“串、并聯(lián)電路中的電流和電壓規(guī)律”實(shí)驗(yàn)的研究與反思

安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)(231551) 劉信生廣東省湛江市第二中學(xué)霞山校區(qū)(524002) 譚振興

1 問題的提出

2017年12月《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》頒布，物理學(xué)科核心素養(yǎng)正式提出。以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的物理教學(xué)，是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的關(guān)鍵能力和必備品格，是學(xué)生將物理學(xué)習(xí)內(nèi)化后形成的帶有物理學(xué)科特征的品質(zhì)，是學(xué)生核心素養(yǎng)的重要構(gòu)成。物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)方面，其中科學(xué)探究是核心中的核心，其余3個(gè)要素都滲透在科學(xué)探究活動(dòng)中。《初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011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)論并作出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力。

我們的物理探究是科學(xué)探究嗎？ 我們?cè)谖锢斫虒W(xué)過程中，能讓學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究嗎？我們距離真正的科學(xué)探究還有多遠(yuǎn)?筆者經(jīng)常用這些教學(xué)問題拷問自己，促使自己反思當(dāng)前的教學(xué)現(xiàn)實(shí)，追尋著教學(xué)的未來。

筆者以“串、并聯(lián)電路中的電流和電壓規(guī)律”實(shí)驗(yàn)為例，在研究與反思過程中提升科學(xué)探究的質(zhì)量和效果。

2 對(duì)串、并聯(lián)電路中的電流、電壓規(guī)律之科學(xué)探究過程的反思

科學(xué)探究不同于科學(xué)實(shí)驗(yàn)，更不同于一般的物理實(shí)驗(yàn)。物理學(xué)是建立在以實(shí)驗(yàn)為實(shí)證基礎(chǔ)上的自然學(xué)科，基于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究是新課程改革下物理教育的核心實(shí)踐活動(dòng)，是實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的重要途徑。一線教師對(duì)科學(xué)探究的理解還是有些偏差的，認(rèn)為只要好好做實(shí)驗(yàn)就是完成科學(xué)探究，現(xiàn)實(shí)與理想之間的反差還是客觀存在的。

2.1 提出符合初中學(xué)生思維水平的適切性物理問題的反思

教育心理學(xué)研究表明：“學(xué)起于思，思源于疑?！眴栴}驅(qū)動(dòng)是一切科學(xué)探究的原動(dòng)力。事實(shí)證明科學(xué)上眾多的發(fā)明和創(chuàng)造，與其說是問題解決者促成的，還不如說是問題的追尋者促成的。這就要求我們充分發(fā)揮初中學(xué)生形象思維的優(yōu)勢(shì)，在本節(jié)課的教學(xué)中，教師運(yùn)用類比法由水流建構(gòu)出電流概念后，創(chuàng)設(shè)華燈初上夜晚的教學(xué)情境，馬路兩旁的路燈與商場(chǎng)上的小彩燈的發(fā)光場(chǎng)景，再將事先準(zhǔn)備好的串、并聯(lián)電路實(shí)驗(yàn)裝置器材分發(fā)給每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組，分別連接串聯(lián)和并聯(lián)兩種電路。此時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生提出問題：串聯(lián)電路中的電流有何特點(diǎn)？并聯(lián)電路中的電流有何特點(diǎn)？學(xué)生由生活中的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行猜想：串聯(lián)電路中的電流越來越大、越來越小、不變；并聯(lián)電路中的電流干路和支路相等、干路電流等于支路電流之和……

同樣的道理，我們由水壓類比引入電壓概念后，通過學(xué)生生活中的感性認(rèn)識(shí)，同樣會(huì)對(duì)串、并聯(lián)電路中電壓的特點(diǎn)進(jìn)行大膽猜想和假設(shè)，教師要投以鼓勵(lì)的眼神和欣賞的微笑，不要擔(dān)心學(xué)生的錯(cuò)誤回答，更不能阻止另類不著調(diào)的想法。只要提出的問題符合初中學(xué)生思維水平，無論對(duì)錯(cuò)，都要包容和鼓勵(lì)。

2.2 在探究活動(dòng)中收集事實(shí)證據(jù)，形成科學(xué)解釋的反思

教師的物理探究實(shí)驗(yàn)的視野和綜合素養(yǎng)決定了學(xué)生探究活動(dòng)的高度。在探究串、并聯(lián)電路電流規(guī)律實(shí)驗(yàn)中，筆者在聽評(píng)課中，都是采用千人一面的教學(xué)流程：為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有普遍性的特點(diǎn)，可以選用不同型號(hào)的小燈泡重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，再改變電源電壓重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)。由于電池組的電池節(jié)數(shù)不可能任意增加，因此實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)有限。我們?cè)谠O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和收集證據(jù)過程中，完全按照教材中要求的實(shí)驗(yàn)電路連接實(shí)物圖，符合自己預(yù)想要求的測(cè)量數(shù)據(jù)就收集起來，一旦有較大的“誤差”的數(shù)據(jù)就拒之千里，這里采用的都是“報(bào)喜不報(bào)憂”的策略，內(nèi)心想盡快地找到那些所謂“有力的證據(jù)”來直接驗(yàn)證自己“心中已有”的結(jié)論來了事。試想，通過教材中這樣的“本本”實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論，就是“所謂”的科學(xué)探究過程，科學(xué)的成分一定會(huì)“縮水”，久而久之，學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)何在？學(xué)生崇尚的科學(xué)精神又將何存？

2.2.1 對(duì)并聯(lián)電路中電流規(guī)律實(shí)驗(yàn)探究過程的反思

筆者在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)原有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入反思，然后進(jìn)行改進(jìn)和提升。

(1)針對(duì)電源電壓不能隨便改變的情況，教師完全可以把問題攬下來，在紙盒里放入串聯(lián)一個(gè)滑動(dòng)變阻器的電池組(由于學(xué)生沒有學(xué)習(xí)滑動(dòng)變阻器原理，不必讓學(xué)生掌握)，告訴學(xué)生這是一個(gè)“魔術(shù)電池”，只要移動(dòng)按鈕(實(shí)質(zhì)是滑動(dòng)變阻器滑片)就可以改變電源電壓，可以實(shí)現(xiàn)更多次測(cè)量，收集更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(2)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的指針式儀表在使用時(shí)要面對(duì)指針調(diào)零、量程的選擇、誤差大等各種挑戰(zhàn)，筆者將數(shù)字化傳感器融入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，基于EDISlab pro軟件系統(tǒng)中的電流傳感器取代指針電流表，同時(shí)采用串聯(lián)滑動(dòng)變阻器的方式改變電流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，運(yùn)用3只電流傳感器進(jìn)行并聯(lián)電路的電流規(guī)律實(shí)驗(yàn)(如圖1所示)，既省時(shí)也高效。

圖1 探究并聯(lián)電路中電流規(guī)律的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置

(3)對(duì)于并聯(lián)電路中的電流規(guī)律的實(shí)驗(yàn)探究決不能拘泥于只有兩條支路的簡單電路中，因?yàn)榻處熢诎才艑W(xué)生收集好課本上的兩條支路電路組成的并聯(lián)電路電流的數(shù)據(jù)后，就和盤托出并聯(lián)電路中的電流規(guī)律：并聯(lián)電路中干路上的電流等于各支路上的電流之和，寫為I總=I1+I2+I3+……+In，很明顯，這就是直接告訴學(xué)生的結(jié)論。我們完全可以添加一只小燈泡和幾根導(dǎo)線，用現(xiàn)有的電流傳感器，繼續(xù)探究下去，如圖2所示，運(yùn)用電流傳感器1測(cè)出L1、L2的并聯(lián)電流，電流傳感器2測(cè)出L3電流，電流傳感器3測(cè)出干路上電流。但是，并不是連接的電路都在正常情況下工作，假設(shè)其中任意一個(gè)或者兩個(gè)燈泡斷路(如L2、L3同時(shí)斷路，只有L1正常發(fā)光)，以下是學(xué)生在實(shí)際操作過程中收集到的數(shù)據(jù)(見表1)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)表中第4組和第5組數(shù)據(jù)有支路電流為零的現(xiàn)象存在,學(xué)生根據(jù)燈泡的發(fā)光情況，發(fā)現(xiàn)是由于該傳感器所在的支路出現(xiàn)斷路造成的，我們可以大膽的提問：并聯(lián)電路中的電流規(guī)律還適用嗎？這種特殊情況的電路狀態(tài)在實(shí)際操作時(shí)是完全可能存在的，教師對(duì)于學(xué)生探究過程中得出的這類數(shù)據(jù)，要么視而不見，要么就當(dāng)做“異類”數(shù)據(jù)清除出列，這種理想化的實(shí)驗(yàn)，這種不接地氣的探究符合科學(xué)探究的要求嗎？教師應(yīng)正視這類問題，讓學(xué)生優(yōu)化創(chuàng)新測(cè)量方法和提升測(cè)量手段，再得出以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論的證據(jù)會(huì)更充分，論證的力度更凸顯。

圖2 實(shí)驗(yàn)電路圖1

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1

2.2.2 對(duì)串聯(lián)電路中電壓規(guī)律實(shí)驗(yàn)探究過程的反思

教師在安排學(xué)生按照教材中的實(shí)驗(yàn)要求，運(yùn)用指針式電壓表進(jìn)行串、并聯(lián)電路實(shí)驗(yàn)操作，再引導(dǎo)學(xué)生分析僅有的3組數(shù)據(jù)后得出各自的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，就萬事大吉了。其實(shí)我們的探究不能淺嘗輒止，完全可以運(yùn)用數(shù)字化器材探究串聯(lián)電路中電壓規(guī)律實(shí)驗(yàn)，展開全方位的探究，同時(shí)運(yùn)用上文中“魔術(shù)電池”進(jìn)行多次測(cè)量。圖3是探究串聯(lián)電路中電壓規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置。讓學(xué)生親自去體驗(yàn)科技手段的使用對(duì)物理實(shí)驗(yàn)探究的便捷性和高效性，從內(nèi)心深處認(rèn)識(shí)到科技是第一生產(chǎn)力的重要性。此時(shí)，我們會(huì)由此直接推理得出串聯(lián)電路中的電壓規(guī)律：串聯(lián)電路兩端的總電壓等于各串聯(lián)部分兩端的電壓之和，寫為U總=U1+U2+U3+……+Un，學(xué)生完全可以增加燈泡和導(dǎo)線，運(yùn)用電壓傳感器1測(cè)出L1、L2的共同電壓，電壓傳感器2測(cè)出L3電壓(如圖4所示)；也可以變換著電壓傳感器進(jìn)行探究(如可以先測(cè)出L2、L3的串聯(lián)電壓，再測(cè)L1電壓等方法)。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)遇到電路中用電器斷路和局部電路短路情況的發(fā)生，讓學(xué)生一定要收集這些在實(shí)驗(yàn)過程中自然發(fā)生的數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生要“一視同仁”地對(duì)待這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且要進(jìn)行認(rèn)真分析論證。表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就是筆者在實(shí)驗(yàn)中指導(dǎo)學(xué)生收集起來的第一手資料，學(xué)生驚奇地發(fā)現(xiàn)第4組數(shù)據(jù)中U2=0，而且所有的燈泡都是不亮的，通過教師的點(diǎn)撥和學(xué)生反復(fù)思考后發(fā)現(xiàn)被測(cè)量的電路中與電壓傳感器1并聯(lián)的那部分電路出現(xiàn)了斷路的原因；第6組數(shù)據(jù)中U1=0.06 V，這時(shí)候，也有學(xué)生回答：“這是由于電路中與電壓傳感器2并聯(lián)的那部分電路出現(xiàn)了斷路情況”。教師這時(shí)候用懷疑的語氣反問：“是真的嗎？你依據(jù)是什么？”學(xué)生細(xì)想后發(fā)現(xiàn)了問題，雖然數(shù)值很小但是不為零，其中電路中還是有燈泡發(fā)光的，與第4組數(shù)據(jù)還是有區(qū)別的，終于找到故障的原因是與電壓傳感器1并聯(lián)的那部分電路出現(xiàn)了短路。

圖3 探究串聯(lián)電路中電壓規(guī)律的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 實(shí)驗(yàn)電路圖2

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2

只有讓學(xué)生深入到實(shí)驗(yàn)的整個(gè)探究活動(dòng)實(shí)際情形中，才能體會(huì)探究過程的艱辛，才能感悟到科學(xué)規(guī)律得來的不易，只有這樣，才能有目標(biāo)地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的優(yōu)良品質(zhì)。

當(dāng)下教師的課堂教學(xué)行為受制于“教學(xué)要求”“考試說明”，要求教師按照“知識(shí)點(diǎn)”的形式傳授內(nèi)容，將物理知識(shí)人為地進(jìn)行分割、點(diǎn)狀羅列。依據(jù)這些“要求”，教師必須針對(duì)教材中知識(shí)點(diǎn)靶向性地設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，按照“本本”完成系列探究任務(wù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，象征性、千人一面地進(jìn)行評(píng)估和反思。一旦發(fā)現(xiàn)理想與現(xiàn)實(shí)之間出現(xiàn)距離后，教師再次以不同面目的問題去強(qiáng)化、鞏固相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。于是，“應(yīng)試教育”“題海戰(zhàn)術(shù)”就成為當(dāng)下教學(xué)過程中可以理解的現(xiàn)象。就像上文中的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)就可以同時(shí)探究并聯(lián)電路中短路和串聯(lián)電路中斷路時(shí)電流和電壓的特點(diǎn)，但是，在現(xiàn)實(shí)教學(xué)中，教師都是習(xí)慣將這些問題設(shè)立專題進(jìn)行探究，甚至將判別的理論或經(jīng)驗(yàn)直接告訴學(xué)生，根本無暇探究，既加重了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)荷，也重復(fù)了實(shí)驗(yàn)過程，屬于亡羊補(bǔ)牢的教學(xué)。這也是導(dǎo)致科學(xué)探究過程空心化、形式化泛濫的重要原因，嚴(yán)重阻礙了學(xué)生的科學(xué)探究的真實(shí)開展。

2.3 學(xué)生評(píng)價(jià)和學(xué)生發(fā)表觀點(diǎn)的反思

在實(shí)際教學(xué)中，教師的知識(shí)本位和學(xué)科本位思想根深蒂固，中考考試的內(nèi)容是至高無上的要求，圍繞“本本”去完成教學(xué)無可厚非。學(xué)生科學(xué)探究的水平和能力會(huì)直接影響到自我評(píng)價(jià)的高度和觀點(diǎn)發(fā)表的深度。這就要求教師一定要理解和吃透科學(xué)探究的內(nèi)涵，回答出“我為什么這樣探究？”“我探究得怎么樣？”“為什么組織學(xué)生這樣探究？”這三個(gè)問題。只有這樣，才能清醒的認(rèn)識(shí)到我們平時(shí)實(shí)驗(yàn)探究得出的僅僅是學(xué)科知識(shí)、淺層能力等剛性層面的內(nèi)核，完全是應(yīng)試方面的能力。殊不知，科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的重要因素，是核心中的核心。我們塑造的學(xué)生是一個(gè)完整的有血有肉、有思維、有情感的人，一定要站在核心素養(yǎng)的高度對(duì)學(xué)生的自我評(píng)價(jià)和發(fā)表的觀點(diǎn)進(jìn)行反思。

3 結(jié)語

從浙江省特級(jí)教師吳加澍教師提出“實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，思維為中心”的優(yōu)化課堂教學(xué)策略中我們可以悟出科學(xué)探究的本質(zhì)就是“實(shí)驗(yàn)+思維”，這是科學(xué)探究的“硬件+軟件”。誠然，如何保證我們真正在科學(xué)地探究實(shí)驗(yàn)，首先取決于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)器材的選擇，有了好的設(shè)計(jì)方案就是走向成功的路線圖；優(yōu)化實(shí)驗(yàn)器材是獲取成功的必要保障。其次，是否培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力是科學(xué)探究活動(dòng)成效的硬性指標(biāo)，科學(xué)思維是學(xué)生在物理學(xué)科叢林中披荊斬棘的一把利器，永遠(yuǎn)不能丟。教師在科學(xué)探究活動(dòng)中的作用不可小覷，一定要樹立正確的學(xué)生觀、課程觀，還要有深厚的教育情懷，將鮮活的學(xué)生群體置于探究活動(dòng)的中心，教師應(yīng)是引導(dǎo)者、方法的建立者，絕不是簡單的知識(shí)傳授者。唯有懷揣夢(mèng)想的教師帶領(lǐng)學(xué)生在科學(xué)探究的道路上做個(gè)堅(jiān)定的踐行者，才能縮短與理想的彼岸之間的距離。