學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下的高中物理實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)

王國(guó)園

摘 要：物理實(shí)驗(yàn)不僅是重要的教學(xué)方式，同時(shí)也是高中物理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。物理學(xué)習(xí)進(jìn)階是在一定的教學(xué)影響下，學(xué)生的某一知識(shí)和素養(yǎng)隨時(shí)間不斷提升的過程。本文在分析進(jìn)階起點(diǎn)、預(yù)設(shè)進(jìn)階目標(biāo)、診斷進(jìn)階障礙的基礎(chǔ)上，探究學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下的電學(xué)實(shí)驗(yàn)一輪復(fù)習(xí)的教學(xué)路徑，以提高復(fù)習(xí)效率，不斷增強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)意識(shí)，促進(jìn)學(xué)生理解物理學(xué)科的科學(xué)本質(zhì)，提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進(jìn)階;電學(xué)實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?物理思維

一、問題緣起

物理實(shí)驗(yàn)不僅是重要的教學(xué)方式和手段，同時(shí)也是高中物理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過自主探究和合作實(shí)驗(yàn)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不斷增強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)意識(shí)，多角度地將實(shí)驗(yàn)和知識(shí)相結(jié)合，理解物理學(xué)科的科學(xué)本質(zhì)，提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。高考也非常重視對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的考查，近年高考不僅增多了實(shí)驗(yàn)試題的數(shù)量和分量，而且考查方式多樣、靈活、新穎，更側(cè)重于通過思維推導(dǎo)來考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)思想和方法的理解[1]。實(shí)驗(yàn)考查內(nèi)容趨于多元化、生活化，不再是單純地考查某一個(gè)實(shí)驗(yàn)，而是將多個(gè)實(shí)驗(yàn)交叉和組合[2]。

近年來，學(xué)習(xí)進(jìn)階理論逐漸應(yīng)用到學(xué)科教學(xué)中[3]。將學(xué)習(xí)進(jìn)階理論應(yīng)用于物理教學(xué)，物理學(xué)習(xí)進(jìn)階是在一定的教學(xué)影響下，學(xué)生的某一知識(shí)和素養(yǎng)隨時(shí)間不斷提升的過程。根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，筆者將高中物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)進(jìn)行分段，分析新課教學(xué)、一輪復(fù)習(xí)、二輪復(fù)習(xí)、三輪復(fù)習(xí)中的學(xué)習(xí)情境和學(xué)習(xí)目標(biāo)。新授課階段，大多問題都是簡(jiǎn)單的物理情境，學(xué)生要能夠認(rèn)識(shí)基本的電學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，對(duì)每個(gè)具體實(shí)驗(yàn)的原理也要有一定程度的理解，能夠簡(jiǎn)單分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和推理實(shí)驗(yàn)結(jié)論。但大部分學(xué)生在新課教學(xué)中往往只關(guān)注單個(gè)實(shí)驗(yàn)的理解，對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法和原理缺乏橫向聯(lián)系和整體的認(rèn)識(shí)。一輪復(fù)習(xí)是溫故知新的過程，重在打破教材原有章節(jié)的界限，在逐步深入的過程中生成新的知識(shí)，這樣可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到各個(gè)實(shí)驗(yàn)之間是有聯(lián)系的，激發(fā)學(xué)生思考事物內(nèi)在聯(lián)系的意識(shí)。一輪復(fù)習(xí)課既要?jiǎng)?chuàng)設(shè)綜合的物理情境，也要?jiǎng)?chuàng)設(shè)簡(jiǎn)單的現(xiàn)實(shí)情境，在情境中引導(dǎo)學(xué)生重組和建構(gòu)實(shí)驗(yàn)原理和方法，使用證據(jù)從不同角度表達(dá)結(jié)論，以此來提升學(xué)生的綜合分析能力。電學(xué)知識(shí)內(nèi)容較多，綜合性較強(qiáng)，所以還要有二輪復(fù)習(xí)和三輪復(fù)習(xí)。二輪復(fù)習(xí)過程中不能再局限于教材實(shí)驗(yàn)，需要循序漸進(jìn)地引入一些學(xué)生熟悉的現(xiàn)實(shí)情境，學(xué)生運(yùn)用基本實(shí)驗(yàn)知識(shí)處理熟悉的實(shí)際問題，引導(dǎo)學(xué)生能夠?qū)σ延薪Y(jié)論提出有依據(jù)的質(zhì)疑，培養(yǎng)學(xué)生遷移與運(yùn)用實(shí)驗(yàn)原理和方法的能力。三輪復(fù)習(xí)課需要分析近年高考動(dòng)態(tài)以進(jìn)一步拓展延伸，創(chuàng)設(shè)綜合的、新穎的現(xiàn)實(shí)情境，在真實(shí)情境中將不同階段的同一核心概念循序漸進(jìn)地有機(jī)整合，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和方法的理解。

二、學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下的電學(xué)實(shí)驗(yàn)一輪復(fù)習(xí)課教學(xué)分析

在高一高二的學(xué)習(xí)中，教師和學(xué)生往往關(guān)注各個(gè)基本知識(shí)點(diǎn)的建構(gòu)和運(yùn)用，知識(shí)呈現(xiàn)碎片化。一旦綜合考查電學(xué)的實(shí)驗(yàn)，便出現(xiàn)五花八門的錯(cuò)誤。為了突破這個(gè)局限，根據(jù)課標(biāo)要求，筆者嘗試將“學(xué)習(xí)進(jìn)階”理論應(yīng)用于電學(xué)實(shí)驗(yàn)一輪復(fù)習(xí)，尋找合適的學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑，設(shè)置適合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的“腳踏點(diǎn)”，引領(lǐng)學(xué)生實(shí)現(xiàn)概念重構(gòu)和知識(shí)聯(lián)結(jié)。

（一）進(jìn)階起點(diǎn)分析

電學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多，涉及歐姆定律、電流表和電壓表、滑動(dòng)變阻器等的深刻理解，還有儀器儀表讀數(shù)問題、圖像轉(zhuǎn)換、相關(guān)變式等，所涉及的實(shí)驗(yàn)方法和儀器組合的方式較多，并且各個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器的選擇和實(shí)驗(yàn)原理之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，考查情境變化多樣，綜合性較強(qiáng)。并且雖然近年高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)仍然是以中學(xué)物理基本知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方法為基礎(chǔ)考查，但為了防止學(xué)生背題套題，都是考查“新實(shí)驗(yàn)”，這就要求學(xué)生要有較高的分析能力和知識(shí)遷移能力，但高三學(xué)生知識(shí)遷移能力較弱，常常需要教師通過不斷總結(jié)和拓展來引導(dǎo)學(xué)生理解。

（二）進(jìn)階目標(biāo)預(yù)設(shè)

依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，結(jié)合近年高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，把教學(xué)目標(biāo)分解成多個(gè)層級(jí)，在教學(xué)中逐步進(jìn)階，達(dá)到進(jìn)階終點(diǎn)。

一級(jí)目標(biāo)：識(shí)別并了解常見電路元器件及其在電路中的作用，掌握常用儀器的讀數(shù)方法，能夠選擇合適的實(shí)驗(yàn)儀器和電路完成實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力;

二級(jí)目標(biāo)：以教材中經(jīng)典的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為原型，理解各個(gè)實(shí)驗(yàn)原理，掌握各個(gè)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量步驟和操作方法，能夠用文字、公式簡(jiǎn)單表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生分析處理數(shù)據(jù)的能力;

三級(jí)目標(biāo)：能夠綜合考慮實(shí)驗(yàn)原則來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，掌握利用圖像、公式等來表達(dá)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，發(fā)展學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)處理問題的能力。

（三）進(jìn)階障礙診斷

根據(jù)以上分析，學(xué)生可能存在以下困難：1.難以選擇儀器和量程。大多數(shù)學(xué)生都知道儀器和量程的選擇要考慮安全、誤差、便捷等因素，但在實(shí)際問題中，如何運(yùn)用這些原則準(zhǔn)確選擇呢？2.如何接入電流表，內(nèi)接？外接？有哪些區(qū)別？不少同學(xué)只是知道“大內(nèi)偏大，小外偏小”，而不知道它的來龍去脈，在具體問題中不能正確做出選擇。3.如何正確選擇滑動(dòng)變阻器，分壓還是限流如何接入？4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和誤差的分析對(duì)大多數(shù)學(xué)生來說更是不知所措。

三、教學(xué)實(shí)踐過程——以“伏安法測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)”為例

梳理歷年高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所占比例最大的就是應(yīng)用各種方法測(cè)電阻的探究性實(shí)驗(yàn)[4]。電阻雖然有很多種測(cè)量方法，但都是對(duì)伏安法的拓展?！皟x器的選擇”和“電路的設(shè)計(jì)”是測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)基本問題。筆者擬從伏安法測(cè)電阻入手，把涉及的知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)方法為主線串聯(lián)起來，將類似的實(shí)驗(yàn)歸納總結(jié)，先提煉各個(gè)實(shí)驗(yàn)的主要思想方法和實(shí)驗(yàn)原理的共性，再分析每個(gè)實(shí)驗(yàn)的具體方法和特點(diǎn)，分別梳理個(gè)性問題，并進(jìn)行適當(dāng)比較。通過微專題的方式，以教材中的典型實(shí)驗(yàn)作鋪墊，以思維發(fā)展為前提，設(shè)置多個(gè)中間層級(jí)，由淺入深地實(shí)現(xiàn)認(rèn)知和思維的進(jìn)階。

（一）進(jìn)階一級(jí)：厘清概念，完善認(rèn)知

這一階段主要是識(shí)記和理解的低階思維，重在復(fù)習(xí)和落實(shí)基本實(shí)驗(yàn)知識(shí)和方法，厘清不同實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)驗(yàn)儀器的區(qū)別，這部分知識(shí)是后續(xù)各個(gè)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的必備知識(shí)，聯(lián)系著實(shí)驗(yàn)的誤差分析，是后續(xù)進(jìn)階的基礎(chǔ)。

在教學(xué)中，首先，帶領(lǐng)學(xué)生重返實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)歷各個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作過程，學(xué)習(xí)電學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，以設(shè)計(jì)者、實(shí)驗(yàn)者的身份真正參與一系列探究活動(dòng)和思考活動(dòng)，在不斷操作、糾錯(cuò)、補(bǔ)漏、交流的過程中，加深理解各個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器和原理，訓(xùn)練各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技能，掌握基本實(shí)驗(yàn)的方法和思想。學(xué)生要正確讀出電表、螺旋測(cè)微器、游標(biāo)卡尺等示數(shù)，理解電壓表和電流表的由來和“同一性”。緊接著，讓學(xué)生做實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)的思維導(dǎo)圖，小組討論，教師分模塊補(bǔ)充和總結(jié)。

電流表的內(nèi)外接法一直是教學(xué)難點(diǎn)，即使高三學(xué)生也是屢做屢錯(cuò)，是這一進(jìn)階過程的重點(diǎn)。準(zhǔn)確把握學(xué)生的認(rèn)知起點(diǎn)和思維障礙，結(jié)合原型實(shí)驗(yàn)，選擇典型實(shí)例，以具體問題情境為載體，擊破學(xué)習(xí)難點(diǎn)。

例1：現(xiàn)想測(cè)一個(gè)電阻的準(zhǔn)確阻值（約為10Ω），器材有電壓表V（量程為3V，內(nèi)阻約為1kΩ）;電流表A（量程為300mA，內(nèi)阻為1Ω）。

問題1：如何接入電流表？這個(gè)問題跟我們之前遇到的有什么不同？

大多數(shù)同學(xué)會(huì)思維定式地從“大內(nèi)小外”的角度，直接選擇外接法。由此反映出學(xué)生只是記住了“大內(nèi)小外”的結(jié)論，而沒有理解本質(zhì)。

在復(fù)習(xí)伊始，先通過具體的實(shí)驗(yàn)儀器喚醒學(xué)生對(duì)電流表相關(guān)知識(shí)的記憶，然后以這一典型例題為載體來引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，再結(jié)合改裝原理說明電流表的本質(zhì)，以及其分壓的原因，幫助學(xué)生真正理解和領(lǐng)會(huì)電流表的內(nèi)外接法的原因和選擇原則，引導(dǎo)學(xué)生感悟誤差分析的方法，一步步擊破學(xué)習(xí)難點(diǎn)。

問題2：如果電流表的準(zhǔn)確內(nèi)阻已知，就要內(nèi)接法接入電流表。如果電壓表和電流表的準(zhǔn)確內(nèi)阻都已知，那如何接入電流表？測(cè)量結(jié)果偏大還是偏??？

在學(xué)生理解了電流表本質(zhì)的基礎(chǔ)上，教師進(jìn)一步提出問題2，引發(fā)學(xué)生深度思考，深化學(xué)生對(duì)電流表和電壓表的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力。

（二）尋階而上：分析現(xiàn)象，串聯(lián)知識(shí)

在掌握和整合各個(gè)實(shí)驗(yàn)器材原理和方法的基礎(chǔ)上，對(duì)比教材四種實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生要能夠準(zhǔn)確選擇器材和量程，正確連接電路圖和實(shí)物圖，這需要學(xué)生的分析和推理能力。

問題1：測(cè)電阻的課本實(shí)驗(yàn)方案有哪些？每個(gè)電路的優(yōu)缺點(diǎn)有哪些？適用于哪些情況？

從學(xué)生的“已知區(qū)”出發(fā)，挖掘教材實(shí)驗(yàn)，通過提示實(shí)驗(yàn)原理和給定較符合的實(shí)驗(yàn)器材來簡(jiǎn)單化，讓學(xué)生在熟悉的器材環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。先引入例2較簡(jiǎn)單的物理情境，學(xué)生自主選擇器材，設(shè)計(jì)電路圖，分小組在實(shí)驗(yàn)室完成操作。

例2：現(xiàn)要測(cè)定電阻Rx的阻值（約為100Ω），有滑動(dòng)變阻器R（最大阻值為10Ω），電流表（A1量程300mA，內(nèi)阻約為5Ω;A2量程50mA，內(nèi)阻約為1Ω），電壓表（量程3V，內(nèi)阻約為3kΩ;量程15V，內(nèi)阻約為5kΩ），電源（電動(dòng)勢(shì)10V）

問題2：如何選擇電表和量程？如何設(shè)計(jì)電路圖？該實(shí)驗(yàn)有沒有系統(tǒng)誤差？偏大？偏??？如何分析？

在具體操作過程中，教師還要幫助學(xué)生排查電路故障、規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作、進(jìn)行錯(cuò)誤糾正等。在實(shí)驗(yàn)的最后，帶領(lǐng)學(xué)生通過公式和圖表簡(jiǎn)單分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和誤差，喚醒學(xué)生誤差分析的意識(shí)。

新課標(biāo)要求學(xué)生不僅能夠給現(xiàn)有情境制訂出合適的實(shí)驗(yàn)方案，而且自己要從不同角度提出可探究的問題，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材設(shè)計(jì)和調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)驗(yàn)過程，并獲取、分析數(shù)據(jù)和誤差。在例2的基礎(chǔ)上，改造實(shí)驗(yàn)情境，換器材，減器材，讓學(xué)生根據(jù)實(shí)際條件調(diào)整方案，重新設(shè)計(jì)電路。實(shí)現(xiàn)學(xué)生的“已知區(qū)”到“認(rèn)知發(fā)展區(qū)”的進(jìn)階。

變式1：在例2的基礎(chǔ)上，減掉兩個(gè)電壓表，增加電流表（A2量程250mA，內(nèi)阻為5Ω）

問題3：改變例2的實(shí)驗(yàn)器材，只有兩個(gè)電流表，缺少電壓表，如何選擇儀器和量程？如何設(shè)計(jì)電路？

問題4：金屬絲的電阻為？該實(shí)驗(yàn)有沒有系統(tǒng)誤差呢？如何分析？該實(shí)驗(yàn)方案存在哪些缺陷？你將如何改進(jìn)？

問題5：繼續(xù)改變器材，拿掉電流表，只有兩個(gè)電壓表，試著按照變式1的思路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

以例2為鋪墊，通過加、減、換器材的方式來拓展和改造實(shí)驗(yàn)情境，根據(jù)已知條件和內(nèi)在邏輯設(shè)置問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)際條件一步步分析，尋找更精確的實(shí)驗(yàn)方案和測(cè)量方法。

讀出電表示數(shù)之后，還需根據(jù)電路和電表的具體內(nèi)阻來計(jì)算金屬絲的電流和電壓，進(jìn)而求出金屬絲的阻值，并分析可能的系統(tǒng)誤差和偶然誤差，這是一個(gè)難點(diǎn)。分析和結(jié)束數(shù)據(jù)需要很強(qiáng)的處理信息能力與邏輯推理能力，思維跨度較大，這一過程不可能一蹴而就，需要教師的一步步引導(dǎo)。該層級(jí)主要是強(qiáng)化學(xué)生實(shí)驗(yàn)誤差分析和實(shí)驗(yàn)方案評(píng)價(jià)的意識(shí)，這些能力的進(jìn)一步提高還要在之后的進(jìn)階過程中“小碎步”推進(jìn)。

（三）逐級(jí)深化：深化拓展，融會(huì)貫通

除了教材中原有的學(xué)生實(shí)驗(yàn)外，高考還會(huì)以演示實(shí)驗(yàn)、拓展學(xué)習(xí)和“科學(xué)漫步”等為背景，結(jié)合時(shí)事熱點(diǎn)，設(shè)計(jì)綜合、新穎的情境，來考查學(xué)生的知識(shí)遷移能力、思維推理能力和實(shí)驗(yàn)探究能力。

例3：待測(cè)電壓表（量程為3V，刻度清晰，數(shù)字模糊，內(nèi)阻約為5kΩ）;電流表（量程為1mA）;變阻箱R0（0～9999.9Ω）;滑動(dòng)變阻器（R1最大阻值為20Ω，額定電流為1A;R2最大阻值為500Ω，額定電流為0.5mA）;電源（電動(dòng)勢(shì)為9V，內(nèi)阻約為1Ω）;開關(guān)一個(gè)，導(dǎo)線若干。

這是綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)探究的全過程。這一問題不再是學(xué)生常見的實(shí)驗(yàn)，而是綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)探究的全過程。電壓表的刻度清晰，但是數(shù)字模糊，無法直接讀數(shù)，只能直接得到變阻箱接入電路的阻值和電流表的示數(shù)。如何設(shè)計(jì)電路才能由R、I得到電壓表的內(nèi)阻RV，需要學(xué)生有較強(qiáng)的推理能力和創(chuàng)新思維。教師可以在簡(jiǎn)單分析實(shí)驗(yàn)器材的基礎(chǔ)上，直接給出實(shí)驗(yàn)電路圖，再讓學(xué)生選擇需要的滑動(dòng)變阻器，這樣既降低了思考難度，又可以促進(jìn)對(duì)電路的理解。

根據(jù)多組實(shí)驗(yàn)所測(cè)的數(shù)據(jù)選擇橫縱坐標(biāo)繪制圖像，運(yùn)用相關(guān)的物理關(guān)系寫圖像的函數(shù)關(guān)系式，分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，是實(shí)驗(yàn)探究的重要環(huán)節(jié)，也是近年高考的熱點(diǎn)。這一過程體現(xiàn)著學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力和信息加工能力，是高階思維能力，需要逐步培養(yǎng)。教師可以先引導(dǎo)學(xué)生推理得出含有R、I、RV的函數(shù)關(guān)系式，再選擇合適的橫縱坐標(biāo)將其轉(zhuǎn)化為圖像。

問題2：如果在例3中，電流表的刻度清晰但數(shù)字模糊不清，該如何設(shè)計(jì)電路？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案？從實(shí)驗(yàn)原理的角度又存在哪些誤差？

改造例3，改為測(cè)電流表的內(nèi)阻，經(jīng)歷相似的探究過程，通過對(duì)比來加深學(xué)生的理解。由于有上一階段的探究為基礎(chǔ)，這一過程將以學(xué)生自主設(shè)計(jì)和小組討論相結(jié)合的方式得出實(shí)驗(yàn)方案，使得學(xué)生的真實(shí)思維過程充分展現(xiàn)，突出了教學(xué)的開放性、研究性。最后，教師應(yīng)用同屏技術(shù)展示和點(diǎn)評(píng)。

結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，結(jié)合物理思維發(fā)展的需要，抓住學(xué)生的認(rèn)知起點(diǎn)和思維障礙，以專題和微專題的形式整體規(guī)劃電學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)，設(shè)置合理的進(jìn)階層級(jí)。在這些大“階”的基礎(chǔ)上，通過“問題鏈”鋪路搭橋，層層遞進(jìn)，逐步深入，交互式地不斷推進(jìn)著學(xué)生的思考和教學(xué)的發(fā)生，引領(lǐng)學(xué)生實(shí)現(xiàn)概念重構(gòu)和知識(shí)聯(lián)結(jié)，逐步培養(yǎng)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

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