ADI教學模式及其在高中物理實驗教學中的應用
——以“電池電動勢和內阻的測量”實驗為例

周勝林 錢長炎

(安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241002)

實驗教學是物理課程的重要組成部分，對學生知識的學習和能力的發(fā)展起著關鍵的作用，歷來備受廣大物理教育研究者的重視[1,2].隨著我國基礎教育物理課程改革的不斷推進，如何更好地在高中物理實驗教學中培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)，已經(jīng)成為物理教學研究領域新的重要課題.

論證驅動的探究(Argument-Driven Inquiry，簡稱ADI)教學模式以科學論證為中心驅動學生自主探究，這種實驗教學模式在很大程度上符合新高中物理課程的基本理念.本文在ADI教學模式的指導下，對“電池電動勢和內阻的測量”實驗的教學做較為全面的探討，以期為新形勢下的高中物理實驗教學提供一些啟示.

1 ADI教學模式的基本思想及實施過程

ADI教學模式是一種滲透式導向的科學論證教學策略[3].其論證結構是在圖爾敏論證模式的基礎上加以簡化，主要有主張、證據(jù)和理由3個部分組成，如圖1所示[4,5].ADI教學模式的主張可以是一個猜想、結論、解釋、描述或對研究問題的回答.證據(jù)是指收集的資料，用來支持主張的有效性和可接受性.資料的收集有多種形式，如測量、觀察等，但為了使這些資料能夠形成證據(jù)，需要對其加以分析和解釋.理由是說明證據(jù)的相關性和解釋證據(jù)為什么能夠支持主張.

圖1 ADI教學模式的理論框架

為了建構論證，學生需要以小組合作的方式圍繞探究任務提出主張，然后根據(jù)主張設計實驗，收集相關資料從而形成證據(jù).接著，小組通過論證環(huán)節(jié)與其他小組分享論證過程，并從同伴的交流中得到批判和反饋.最后，經(jīng)過全班反思，學生撰寫探究報告并提交給同伴進行匿名評審.衡量學生口頭論證和書面論證的質量主要依據(jù)經(jīng)驗標準和理論標準.而整個論證的產(chǎn)生和評價都是模仿科學家的研究過程，基于科學家所運用的理論、定律、模型、研究方法、證據(jù)標準和交流方式等.

相對于傳統(tǒng)實驗教學，ADI教學模式將實驗探究與閱讀、寫作等活動相結合，利用科學論證驅動探究教學的演進，不僅突出了論證在學生獲取知識過程中的重要作用，促進學生對核心概念和科學實踐的理解，而且體現(xiàn)了物理學科核心素養(yǎng)的諸多要素，充分地發(fā)揮了物理實驗的教育功能.另外，ADI教學模式理論結構簡單，實施步驟明確，將該教學模式應用于高中物理實驗教學中，可以有效改變教師因缺乏理論指導和相應的教學策略而難以實施論證教學的現(xiàn)狀[6].

“電池電動勢和內阻的測量”是高中物理必修課中學生必做實驗之一[7].下面我們以“電池電動勢和內阻的測量”實驗為例，詳細闡述ADI教學模式在該實驗教學中的具體應用，希望為課堂教學提供參考.

2 基于ADI教學模式的“電池電動勢和內阻的測量”實驗教學過程及建議

根據(jù)ADI教學模式的基本思想及實施過程，結合“電池電動勢和內阻的測量”實驗內容特點，該節(jié)教學的實施框架如圖2所示.

圖2 基于ADI的“電池電動勢和內阻的測量”

我們將科學探究與科學論證有機融合，利用論證驅動學生自主開展“電池電動勢和內阻的測量”探究實驗，從而既能保證實驗教學的連貫性和交互性，又能充分發(fā)揮學生在實驗方案的選擇、數(shù)據(jù)處理和觀點交流等方面的主體作用.

2.1 創(chuàng)設問題情境 設計實驗方案 收集證據(jù)資料

核心素養(yǎng)目標下的高中物理教學強調在教學過程中注重問題情境的創(chuàng)設.我們可以利用可樂電池進行演示實驗，創(chuàng)設真實的問題情境，激發(fā)學生的探究興趣，實驗裝置如圖3所示.

圖3 可樂電池演示實驗裝置圖

圖中的容器內裝有可樂，容器的兩側分別是銅片和鋅片，這樣的裝置就可以構成可樂電池.將可樂電池與演示電表(旋轉至0.5 mA擋)、小燈泡等串聯(lián)在電路中，閉合開關，引導學生觀察小燈泡和演示電表的變化.實驗發(fā)現(xiàn)，演示電表的指針發(fā)生明顯偏轉，但小燈泡不能發(fā)光，而用干電池作為電源為小燈泡供電，小燈泡卻能發(fā)光.據(jù)此，啟發(fā)學生思考原因，進而提出探究任務：測量可樂電池的電動勢和內阻.相對于干電池和水果電池，可樂電池的內阻不僅較大，而且在短時間內不易發(fā)生明顯變化，便于學生較長時間的測量.

隨后，教師向每個小組提供探究任務清單(如表1所示)，幫助學生建立與以往知識的聯(lián)系，明確探究任務和要求，為學生自主進行實驗和展開論證提供必要的支持.

各小組根據(jù)所提供的任務清單和實驗器材，收集相關資料，設計實驗方案(即主張)，從而進行實驗，獲取數(shù)據(jù).在此過程中，教師可以提出針對性的問題，幫助學生降低探究的難度.如“不同的實驗思路有什么區(qū)別，你選擇這一實驗思路的依據(jù)是什么？”“你將如何處理實驗數(shù)據(jù)？”“你是如何分析并減小實驗誤差的？”等.

表1 “可樂電池電動勢和內阻的測量”實驗探究任務清單

2.2 展開科學論證 反思討論提升 明確實驗方案

學生完成實驗后，嘗試建構科學論證.引導學生在白板上呈現(xiàn)實驗方案，然后和大家分享方案的基本原理、實驗過程、數(shù)據(jù)處理及推理過程，并基于測量結果和相關資料闡述設計這一方案的原因.為了鼓勵所有學生積極參與論證環(huán)節(jié)，教師可以采用循環(huán)的方式，讓一名小組成員留在白板前與其他同學分享本小組的實驗方案，其余成員則依次參與不同小組的交流和討論，并就實驗原理是否符合已有理論或定律、實驗方法能否有效減小誤差、收集數(shù)據(jù)方法是否合理與嚴謹和分析數(shù)據(jù)方法是否恰當?shù)确矫孢M行批判.論證結束后，小組成員返回本小組，并根據(jù)其他同學的反饋意見修正實驗方案或重新收集實驗數(shù)據(jù).

接著，教師引導全班學生進行反思討論，利用解析法、等效電源法或圖解法分析不同實驗方案的測量誤差，消除實驗過程中的各種困難和各小組之間的差異，反思內容如表2所示[8].

表2 4種實驗方案誤差分析

不僅如此，在數(shù)據(jù)處理的過程中，學生利用方程求解可樂電池的電動勢和內阻也容易造成較大的實驗誤差.所以，教師應啟發(fā)學生利用圖像法處理實驗數(shù)據(jù)，如圖4所示.

圖-R圖像

根據(jù)反思的結論，引導學生對本小組的實驗方案進行修正，如有需要，小組同學可以重新收集數(shù)據(jù).這一過程中教師應允許學生嘗試失敗，鼓勵學生從錯誤中反思和提升，這樣能夠促進學生更深入地體會不同方案的差異和適用條件.

2.3 撰寫探究報告 總結論證過程 同伴匿名評審

論文寫作是科學研究的重要組成部分.科學家不僅需要通過論文寫作分享自己的研究成果，而且還要理解和評估他人的研究論文.因此，教師可以以課后作業(yè)的形式，引導學生用清晰簡潔的語言撰寫探究報告，體驗科學家群體的交流方式.探究報告主要圍繞3個基本問題：你想做什么？你做了什么？你的論證過程是什么？收到報告后，教師將報告復印件隨機發(fā)送給不同小組進行匿名評審，引導同伴從探究目的、實驗過程、科學論證和論文寫作4個方面進行評價，其中論證水平評價標準如表3所示，完整的指標體系見參考文獻[9].學生根據(jù)反饋信息對探究報告進行修改，然后提交給教師進行第二次評定.如果修改后的報告達到可接受的質量水平，作者即可獲得滿分，否則需要進行第二輪修正直到達到目標要求.

表3 科學論證水平評價標準

這一環(huán)節(jié)不僅深化了學生對電池電動勢和內阻測量原理的理解，培養(yǎng)了學生科學推理能力和基于書面的論證能力，而且能夠及時反饋教學效果，為教學的進一步改進提供了重要的依據(jù).

3 小結與啟示

通過對ADI教學模式基本思想和實施過程的分析，我們認為該教學模式與新一輪基礎教育物理課程改革的理念高度一致，能夠為核心素養(yǎng)目標下的高中物理實驗教學提供新的思路.基于此，我們深入探討ADI教學模式在“電池電動勢和內阻的測量”實驗中的應用，既幫助學生克服該內容學習的各種困難，進一步提高課堂教學的質量，又能有效地落實物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

此外，通過這些研究工作，我們深深感受到在高中物理課程改革的關鍵時期，不僅需要充分借鑒國際科學教育新的方法、新的思想和新的理念，而且還應根據(jù)我國物理教學實際和學生學習情況將相關理論本土化，這樣才能為學生物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)提供一些幫助和啟示.