立足科學(xué)探究 提高核心素養(yǎng)①——以“實(shí)驗(yàn)：電池電動勢和內(nèi)阻的測量”為例

(江西省九江市同文中學(xué),江西 九江 332000)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面，在物理教學(xué)中提高學(xué)生的核心素養(yǎng)是當(dāng)前課改的重要課題。“測量電源的電動勢和內(nèi)阻”是學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的原理、器材選擇、電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等環(huán)節(jié)都能較好地體現(xiàn)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，故在高考中頻頻出現(xiàn)，命題也呈現(xiàn)出多樣化、情境化的特征。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所用1.5V干電池的內(nèi)阻較小，電流變化時(shí)電壓變化不大，實(shí)驗(yàn)效果不明顯。水果電池的內(nèi)阻較大，用水果電池代替干電池，既便于測量，又對學(xué)生有吸引力，因此筆者利用水果電池代替干電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，立足科學(xué)探究，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

1 根據(jù)課標(biāo)要求，確定教學(xué)目標(biāo)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出：“科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，應(yīng)滲透在物理教學(xué)的整個(gè)過程。無論是物理知識的教學(xué)，還是物理問題的解決，都要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題，根據(jù)問題解決的需要，收集和選擇有用信息，基于證據(jù)和邏輯對問題作出合理解釋，培養(yǎng)學(xué)生具有準(zhǔn)確表述問題解決過程與結(jié)果的意愿和能力。”立足科學(xué)探究，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)要求，對“實(shí)驗(yàn)：電池電動勢和內(nèi)阻的測量”確定的教學(xué)目標(biāo)如表1所示。

在核心素養(yǎng)理念的引領(lǐng)下，課堂教學(xué)應(yīng)緊扣核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)，真正做到以學(xué)生為主體，讓學(xué)生充分參與到課堂教學(xué)中，在科學(xué)探究的過程中，使學(xué)生各方面的核心素養(yǎng)都得到提升。

2 創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

人教版高中物理必修第三冊指出：將銅片和鋅片相隔約1cm插入一個(gè)梨中，就制成一個(gè)水果電池。水果中有大量的電解質(zhì)，將銅片和鋅片插入其中，分別成為電池的正、負(fù)極。如果在外部將銅片和鋅片連接在一起，就構(gòu)成一個(gè)閉合回路，在電路中會形成持續(xù)的電流。

2.1 播放音樂，觀察中國地圖

情境：以《我和我的祖國》為背景音樂，用果汁制作電池，點(diǎn)亮中國地圖。

師：這是中國地圖，小燈泡分布神州大地，通過導(dǎo)線和銅片、鋅片相連。這里有一瓶橙汁，哪位同學(xué)愿意上來嘗一口？

師：味道怎么樣？

生：好甜！

師：請將橙汁倒入杯中，同學(xué)們觀察會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

學(xué)生操作，大家看到地圖上一片光明，非常興奮。

師：小燈泡亮了，說明利用果汁可以制作成電池，而電池的兩個(gè)重要參數(shù)為電動勢和內(nèi)阻，我們要測定水果電池的電動勢和內(nèi)阻。

點(diǎn)評：將果汁電池點(diǎn)亮中國地圖的小實(shí)驗(yàn)引入新課，可以讓學(xué)生感受原電池的原理，為后面制作水果電池作鋪墊。在《我和我的祖國》音樂烘托下，學(xué)生被點(diǎn)亮的中國地圖震撼了，滲透了愛國主義教育。

表1

2.2 實(shí)驗(yàn)制作，形成沖突

師：利用桌上的蘋果制作一個(gè)電池，將銅片和鋅片插入蘋果中，此時(shí)銅片是正極，鋅片是負(fù)極。請同學(xué)們猜想：這個(gè)蘋果電池能否讓小燈泡正常發(fā)光？

生1：能。

生2：不能。

師：大家存在不同的觀點(diǎn)，可以通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。將小燈泡和蘋果電池相連接，觀察小燈泡能否正常發(fā)光。

學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小燈泡沒有發(fā)光，感到非常詫異。

師：小燈泡不發(fā)光的原因是電池電壓太小嗎？不妨將蘋果電池和電壓表連接，請同學(xué)們測量蘋果電池的電壓，并匯報(bào)測量結(jié)果。

生：1.023V、0.986V、1.044V……

師：從同學(xué)們的測量結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，蘋果電池兩端的電壓為1V左右，小燈泡為何不亮呢？

生：因?yàn)殡娮杼?，電流太小?/p>

師：小燈泡的電阻通常很小，那么誰的電阻很大呢？

生：蘋果。

師：蘋果的電阻叫電池內(nèi)阻，那么能不能用電壓表和電流表配合測出電動勢和內(nèi)阻呢？

點(diǎn)評：教師提出“一個(gè)蘋果電池能否讓小燈泡正常發(fā)光”的問題，某些學(xué)生根據(jù)果汁電池能點(diǎn)亮燈泡的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，猜想此時(shí)小燈泡能正常發(fā)光；某些學(xué)生認(rèn)為果汁是液體，蘋果是固體，猜想小燈泡不能正常發(fā)光。這些猜想都是基于事實(shí)提出的合理猜想，通過實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證猜想的真?zhèn)?。?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，而電池兩端的電壓為1V左右，引發(fā)了認(rèn)知沖突，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生對蘋果電池電動勢和內(nèi)阻的探索欲望，提高了學(xué)生通過觀察現(xiàn)象提出可供研究的問題的意識。

3 設(shè)計(jì)方案，獲取證據(jù)

師：根據(jù)閉合電路歐姆定律E=U+Ir，改變I、U數(shù)值就可以求出電動勢和內(nèi)阻，那么至少要測量幾組數(shù)據(jù)呢？

生：兩組數(shù)據(jù)。

師：對，有兩個(gè)未知數(shù)至少需要兩個(gè)方程，這樣做的偶然誤差大么？

生：當(dāng)然大。

師：怎么解決？

生：多次測量求平均值，這是最常用的方法。

師：是的，學(xué)過的方法就應(yīng)該用起來，那么如何做呢？

學(xué)生經(jīng)過討論、研究得出，至少需要測量6組數(shù)據(jù)，并選取了合適的器材：水果電池、導(dǎo)線、微安表、電壓表、滑動變阻器等。學(xué)生提出了兩種方案，并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路(圖1)。

圖1

師：圖1中甲、乙方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有差別嗎？不妨每組同學(xué)都嘗試下兩種實(shí)驗(yàn)方案，共同探究。小組成員合理分工，分別負(fù)責(zé)連接電路、調(diào)節(jié)電路、記錄數(shù)據(jù)。

師：我們可用圖像法求解電動勢和內(nèi)阻，畫出U-I圖像，由E=U+Ir，可得：U=-rI+E，與直線方程y=kx+b作對比可知：U-I圖線斜率的絕對值等于電池的內(nèi)阻，縱軸截距是電池的電動勢。

點(diǎn)評：在閉合電路歐姆定律的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)電路，學(xué)生中會出現(xiàn)兩種不同的設(shè)計(jì)思路。由于電表不是理想電表，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果肯定有差別。教師沒有采用純理論的誤差分析進(jìn)行教學(xué)，而是引導(dǎo)學(xué)生完成兩種方案的實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)難度較大，學(xué)生通過小組協(xié)作，明確分工，提高了實(shí)驗(yàn)效率，也培養(yǎng)了學(xué)生的合作精神。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中，教師舍棄了傳統(tǒng)的用坐標(biāo)紙作圖加數(shù)據(jù)運(yùn)算的方式，改用電腦軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，快速求出了電動勢和內(nèi)阻，突破了教學(xué)難點(diǎn)。

4 解釋結(jié)果，交流評估

(1)小組一

生：我們小組測的是梨子電池的電動勢和內(nèi)阻，結(jié)果如圖2所示。按甲方案測量的結(jié)果是：E=0.97V，r=7114Ω；按乙方案測量的結(jié)果是：E=0.98V,r=7446Ω。

圖2

師：兩種方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何不同？

生：乙方案測得的電動勢稍大，但內(nèi)阻明顯更大。

(2)小組二

生1：我們小組測的是火龍果電池的電動勢和內(nèi)阻，結(jié)果如圖3所示。按甲方案測量的結(jié)果是：E=0.85V，r=0.0030Ω；按乙方案測量的結(jié)果是：E=0.84V,r=0.0036Ω。

師：火龍果電池的內(nèi)阻這么小？有沒有同學(xué)對此發(fā)表觀點(diǎn)？

生2：這個(gè)結(jié)果中電流的單位不對，把求出的內(nèi)阻乘以106，分別為3000Ω和3600Ω。

師：這位同學(xué)觀察得很仔細(xì)，值得表揚(yáng)。失之毫厘，謬以千里，科學(xué)研究要嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致。

(3)小組三

生：我們小組測的是土豆電池的電動勢和內(nèi)阻，結(jié)果如圖4所示。按甲方案測量的結(jié)果是：E=0.85V,r=5126Ω；按乙方案測量的結(jié)果是：E=0.84V,r=5843Ω；乙方案測得的電動勢稍小，但內(nèi)阻明顯更大。

圖3

圖4

(4)小組四

生：老師，我有個(gè)疑問，我們小組測的也是土豆電池，為什么和他們的結(jié)果不一樣？

師：請你拿這位同學(xué)的土豆和你們小組的土豆對比，看看有什么區(qū)別？

生：土豆大小形狀不一樣，銅片、鋅片的間距和深度也不同。

師：那你可以猜想電動勢和內(nèi)阻可能跟哪些因素有關(guān)呢？

生：跟水果電池的大小、形狀、金屬片間距、深度有關(guān)，說不定和水果所含水分也有關(guān)系。

師：請你課后驗(yàn)證猜想。從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：水果電池的電動勢較小，但內(nèi)阻很大，往往高達(dá)幾千歐姆。甲、乙兩種設(shè)計(jì)方案為什么會有差別呢？下節(jié)課我們再進(jìn)行分析。請同學(xué)們課后搜索2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的研究課題——“鋰電池”，并關(guān)注電池未來的科技發(fā)展動向。

點(diǎn)評：在教學(xué)中選取了三組學(xué)生匯報(bào)實(shí)驗(yàn)成果。小組一能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確表述。小組二測出的火龍果內(nèi)阻值不合理，對此，其他學(xué)生分析了其錯(cuò)誤的原因并給出了解決方案，是質(zhì)疑和論證能力的有力體現(xiàn)。小組三匯報(bào)完土豆電池的測量結(jié)果后，有同學(xué)提出了問題：“為什么不同的土豆電池的測量結(jié)果不同呢？”教師引導(dǎo)學(xué)生觀察土豆和電極的差別，學(xué)生提出了影響電動勢和內(nèi)阻因素的猜想，并深入反思實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了進(jìn)一步探究的課題。在交流評估過程中，學(xué)生的思維不斷發(fā)生碰撞，提高了學(xué)生的核心素養(yǎng)。而對兩種設(shè)計(jì)方案的差異解釋留到下節(jié)課，為后續(xù)的教學(xué)進(jìn)行了鋪墊。以關(guān)注鋰電池相關(guān)信息和電池技術(shù)的未來發(fā)展作為收尾，體現(xiàn)了社會責(zé)任的培養(yǎng)要求。

5 結(jié)語

筆者以科學(xué)探究為核心，探討培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)策略。引導(dǎo)學(xué)生在小燈泡不亮的事實(shí)基礎(chǔ)上提出科學(xué)問題，形成猜想和假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、制定方案、得出結(jié)果，并對科學(xué)探究的結(jié)果進(jìn)行解釋、評估。在教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將課堂學(xué)到的科學(xué)思維和科學(xué)探究方法應(yīng)用到生活和工作中，真正提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。