基于學生物理學科核心素養(yǎng)提升的教學實踐研究
——以“測量‘飲料’的電阻率”教學設計為例

廣東省佛山市順德區(qū)均安中學(528329) 張 超 鄧泳欣

1 高中實驗教學的背景與現(xiàn)狀分析

2018年初,國家教育部正式頒布實施《普通高中課程方案和學科課程標準(2017年版)》。作為高中教學的核心綱要標準,相較2004年版本,2017年版課標有著重大的發(fā)展與創(chuàng)新。對于高中物理教學,明確提出了物理學科素養(yǎng),包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”4個方面?；谖锢韺W科素養(yǎng)的內(nèi)涵分析,“物理觀念”素養(yǎng)體現(xiàn)物理基礎(chǔ)原理和規(guī)律的理解掌握；“科學思維”素養(yǎng)體現(xiàn)邏輯分析和建模推理的思維能力；“科學探究”素養(yǎng)體現(xiàn)設計實施和動手探索的實踐能力；“科學態(tài)度與責任”素養(yǎng)體現(xiàn)學生科學態(tài)度和社會責任的浸潤養(yǎng)成。因此,高中物理實驗為培養(yǎng)學生學科素養(yǎng)提供了肥沃的土壤,是深化物理教學的重要手段。特別是《普通高中物理課程標準(2017年版)》對于學生實驗提出了明確要求：“學校應充分利用已有的實驗器材,努力開發(fā)適合本校情況的實驗課程資源,盡可能讓學生自己動手多做實驗,提升學生的物理學科核心素養(yǎng)?！边@更體現(xiàn)出課程標準對于高中物理實驗的核心要求。

關(guān)注當前高中物理實驗教學現(xiàn)狀,常常與課程標準存在很大偏離,更談不上全面落實學生物理學科素養(yǎng)的培養(yǎng)。究其原因是受單一的實驗筆試考查方式所制約和影響。特別是“做實驗不如講實驗”“做實驗不如做實驗題”等錯誤的教學思想和方式仍廣泛存在于當前的物理教學中。因此,改變當前物理實驗教學現(xiàn)狀,應明確物理核心素養(yǎng)立意,回歸物理課程標準。

2 基于學生物理學科核心素養(yǎng)提升的教學案例

基于《普通高中物理課程標準(2017年版)》所提出的“物理學科核心素養(yǎng)的水平劃分”,針對學生實驗素養(yǎng)包涵：“能分析物理現(xiàn)象,提出可探究的物理問題；能制定和實施實驗方案、使用基本的器材獲得數(shù)據(jù)；能分析數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)特點,形成結(jié)論,嘗試用已有的物理知識進行解釋；能撰寫實驗報告,用學過的物理術(shù)語、圖表等交流科學探究過程和結(jié)果等?！备咧形锢韺嶒灲虒W應重點關(guān)注實驗觀察與方案、科學操作與實施、數(shù)據(jù)采集分析與形成結(jié)論等方面?；诶碚撗芯繉W習,結(jié)合自身教學實踐,現(xiàn)以“測量‘飲料’的電阻率”教學設計為例,供同行參考。

2.1 教學內(nèi)容分析

“測量‘飲料’的電阻率”是人教版高中物理新課程內(nèi)容。高中物理課程標準對本節(jié)的要求是：“通過實驗,探究并了解金屬導體的電阻與材料、長度和橫截面積的定量關(guān)系,會測量金屬絲的電阻率?！蓖ㄟ^之前的學習,高二學生已初步掌握了電路的基本知識,具備了開展自主探究電阻率的實驗能力。因此,本節(jié)內(nèi)容實質(zhì)上是學生探究實驗“測量金屬絲的電阻率”的拓展,旨在進一步鍛煉學生的實驗創(chuàng)新能力及科學探究能力。

2.2 教學設計思路

“測量‘飲料’的電阻率”的設計思路重在學生物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)提升。在整個教學流程設計中,以學生參與的佛山市50km 徒步活動為課堂導入,引出運動飲料能夠快速補充人體所需的水分和電解質(zhì)的話題,激發(fā)學生的學習興趣和探究欲望。通過現(xiàn)場品嘗、成分表對比等課堂活動,引出運動飲料與礦泉水電解質(zhì)含量的差異,提出問題——如何測量“飲料”的電阻率。帶著問題,沿著教材線索,結(jié)合所配備的器材,開展實驗探究。第一環(huán)的演示實驗屬于探索發(fā)現(xiàn)層次,重在證明均勻的電解質(zhì)溶液滿足電阻定律；第二環(huán)的合作探究屬于整合設計層次,重在設計出測量“飲料”電阻率的實驗方案；第三環(huán)的合作探究屬于總結(jié)層次,重在測量出礦泉水和運動飲料的電阻率。3 個核心環(huán)節(jié)層層遞進,幫助學生開展合作探究,掌握科學方法,促進物理學科核心素養(yǎng)的提升。

2.3 教學目標定位

根據(jù)課程標準對本節(jié)課的具體要求,以提升學生物理學科核心素養(yǎng)為主旨,針對學生的心理特點和認知水平,結(jié)合教材,確定本課的教學目標。定位如下：

(1)能根據(jù)演示實驗事實歸納出均勻的電解質(zhì)溶液滿足電阻定律；

(2)結(jié)合測量金屬絲電阻率的實驗方法,設計出測量“飲料”電阻率的探究實驗方案；

(3)動手開展實驗探究,體會科學探索過程,提高數(shù)據(jù)處理能力,掌握科學思維方法；

(4)激發(fā)學生的求知欲望,促進物理學科核心素養(yǎng)的提升。

2.4 教學流程圖

教學流程設計如圖1所示。

圖1 教學流程圖

2.5 教學過程設計

(1)生活情境引入

播放視頻——2019年3 月,佛山市50km 徒步公益活動盛大舉行,我校全體學生參與了本次公益活動。借助公益活動,引出一個與生活息息相關(guān)的問題。

問題1：運動過后,身體大量流失能量和電解質(zhì),此時運動飲料應運而生。運動飲料有什么作用呢?

學生活動：組內(nèi)討論,自由回答。

設計意圖：由情景引入課堂對電解質(zhì)飲料的思考,進而引導學生思考不同“飲料”導電性能是否有差異,激發(fā)學生的學習熱情。

(2)教師演示實驗

教師利用自制教具演示實驗,引導學生觀察小燈泡的變化實驗原理圖(見圖2),課堂演示效果如圖3所示。

圖2 定性探究“飲料”電阻實驗儀電路圖

圖3 課堂演示實驗

實驗步驟：①將銅片插入運動飲料中,閉合開關(guān),觀察小燈泡變化；②增大兩銅片之間距離,觀察小燈泡亮度及電流表示數(shù)的變化；③改變右側(cè)銅片浸入液體中的面積,觀察小燈泡亮度及電流表示數(shù)的變化；④保持有效長度和橫截面積不變,將銅片浸入礦泉水中,觀察小燈泡亮度及電流表示數(shù)的變化。

問題2：提出電解質(zhì)溶液的電阻與飲料本身性質(zhì)、介入電路的溶液導體有效長度及橫截面積有關(guān),提出電阻定律也適用于電解質(zhì)溶液的知識拓展,引導學生回顧電阻定律。

問題3：根據(jù)電阻定律,要測量出“飲料”的電阻率,我們需要測量哪些物理量?

學生回答：①接入電路中的有效長度L；②銅片浸入液體中的橫截面積S；③接入電路中待測飲料的電阻R(教師補充電解質(zhì)溶液導體模型)。

設計意圖：通過定性探究,讓學生理解電阻定律同樣適用于電解質(zhì)溶液,讓學生構(gòu)思實驗探究的方向；通過將液體類比成長方體的金屬導體,挖掘測量“飲料”電阻率實驗中需要特別關(guān)注的必備條件,滲透物理觀念。

(3)設計實驗電路

問題4：請各小組開展討論,設計測量“飲料”的電阻率的實驗電路。

教師給兩個提示：①“飲料”的電阻屬于大電阻；②利用圖像法測量電阻需要電壓和電流的測量范圍盡量大一些。

學生活動：開展組內(nèi)討論與合作,共同設計測量“飲料”的電阻率的實驗電路。設計結(jié)束后,各小組進行實驗電路展示,教師進行點評,從而確定科學的實驗方案。

設計意圖：通過任務驅(qū)動型探究活動,讓學生學會物理知識的遷移,設計出測量“飲料”電阻率的實驗電路,培養(yǎng)學生運用已有知識解決新問題的能力。

(4)小組合作探究

問題5：開展分組實驗活動,小組合作探究,測量“飲料”的電阻率。

學生小組合作,運用圖4自制的實驗裝置進行實驗探究,并將結(jié)果填入表格中。在探究活動結(jié)束后,組織學生進行成果展示,每個組派1～2名代表,展示操作方式并講解,其他小組認真觀察、思考,并進行記錄。

圖4 自制實驗裝置

設計意圖：本探究環(huán)節(jié)是課堂核心內(nèi)容之一。首先給予學生充分的實驗時間,其次讓學生大膽嘗試。根據(jù)筆者多次授課實踐經(jīng)驗,學生基本可以找到產(chǎn)生感應電流的操作方式。

(5)實驗成果展示

學生以小組為單位對實驗數(shù)據(jù)進行處理及分析,并運用“多屏同步技術(shù)”進行成果展示,每個組派1 名代表闡述結(jié)論,其他小組可提出質(zhì)疑或補充。

設計意圖：通過數(shù)據(jù)處理,培養(yǎng)學生利用圖表法探究物理規(guī)律的能力。通過展示,培養(yǎng)學生科學思維能力,促進實驗結(jié)論的生成化呈現(xiàn)。

各小組展示完畢后,教師進行點評。

(6)學生總結(jié)

學生從不同方面對本節(jié)課進行總結(jié),體現(xiàn)學生課堂主體地位。教師進行點評。

(7)生活應用拓展

拓展：通過查閱資料,國家對運動飲料中離子的含量制定了合格標準(見圖5),而離子的含量是影響飲料電阻率的關(guān)鍵因素。因此,測量飲料的電阻率可用于鑒定飲料的真?zhèn)?。請同學們利用課余時間,嘗試測量不同飲料的電阻率,下節(jié)課一起分享。

圖5 拓展資料

設計意圖：從生活中來,到生活中去。培養(yǎng)學生的物理觀念,提高解決生活實際問題的能力,培養(yǎng)科學態(tài)度及責任素養(yǎng)。

3 結(jié)語

明確核心素養(yǎng)立意,回歸物理課程標準是物理實驗教學的必由之路。在核心素養(yǎng)背景下,基于上述“測量‘飲料’的電阻率”教學設計,分享幾點對高中物理實驗教學的建議：“物理觀念”方面應注重強化對實驗方案的標準實施,對基本器材的熟練操作、對基礎(chǔ)原理的深度理解和對實驗數(shù)據(jù)的科學采集等實驗素養(yǎng)的培養(yǎng)；“科學思維”方面應加強對科學繪圖、精準運算、形成結(jié)論和誤差分析等實驗素養(yǎng)的培養(yǎng)；“科學探究”方面應注重對實驗方案的創(chuàng)新設計,對基礎(chǔ)原理的遷移運用、對實驗器材靈活改進等實驗素養(yǎng)的培養(yǎng)；“科學態(tài)度與責任”方面應注重培養(yǎng)學生認真嚴謹?shù)膶W習態(tài)度和良好的實驗習慣,從而實現(xiàn)對科學態(tài)度和社會責任的浸潤養(yǎng)成。