核心素養(yǎng)下物理實驗教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計

晉文梅，鄭 威

（1.撫順市第六中學(xué)，遼寧 撫順 113006；2.撫順市教師進(jìn)修學(xué)院，遼寧 撫順 113006）

2016年9月，《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》總體框架發(fā)布，標(biāo)志著我國圍繞培養(yǎng)核心素養(yǎng)理念的基礎(chǔ)教育改革正式啟動。[1]如何將物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)融入高中物理教學(xué)，是廣大一線教師需要認(rèn)真思考的問題。[2]下面以高二物理《實驗：測定電池的電動勢和內(nèi)阻》（2003人教課標(biāo)版第二章恒定電流第十節(jié)）為例，談?wù)劚救巳绾螌⑴囵B(yǎng)物理核心素養(yǎng)融入物理實驗教學(xué)中。

一、用問題廣開學(xué)生思路，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力

教學(xué)中，師生共同回顧閉合電路歐姆定律，在得出利用閉合電路歐姆定律測定電源電動勢和內(nèi)阻的實驗原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計問題：組織學(xué)生利用電源、電壓表、電流表、滑動變阻器、電阻箱、開關(guān)等實驗器材，思考設(shè)計測定電源的電動勢和內(nèi)阻的多種實驗方案，以及相應(yīng)的閉合電路歐姆定律方程表達(dá)式。教師引導(dǎo)各小組學(xué)生充分發(fā)揮想象力，認(rèn)真思考、交流、討論甚至爭論，最后統(tǒng)一思想形成小組多種設(shè)計方案，并展示各小組的多種設(shè)計方案。

在學(xué)生思考設(shè)計實驗方案的過程中，教師提醒和啟發(fā)學(xué)生，在小組討論中要充分溝通交流，提倡聆聽、接納別人的思想，為每名學(xué)生提供獨立發(fā)表自己見解的機會。最后，通過討論、改進(jìn)，達(dá)到意見一致，確定一致的實驗設(shè)計方案。在這個過程中，教師重點培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維、想象思維、直覺思維等科學(xué)思維能力。[3]

在各小組展示全部設(shè)計方案后，教師和學(xué)生一起討論，去掉類同方案，并對各組提出的方案進(jìn)行評價，表揚提出較多設(shè)計方案的小組。最后綜合得出如下五個設(shè)計方案：

方案一：如圖1，對應(yīng)方程：E=U+Ir，其中U和I分別為電壓表和電流表示數(shù)，電源電動勢E、內(nèi)阻r為待測值。

方案二：如圖2，對應(yīng)方程：E=I(R+r) ，其中I為電流表示數(shù)，R為電阻箱阻值，E、r為待測值。方案三：如圖3，對應(yīng)方程，其中U為電壓表示數(shù)，R為電阻箱阻值，E、r為待測值。

方案四：如圖4，對應(yīng)方程：E=U+I(R1+r),其中U和I分別為電壓表和電流表示數(shù),E、r為待測值。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

二、組織學(xué)生分析論證，培養(yǎng)學(xué)生判斷決策能力

在確定五個實驗探究方案的基礎(chǔ)上，教師設(shè)定懸念，讓學(xué)生思考哪些方案是最優(yōu)方案？在這一環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生思考并確立評價最優(yōu)方案的原則：所用元器件最少，電路最簡單，實施起來最方便，讀取數(shù)據(jù)最方便，數(shù)據(jù)處理最簡化等。這些恰恰是物理學(xué)科分析、判斷、決策的重要核心素養(yǎng)。

通過教師組織學(xué)生對每一個設(shè)計方案討論論證。學(xué)生對方案一給予了肯定：滑動變阻器的阻值可以連續(xù)變化，電流表、電壓表讀數(shù)方便，處理實驗數(shù)據(jù)簡單。否定了方案四和方案五：使用的電學(xué)器材多，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。對方案二和方案三產(chǎn)生質(zhì)疑：兩種方案雖然電路最簡單、所用元器件少，但是，所用的外電阻是電阻箱，其阻值變化不連續(xù)。而且方案二中的I與R和方案三中的U與R的關(guān)系是非線性。面對學(xué)生的質(zhì)疑，教師啟發(fā)學(xué)生可以將非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系，方便利用圖表得出實驗結(jié)論。將方案二中的閉合電路歐姆定律表達(dá)形式改為：這樣就將I與R的非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為R與的線性關(guān)系。同理將方案三中的閉合電路歐姆定律表達(dá)形式改為：，就將U與R的非線性轉(zhuǎn)化為與的線性關(guān)系。

在這一環(huán)節(jié)中，教師重點引導(dǎo)學(xué)生面對眾多方案，如何進(jìn)行充分分析、比較、判斷、評價，最后決定取舍，做出決策。進(jìn)一步教育培養(yǎng)學(xué)生不論是做任何事情，開展任何工作，都要提出盡可能多的方式方法或方案。其中，有的方法事半功倍，有的方法事倍功半，有的方法簡單易行，有的方法復(fù)雜曲折，究竟哪種方法被采用，需要認(rèn)真分析比照，最后選擇一種或幾種最佳的方法、方式或途徑。這種科學(xué)的分析論證和判斷決策素養(yǎng)一旦養(yǎng)成，就會受用一生。

三、分別用三種方法測試，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度

教師組織學(xué)生先后用三種方法測同一個由兩節(jié)干電池串聯(lián)而成的電源的電動勢和內(nèi)阻，并將用三種方法測得的結(jié)果展示在黑板上教師設(shè)計的表格里。

方案一：如圖6，為方便采集信息、快速處理數(shù)據(jù)并得出測量結(jié)果，可以采用朗威教學(xué)軟件，在軟件界面上顯示出電流傳感器、電壓傳感器示數(shù)，點擊鼠標(biāo)記錄多組數(shù)據(jù)，選擇繪圖即可直接得出電源的伏安特性曲線。通過線性擬合得到一個線性表達(dá)式，其截距和斜率分別為兩節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻。

圖6

方案二：選用電流表、電阻箱開關(guān)等器材測量同一個電源的電動勢和內(nèi)阻。小組同學(xué)合作完成實驗數(shù)據(jù)測量，應(yīng)用所學(xué)信息技術(shù)相關(guān)知識在Excel中記錄數(shù)據(jù)、設(shè)定公式計算,并畫出圖像、獲得線性表達(dá)式，讀出斜率和截距即可得出電源的電動勢和內(nèi)阻的測量值。

方案三：選用電壓表、電阻箱和開關(guān)等測量同一個電源的電動勢和內(nèi)阻，在Excel中記錄數(shù)據(jù)，設(shè)定公式計算，畫出圖像，從顯示的公式中得出斜率和截距，與對應(yīng)的閉合電路歐姆定律方程表達(dá)式對照得知斜率和截距分別為和，再設(shè)定公式計算出電源的電動勢和內(nèi)阻的測量值。

學(xué)生在用三種方法測定電源的電動勢和內(nèi)阻的實驗過程中，以充分交流合作為前提，感受了科技手段使物理研究獲得了高速度和高質(zhì)量，認(rèn)識了學(xué)科間的相互聯(lián)系，增強了學(xué)生研究物理的好奇心和求知欲，通過在實驗中嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮?，一絲不茍的觀察、記錄，最后得出結(jié)論等這一復(fù)雜的過程，培養(yǎng)學(xué)生不怕麻煩、不怕反復(fù)、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、縝密做事、精確計算的治學(xué)品質(zhì)和勇于為科學(xué)獻(xiàn)身的奉獻(xiàn)精神。

四、從問題出發(fā)，引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)不懈探究的素養(yǎng)

在學(xué)生用三種實驗方法測同一個電源電動勢和內(nèi)阻得出實驗結(jié)果之后，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察思考：理論上，用三種探究方法測得同一個電源的電動勢和內(nèi)阻的測量值應(yīng)該很接近。但實際上，學(xué)生看到的實驗結(jié)果卻出乎意料：用方案一和方案三測得的電源電動勢和內(nèi)阻相差不大，用方案二測得的電源內(nèi)阻明顯偏大、電動勢也偏大，為什么會出現(xiàn)這種結(jié)果呢？教師要進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生，將方案二的電路圖和閉合電路歐姆定律表達(dá)式對照看，學(xué)生就可能做出電流表可能有一定內(nèi)阻的推斷。如果用RA表示電流表內(nèi)阻，閉合電路歐姆定律表達(dá)式就應(yīng)該修改為E=I(R+r+RA)。很顯然方法二測得的內(nèi)阻，應(yīng)為電源內(nèi)阻和電流表內(nèi)阻的總和，測量值自然偏大，這一過程客觀地證明了學(xué)生的推斷。過去通常認(rèn)為沒有內(nèi)阻的電流表概念，是理想電流表概念模型，實際的電流表都有內(nèi)阻，只不過電阻值較小。

此時，教師適時引入等效電源的概念，進(jìn)一步組織學(xué)生深入討論。引導(dǎo)學(xué)生將電流表和電源看成一個新的電源即等效電源如圖7，這個等效電源的電動勢E′和內(nèi)阻r′就是我們實驗的測量值。教師再讓學(xué)生交流討論：用方案二測得的電動勢E′和電源的實際電動勢E應(yīng)該相同。并引導(dǎo)學(xué)生換個角度思考問題，用方案一和方案三測得的電動勢是不是可能偏小了。

圖7

圖8

此時，教師提出問題：等效電源的電動勢E′和內(nèi)阻r′是怎樣的？學(xué)生經(jīng)過討論找到了理論依據(jù)：E′等于等效電源斷路時的路端電壓UAB，若電壓表內(nèi)阻為RV,則內(nèi)阻由此可以看出，用方案三測得的電動勢E′小于電動勢真實值E，內(nèi)阻測量值r′小于內(nèi)阻真實值r。同理用方案一測得的電源電動勢和內(nèi)阻均小于真實值。

教師通過這一環(huán)節(jié)的教學(xué)，要讓學(xué)生了解電流表和電壓表內(nèi)阻的存在和對測量結(jié)果的影響，不僅加深了對閉合電路歐姆定律的理解，而且引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會如何對待實驗中發(fā)現(xiàn)和遇到的問題。一是不要輕易懷疑我們的實驗結(jié)果；二是要圍繞產(chǎn)生的問題查找各種原因，進(jìn)行認(rèn)真分析；三是一定堅持找到問題產(chǎn)生的根源和影響因素，從而找到正確的答案。

五、通過歸納總結(jié)，培養(yǎng)樹立科學(xué)的物理概念

在實驗課結(jié)束之前，教師要對本節(jié)課進(jìn)行總結(jié)。學(xué)生在初高中物理學(xué)習(xí)中建立的不同電源概念模型，以及通過本次實驗課的學(xué)習(xí)，對電壓表、電流表概念產(chǎn)生了新認(rèn)識，引導(dǎo)思考：為什么初中的電源概念、電壓表概念、電流表概念這么簡單，而到了高中變得復(fù)雜起來了呢？從而讓學(xué)生懂得，為了分析問題的簡潔方便，為了便于學(xué)生理解接受，以及考慮到學(xué)生接受知識由淺入深的認(rèn)識規(guī)律，在物理學(xué)科教學(xué)中，很多時候?qū)⑽锢砀拍钣美硐氲奈锢砟Ｐ吞娲?。隨著學(xué)生知識的增加，理解和分析事物的能力的增強，逐漸將理想的物理模型還原成實際的物理概念。再比如，我們在力學(xué)中經(jīng)常使用的質(zhì)點的概念，是只有質(zhì)量沒有大小和形狀的點，這就是理想化的模型，世界上哪有只有質(zhì)量沒有大小和形狀的物體。很顯然，我們抓住事物的主要特點對事物進(jìn)行了簡化，使我們分析和研究問題變得方便簡單。

本節(jié)課在教學(xué)中，先由學(xué)生利用開放性思維設(shè)計多種實驗方案，再通過學(xué)生討論、爭辯、相互評判直至挑選出優(yōu)秀實驗方案，并在此基礎(chǔ)上，通過組織學(xué)生包括運用現(xiàn)代化教學(xué)軟件等完成了三種方法的實驗探究，得到實驗結(jié)果、比對實驗結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并思考回答問題等一系列教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅圓滿完成了本節(jié)課的教學(xué)任務(wù)，而且以實驗為載體，對學(xué)生實施了良好的物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)。▲