淺談科學(xué)探究能力的測量與培養(yǎng)*

馬云夢 徐金保

(北京市廣渠門中學(xué) 北京 100062)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出：“科學(xué)探究”是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力.“科學(xué)探究”主要包括“問題”“證據(jù)”“解釋”“交流”4個(gè)要素[1].

對于“科學(xué)探究”《課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出：通過高中物理課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生具有科學(xué)探究意識，能在觀察和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題、提出合理的猜想與假設(shè)，具有設(shè)計(jì)探究方案和獲取證據(jù)方案，使用不同方法和手段分析、處理信息，描述并解釋探究結(jié)果和變化趨勢；具有交流的意愿與能力，能準(zhǔn)確表述、評估和反思探究過程與證據(jù)的能力，能正確實(shí)施探究過程與結(jié)果.由此可見，科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的關(guān)鍵能力.

1 問題的提出 如何測量“科學(xué)探究”能力

1.1 一道測量“科學(xué)探究”素養(yǎng)的高考題

2019年高考北京理綜物理試題第23題，以課本“做一做：用傳感器觀察電容器的充電和放電”為背景，側(cè)重考查了學(xué)生的“科學(xué)探究”能力.

【例題】(2019年高考北京理綜卷第23題)電容器作為儲能器件，在生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用.對給定電容值為C的電容器充電，無論采用何種充電方式，其兩極間的電勢差u隨電荷量q的變化圖像都相同.

(1)請?jiān)趫D1中畫出上述u-q圖像.類比直線運(yùn)動(dòng)中由v-t圖像求位移的方法，求兩極間電壓為U時(shí)電容器所儲存的電能Ep.

圖1 u-q坐標(biāo)軸

(2)在如圖2所示的充電電路中，R表示電阻，E表示電源(忽略內(nèi)阻).通過改變電路中元件的參數(shù)對同一電容器進(jìn)行兩次充電，對應(yīng)的q-t曲線如圖3中①、②所示.

圖2 充電電路

圖3 q-t曲線

a．①、②兩條曲線不同是______(選填E或R)的改變造成的；

b．電容器有時(shí)需要快速充電，有時(shí)需要均勻充電.依據(jù)a中的結(jié)論，說明實(shí)現(xiàn)這兩種充電方式的途徑.

(3)設(shè)想使用理想的“恒流源”替換(2)中的電源對電容器充電，可實(shí)現(xiàn)電容器電荷量隨時(shí)間均勻增加的目的.請思考使用“恒流源”和(2)中電源對電容器的充電過程，填寫表1(選填“增大”“減小”或“不變”).

表1 對比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

1.2 從“四要素”出發(fā)觀察“科學(xué)探究”能力的測量

科學(xué)探究主要有4個(gè)要素組成，即“問題”“證據(jù)”“解釋”“交流”.

文獻(xiàn)[2]采用構(gòu)成要素頻次統(tǒng)計(jì)的方法，對美國、加拿大等國家的科學(xué)課程文件中科學(xué)探究能力進(jìn)行分析，歸納出科學(xué)探究能力的構(gòu)成體系.表2是筆者對科學(xué)探究能力構(gòu)成體系重組.

表2 科學(xué)探究能力的構(gòu)成體系

2 從四要素角度觀察對“科學(xué)探究”核心素養(yǎng)的測量

下面從“問題”“證據(jù)”“解釋”“交流”科學(xué)探究四要素的角度對2019年高考北京理綜卷第23題進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表3所示.

表3 科學(xué)探究四要素角度的試題分析

2.1 有價(jià)值的“科學(xué)探究”的問題是基于真實(shí)的觀察和實(shí)驗(yàn)

本題完全源自課本，課本這樣描述：“先使開關(guān)S與1端相連，電源向電容器充電，這個(gè)過程可在瞬間完成.然后把開關(guān)S擲向2端，電容器通過電阻R放電，傳感器將電流信息傳入計(jì)算機(jī)，屏幕上顯示出電流隨時(shí)間變化的i-t曲線. ” 善于觀察的學(xué)生，很快發(fā)現(xiàn)問題：充電“瞬間完成”，放電時(shí)間大于6 s，同一個(gè)電容器的充電、放電過程時(shí)間為什么有這么大的差別？有沒有什么因素影響充電時(shí)間？其實(shí)還有一個(gè)問題，如何觀察充、放電過程？q-t變化過程不能直接觀察，需要轉(zhuǎn)化.電容器所帶電荷量的變化情況可以用電容器兩端電壓的變化表示.課本采用i-t來表示電容器充電過程是一個(gè)很值得去探究的問題.基于真實(shí)的電容器充、放電實(shí)驗(yàn)，還可以生成一些物理意義明確的、中學(xué)生可以回答的、有探究意義的問題.筆者對課本實(shí)驗(yàn)做了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究補(bǔ)充.

表4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

提出的主要問題有：(1)電容器的充電過程如何觀察？(2)電容器的充電時(shí)間跟哪些因素有關(guān)？

2.2 堅(jiān)持以學(xué)生為主體的“證據(jù)”形成過程

RC電路中，電容器上的電壓不會(huì)瞬間躍變，當(dāng)供電電壓從零躍變到E，或由E躍變到零時(shí)，電容器兩端電壓、電路中電流開始發(fā)生變化到逐漸趨于穩(wěn)定，可以視為暫態(tài)過程.暫態(tài)過程延續(xù)一定時(shí)間，變化不快，可以看成是準(zhǔn)恒的，因此歐姆定律可以繼續(xù)適用.

學(xué)生對于部分電路歐姆定律已經(jīng)很熟悉，對于含有電容器的電路比較陌生.學(xué)生對于充電過程通過電阻的電流變化情況，可以提出合理的猜想和假設(shè).把探究方案交給學(xué)生去思考、去設(shè)計(jì).而不是簡單演示給學(xué)生看，把學(xué)生當(dāng)成觀眾，甚至把學(xué)生的注意力引導(dǎo)到傳感器的“酷炫”上，或者單純從傳統(tǒng)應(yīng)試角度出發(fā)，把主要精力放在i-t圖像處理上.

對于(2)a問，基于歐姆定律，考查學(xué)生能否恰當(dāng)收集相關(guān)信息，對“問題”進(jìn)行假設(shè)、分析，再進(jìn)一步尋找“證據(jù)”.

2.3 科學(xué)探究的解釋要基于“證據(jù)” 要體現(xiàn)物理主干規(guī)律和方法的應(yīng)用

試題(2)b問“依據(jù)a中的結(jié)論，說明實(shí)現(xiàn)這兩種充電方式的途徑”，考查基于證據(jù)的相關(guān)問題解釋.

由歐姆定律可知

該式是電荷量q一階常系數(shù)微分方程，結(jié)合初始條件，得到充電時(shí)

若Ut=0.63E,此時(shí)充電時(shí)間t=RC；若Ut=0.95E

此時(shí)充電時(shí)間t=3RC；若Ut=0.99E，此時(shí)充電時(shí)間t=5RC.令τ=RC,若R=1 kΩ,C=1 μF,則τ=1 ms，在電容器不太大的情況下，教材中描述“充電過程瞬間就完成”是可以的.取Δt→0,則

可見在電源電動(dòng)勢E一定(即電容器充電結(jié)束后電荷量一定)的情況下，電阻R越大，充電電流i越小，充電時(shí)間t越長.

圖4是不同電阻的充電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).電容器儲存的電荷量q=uC,實(shí)驗(yàn)中用u-t圖像替代q-t圖像.

圖4 不同電阻對應(yīng)的u-t圖像

2.4 科學(xué)探究的“交流”要以新生成信息輸出為特征

考慮到干電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓與其工作電壓之間存在較大差異，電池本身的性能與其內(nèi)阻也會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定影響，故本次實(shí)驗(yàn)分別采用了KORAD KD 3003D信號發(fā)生器作為恒壓源，它可以更準(zhǔn)確地控制該電路的工作電壓.恒壓輸出3 V或6 V，R=2 000 Ω，R=1 000 Ω，R=333 Ω，C=3×10-3F的電容器充電過程中電容兩端電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5所示.

圖5 信號發(fā)生器代替干電池后的u-t圖像

以信號發(fā)生器3 V-100 s采樣數(shù)據(jù)為例，計(jì)算過程Logger pro計(jì)算數(shù)據(jù)如圖6所示.

圖6 Logger pro計(jì)算數(shù)據(jù)

其余得到不同條件下，電流變化的離散程度的方法與上述方法相同.具體數(shù)據(jù)如表5所示.

表5 不同條件下，電流變化的離散程度σ

根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果，在電源電動(dòng)勢E不變的情況下，可以比對出隨著電阻的增大，電路中電流減小，且電流的離散程度較低，即更趨于“均勻充電”的恒流模式.因此可以驗(yàn)證(2)b問：隨著電阻的增大，電路中電流越小，更趨于“均勻充電”的恒流模式，選擇圖線②；若想實(shí)現(xiàn)快速充電，則可以采取減小電阻的方式以增大電流，故選擇圖線①.

3 教學(xué)建議

從“四要素”角度分析北京理綜卷第23題，科學(xué)探究教學(xué)也應(yīng)該從“四要素角度”思考：有價(jià)值的“科學(xué)探究”的問題是基于真實(shí)的觀察和實(shí)驗(yàn)；要堅(jiān)持以學(xué)生為主體的“證據(jù)”形成過程；科學(xué)探究的解釋要基于“證據(jù)”,要體現(xiàn)物理主干規(guī)律、方法的應(yīng)用；科學(xué)探究的“交流”要以新生成信息輸出為特征.