁琐，强调的主要是笔试成绩和平时成绩以及重复的操作成绩，体现不出该学科的特点和优势，“高分低能”的现象较为严重。
实验教学改革的目的在于：以构建实验教学的理论为指导，提高学生对实验的兴趣，从而调动学生做实验的主动性和积极性，提高学生的实验水平和实验操作技能，最终达到对学生实验综合素质和创新能力的极大提高，使学生真正体验到自己才是实验的主体，是实验的探索者。实验教师应始终树立以学生为主的观点，处处调动学生自主探索、积极思考。在教学的过程中，应坚决废除旧的“填鸭式”教学方法，采用启发式、讨论式、探究式的开放式教学新模式，引导学生观察物理现象，激发学生的学习兴趣，培养他们的观察能力。
学生对自然界的事物怀有好奇心，尤其是对于刚刚接触到物理的初中学生来说，不懂的现象总喜欢问几个为什么。教师应该爱护学生的这种精神，可以和学生一起设计实验，组织他们观察现象，引导他们积极思考。例如：研究浮力实验，先将塑料块放入盛水的烧杯中，无论怎样压塑料块，塑料块最终都浮在水面上，由此引出浮力的概念，而后再将杯中水倒干擦净，将塑料块压到杯底（与杯底密切接触），然后倒入水，这时问学生：塑料块会不会上浮？学生肯定回答塑料块会上浮，实验结果塑料块没有浮上来。如此“奇怪”问题，能激发学生去思考为什么，大胆地猜测浮力与哪些因素有关，强化学生的创新意识。在此基础上，让学生设计实验去探索浮力究竟和哪些因素有关，让学生自己观察实验现象，并做好记录。教师引导学生边观察，边思考，边发现问题，边解决问题，并根据实验记录加以分析、归纳和总结，帮助学生归纳出影响浮力大小与物体排开水的多少有关系的结论；然后引导学生将水换成酒精、煤油，探索酒精、煤油对同样的物体产生浮力的大小，通过对比实验现象，比较实验数据，加以分析和总结，得出浸在液体里的物体受到的浮力还与液体的密度有关的结论。这样通过教师的启发诱导，学生亲自动手设计实验探索，大部分学生都能熟练应用阿基米德原理解决实际问题，能收到良好的教学成效。
一、设计性实验课教学的步骤
1． 教师启发讲解，学生模仿设计
教师通过课堂知识的讲解，渗透物理研究方法，使学生从中获得启示，再以课外兴趣小组的形式，讨论教师准备好的课题，学生进行模仿设计，使学生亲身经历类似科学研究的过程，获得亲自参与研究探索的体验，激发学生的兴趣，初步了解科学的思维方法，培养解决实际问题的能力。
2． 讲清原理，独立设计
通过第一阶段的训练，学生已经初步具备了一定的设计实验的思路和基本方法，在此基础上鼓励学生应用所学知识解决一些简单的实际问题，通过积极开展实践活动，使学生在学习探究实践中充分体验，学会思考，加深对知识的进一步理解。
3． 方法养成，开放性设计实验
通过前两个阶段的学习和训练，学生已基本了解了“研究性学习”的一般方法，具有了分析问题和解决问题的基本思路，因而可让学生在此基础上进行更进一层的实验设计，使学生将所学知识得以升华，进一步提高实践动手能力。
二、实验设计的基本步骤：
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，测量应通过什么规律，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。
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。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。
（2）可行性原则。实验方案的实施要安全可靠，不会对人身和器材造成危害；所需装置和器材要易于置备，不能脱离实际，不能超出现有条件。
（3）精确性原则。不同的实验方案，其实验原理、所用仪器以及实验重复性等方面所导致的误差是不同的。在选择方案时，应对各种可能的方案进行初步的误差分析，尽可能选用精确度高的实验方案。
以上三原则通常要综合考虑。
3． 依据方案，选定器材
实验方案选定之后，应考虑该方案需要哪些装置，实验与哪些物理量有直接的定量关系，这些物理量分别需用什么仪器来测定，从而确定整个实验需要哪些器材。
4． 拟定步骤，合理有序
实验之前，要做到心中有数：如何组装器材，哪些量先测，哪些量后测，应从正确操作和提高效率的角度拟定一个合理而有序的实验步骤。对一些可直接测量的物理量，可先行测量；对需要通过实验装置才能测定的物理量，须先组装器材，再进行实验、观察和测量。
5． 数据处理，误差分析
中学阶段对此要求不高，但常用的数据处理和误差分析的方法还是应该掌握，在设计实验时也应予以考虑。
三、物理实验设计的基本方法
物理实验是研究物理问题的重要手段和方法，也是物理教学中的重要内容；而实验设计方法是决定实验成功与否的首要因素。在物理实验教学中，如果能让学生在“明确实验目的，弄懂实验原理，了解实验仪器的性能，搞清实验的步骤”的基础上对物理实验的设计思想和方法有所了解，则不仅能进一步提高实验教学的质量，同时还能对学生进行科学方法的教育和训练，有利于学生创造性思维的培养。
1. 积累法
某些微小量的测量，在现有仪器的准确度内难以测准确，若采用将这些微小量积累后求平均的方法，则能减小误差。如要测一面书纸的厚度，可测全部书纸的总厚度，然后除以纸张数。
2. 控制法
在一些实验中，往往存在多种变化因素，为了研究某些量之间的关系，可以先控制一些量不变，依次研究某一个因素的影响。例如，在验证牛顿第二定律的实验中，为了验证加速度a与合外力 F及物体质量m三者的关系，可以先保持m不变，研究a与F的关系，再保持F不变，验证a与m的关系。
3. 放大法
在现象、变化、待测量很微小的情况下，可采用“放大”的方法。根据放大对象的不同，放大的方法也各异。螺旋测微计、游标卡尺是对“长度”的“机械放大”；望远镜，显微镜是利用透镜来进行“光放大”；喇叭，蜂鸣器是对声的放大；用晶体三极管可对电信号进行“电放大”；投影式教学是借助投影仪来放大。
光点反射放大法也是物理实验中常用的放大方法，它是使光的反射角的微小变化通过反射线投射到远处光屏上的光点的移位来显示，其变化的显著程度取决于反射镜至光点投射之间的距离。
4. 转换法
某些物理量不容易直接测量，或某些现象直接显示有困难，可以采取把所要观测的变量转换成其他变量进行间接观察和测量，这就是转换法。如玻璃瓶的微小形变难以直接观察，但用插在瓶塞上的毛细管里液柱的高低来显示，则现象明显；双金属片热胀冷缩时的弯曲，不用投影仪是不容易看清楚的，但利用它的弯曲来接通电路，则效果更好。
5. 平衡法
物理学中常利用一个量的作用与另一个（或几个）量的作用相同、相当或相反来设计实验、制作仪器、进行测量，这就是所谓的平衡法。如弹簧秤的设计是利用了力的平衡，天平的设计是根据力矩的平衡，温度计的设计思想是热的平衡等。
6. 比较法
比较法是在一定的条件下找出研究对象之间的同一性和差异性。在物理学中由于研究对象的广泛性和多样性，比较的形式也是灵活多样的，可以是比较某物理现象在实验时间内前后的变化情况，可以是同时对几类物理对象的变化过程的比较，也可以是比较同一对象中不同条件下的变化情况等。如通路自感实验，就是通过电感支路和电阻支路在通电时两灯泡发亮的先后比较，来说明线圈在通过自身的电流发生变化时会产生感生电动势，阻碍电流的变化。
7. 留迹法
在物理实验中，有些物理现象瞬息即逝，如运动物体所处的位置、轨迹或图像等，用一定的方法记录下来，然后通过测量或观察来进行研究，就是留迹法。如测定匀变速直线运动的加速度的实验，就是通过纸带上打出的点记录小车的位移和运动的时间，从而计算小车在各个位置或时刻的速度，并求出加速度。
培养学生“研究性学习”是一个长期、循序渐进的过程，在物理实验教学中，需要有计划有目的地进行合理安排，精心设计训练题目，进行耐心的指导，才能切实提高学生学习的自主性和能动性，培养和提高学生的实践能力和创新精神，从而进一步激发学生学习欲望和创造欲望，在促进“研究性学习”的形成，同时也促进了物理教学的深入，突破实验设计这一教学难点，提高教学质量，培养学生正确的学习观。