基于核心素養(yǎng)下高考中“電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻測(cè)量”實(shí)驗(yàn)的思考

于佳琪　劉高福

摘? ?要：物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有實(shí)踐性、直觀性、實(shí)證性、操作性和創(chuàng)新性等特點(diǎn)，能夠有效幫助學(xué)生理解和應(yīng)用物理知識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)操作能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作和直接觀察物理現(xiàn)象，可以幫助學(xué)生更深入地理解和記憶理論知識(shí)，并通過(guò)實(shí)際測(cè)量和數(shù)據(jù)分析，直接獲得結(jié)果，提高對(duì)物理概念的直觀理解。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮創(chuàng)新性，利用自身的想象力設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，妥善處理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，并提出自己的觀察和結(jié)論，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維的形成。以高考題目“電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻測(cè)量”為切入點(diǎn)，幫助學(xué)生理解和應(yīng)用物理知識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)操作能力。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；核心素養(yǎng)；高考物理

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2024）6-0046-5

物理學(xué)包括實(shí)驗(yàn)和理論研究。物理學(xué)探究自然界中物質(zhì)和能量的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性，以及它們相互作用的規(guī)律和現(xiàn)象。通過(guò)物理學(xué)的研究，人們可以更深入地了解自然界的本質(zhì)和內(nèi)在規(guī)律。而物理實(shí)驗(yàn)不僅是解答物理問(wèn)題的有效途徑與根本方法，也是高中物理教學(xué)的重要手段，對(duì)于學(xué)生探究能力、邏輯能力、思考能力的增強(qiáng)具有重要的促進(jìn)作用［１-２］。黨的十九大報(bào)告強(qiáng)調(diào)，堅(jiān)持立德樹(shù)人的根本任務(wù)，深入落實(shí)黨的教育理念，推動(dòng)學(xué)生的均衡發(fā)展，培養(yǎng)德智體美勞協(xié)同發(fā)展的優(yōu)秀人才，為社會(huì)主義建設(shè)輸送新鮮血液，是我國(guó)教育事業(yè)的根本任務(wù)。高中物理課標(biāo)中提出物理學(xué)科核心素養(yǎng)，使物理教學(xué)有落腳點(diǎn)。本文結(jié)合高考實(shí)驗(yàn)真題，以電學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)典案例“電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻測(cè)量”為例，對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)展開(kāi)思考［３］。

１? ? 高考的電學(xué)實(shí)驗(yàn)真題分析

１．１? ? 電學(xué)實(shí)驗(yàn)在高考中的地位

高中物理的物理觀念主要包括物質(zhì)觀念、能量觀念以及運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念三個(gè)組成部分。在高中物理教學(xué)中，電學(xué)有著非常重要的地位，電學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)更是可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量變化的重要途徑。高中教材中，電學(xué)實(shí)驗(yàn)共有三部分，分別為導(dǎo)體電阻率的測(cè)量、練習(xí)使用多用電表、電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻測(cè)量，其中電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻測(cè)量在高考試卷中多次出現(xiàn)，考查多以實(shí)驗(yàn)題呈現(xiàn)，考查內(nèi)容豐富，考查要點(diǎn)覆蓋面廣。電學(xué)實(shí)驗(yàn)在高中物理課堂教學(xué)和高考題目中都占據(jù)著重要地位［３-４］。作為一名一線教師應(yīng)該更加注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性，以幫助學(xué)生掌握相關(guān)物理概念，培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，而不僅僅是為了教學(xué)和考試而教學(xué)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，教師要組織學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，提出問(wèn)題和思考，激發(fā)他們的興趣和好奇心。同時(shí)，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等，促進(jìn)學(xué)生分析能力、創(chuàng)新能力的提升。

１．２? ? 高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)真題及分析

（２０２１年全國(guó)乙卷第１０題） 一實(shí)驗(yàn)小組利用圖1（ａ）所示的電路測(cè)量一電池的電動(dòng)勢(shì)Ｅ（約1.5 V）和內(nèi)阻ｒ（小于2 Ω）。圖中電壓表量程為1 V，內(nèi)阻RV=380.0 Ω；定值電阻R0=20.0 Ω；電阻箱Ｒ，最大阻值為999.9 Ω；開(kāi)關(guān)Ｓ。按電路圖連接電路。完成下列填空：

本題為電路原理圖設(shè)計(jì)，旨在能從減小誤差的角度對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并計(jì)算出相應(yīng)的結(jié)果，對(duì)于學(xué)生的探究能力以及數(shù)據(jù)分析、處理能力有著比較高的要求。本題的核心為理解閉合電路歐姆定律，考查學(xué)生對(duì)圖像數(shù)據(jù)的觀察能力和數(shù)據(jù)處理能力，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)電路原理圖厘清電壓表示數(shù)Ｕ及電阻箱示數(shù)Ｒ之間的關(guān)系，從而計(jì)算電源電動(dòng)勢(shì)Ｅ和內(nèi)阻ｒ。

針對(duì)本題，對(duì)其所考查內(nèi)容的物理核心素養(yǎng)水平進(jìn)行劃分（表１）?？梢?jiàn)，高考將物理核心素養(yǎng)作為關(guān)注的重點(diǎn)，主要表現(xiàn)為對(duì)物理知識(shí)的理解和應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理以及誤差分析等方面的綜合能力考查。而這些實(shí)驗(yàn)往往出自教材，且有所改編，所以在對(duì)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)部分進(jìn)行教學(xué)時(shí)，要注重引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的物理觀念、科學(xué)思維，感受到物理學(xué)科的魅力，并全身心地投入教學(xué)活動(dòng)中。

２? ? 電學(xué)實(shí)驗(yàn)考查形式及要點(diǎn)

基于以上分析，筆者發(fā)現(xiàn)電學(xué)知識(shí)以實(shí)驗(yàn)考查的方式出現(xiàn)在高考試題中，設(shè)問(wèn)形式也較為簡(jiǎn)單，一般是在實(shí)驗(yàn)探究背景下，考查學(xué)生對(duì)電學(xué)器件的選擇、實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)、電路故障分析、數(shù)據(jù)收集與處理以及誤差分析；主要評(píng)估的是學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力以及邏輯思維能力，對(duì)物理問(wèn)題的探究能力，對(duì)具體器材的操作能力，符合新課程改革對(duì)物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求以及高考學(xué)業(yè)水平的劃分要求［５］。

電學(xué)實(shí)驗(yàn)的考查題目大體分為兩大類：第一類為三個(gè)實(shí)驗(yàn)（即導(dǎo)體電阻率的測(cè)量、多用途電表的使用、電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻測(cè)量）的原型或稍微改編的實(shí)驗(yàn)；第二類為在此基礎(chǔ)上的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，例如，２０２２年廣東省高考試卷中“判斷彈性導(dǎo)電繩電阻和拉伸后繩長(zhǎng)之間的相互關(guān)系”，２０２２年河北省高考試卷中“將廢棄電飯鍋利用起來(lái)，制作一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)煮飯功能的簡(jiǎn)易電飯鍋”，但總體考查內(nèi)容不變，仍為上述考點(diǎn)。題目設(shè)置也并不難，即使是改編實(shí)驗(yàn)或創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，也都在學(xué)生平常學(xué)習(xí)的范圍內(nèi)，學(xué)生可以在所學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)之上解決問(wèn)題，這實(shí)際上考查的是學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的能力。

３? ? 實(shí)驗(yàn)探究

實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)注重對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用和處理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)推動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思考，不能在已有的知識(shí)上止步不前，要善于思考，并進(jìn)行解決，以幫助學(xué)生思維能力的發(fā)展、探究能力的提升、動(dòng)手能力的培養(yǎng)?；诖耍梢栽O(shè)置一些實(shí)驗(yàn)環(huán)境為學(xué)生探究問(wèn)題提供方向。本次實(shí)驗(yàn)的探究?jī)?nèi)容是：探究?jī)晒?jié)電池串聯(lián)后電源電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻與兩電池的關(guān)系。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生加深對(duì)閉合電路歐姆定律的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生感受假設(shè)猜想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)收集及處理的完整實(shí)驗(yàn)過(guò)程，逐漸樹(shù)立正確的物理觀念，培養(yǎng)出科學(xué)思維，體會(huì)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，體驗(yàn)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

３．１? ? 實(shí)驗(yàn)原理

“電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻測(cè)量”的實(shí)驗(yàn)原理是閉合電路歐姆定律（E=U+Ir）。借助電壓表、電流表進(jìn)行測(cè)量，得到路端電壓Ｕ以及通過(guò)電源的電流Ｉ，在此基礎(chǔ)之上，基于閉合電路歐姆定律計(jì)算出電源的電動(dòng)勢(shì)Ｅ、內(nèi)電阻ｒ。為了消除偶然誤差的負(fù)面影響，可以測(cè)量多組Ｕ、Ｉ的值，并計(jì)算出與之相對(duì)的Ｅ、ｒ，最后計(jì)算出平均值。這一測(cè)量過(guò)程會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理繁瑣，所以在處理數(shù)據(jù)的過(guò)程中，往往會(huì)選擇作圖法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式測(cè)算多組Ｕ、Ｉ的值，繪制Ｉ－Ｕ?qǐng)D像，然后借助縱截距、斜率的絕對(duì)值分別計(jì)算出電源電動(dòng)勢(shì)Ｅ和內(nèi)電阻ｒ，這種方法的操作難度較低，且圖像直觀［５］。

為了使學(xué)生對(duì)閉合電路歐姆定律理解透徹，將本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行升級(jí)。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑樘骄控S藍(lán)１號(hào)電池及南孚電池串聯(lián)后的電源電動(dòng)勢(shì)與二者的電動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生思考并深刻體會(huì)本實(shí)驗(yàn)的操作步驟和實(shí)驗(yàn)原理［６］。

３．２? ? 實(shí)驗(yàn)步驟

ａ.確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康模O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟；

ｂ.作出實(shí)驗(yàn)電路圖（圖２），明確所需測(cè)量的物理量；

ｃ.準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材，根據(jù)電路圖連接電路實(shí)物圖；

ｄ.連接好以豐藍(lán)１號(hào)電池為舊電池的電路（圖３），進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

ｅ.移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，測(cè)量出５組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

ｆ.更換電源，分別為南孚電池及兩電池串聯(lián)（豐藍(lán)１號(hào)電池和南孚電池），電池是舊電池（圖４、圖５），重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、處理。

３．３? ? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)及數(shù)據(jù)測(cè)量，得到以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像。表２是豐藍(lán)１號(hào)電池實(shí)驗(yàn)的Ｉ－Ｕ數(shù)據(jù)，圖６是豐藍(lán)１號(hào)電池的Ｉ－Ｕ?qǐng)D像，可見(jiàn)電流隨著電壓的減小而減小；表３是南孚電池實(shí)驗(yàn)的Ｉ－Ｕ數(shù)據(jù)，圖７是南孚電池的Ｉ－Ｕ?qǐng)D像，同理其電流隨著電壓的減小而減小；表４是豐藍(lán)１號(hào)電池與南孚電池串聯(lián)實(shí)驗(yàn)的Ｉ－Ｕ數(shù)據(jù)，圖８是豐藍(lán)１號(hào)電池與南孚電池串聯(lián)的Ｉ－Ｕ?qǐng)D像，其電流隨著電壓的減小依舊減小。

３．４? ? 基于核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了閉合電路歐姆定律，并有了一定程度的理解，具備相應(yīng)的物理觀念，且可以根據(jù)串聯(lián)電路的特點(diǎn)對(duì)“兩電池串聯(lián)后電動(dòng)勢(shì)及內(nèi)阻的關(guān)系”進(jìn)行猜測(cè)。因此，可以充分發(fā)揮學(xué)生的物理思維，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中結(jié)合已有物理觀念及物理思維對(duì)物理探究能力進(jìn)行培養(yǎng)。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，幫助學(xué)生理解Ｉ－Ｕ?qǐng)D像的物理意義及其直觀性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識(shí)［７］。同時(shí)，利用三組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證串聯(lián)電源電動(dòng)勢(shì)及內(nèi)阻之間的關(guān)系，即當(dāng)兩電池串聯(lián)時(shí)，所測(cè)得電源電動(dòng)勢(shì)為豐藍(lán)１號(hào)電池與南孚電池電動(dòng)勢(shì)之和，內(nèi)阻同理，即Ｅ＝Ｅ１＋Ｅ２，ｒ＝ｒ１＋ｒ２。

雖然對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了正確的猜想及假設(shè)，但通過(guò)完整的物理實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)猜想及假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證，可使物理實(shí)驗(yàn)完成閉環(huán)，讓學(xué)生意識(shí)到物理學(xué)科的嚴(yán)謹(jǐn)性，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目的。

４? ? 教學(xué)啟示

在上述實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)步驟簡(jiǎn)單，操作起來(lái)容易，但這種簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)教學(xué)卻為學(xué)生提供了深入思考的空間。學(xué)生可以思考關(guān)于電池并聯(lián)測(cè)量數(shù)據(jù)的關(guān)系，以及為什么在測(cè)量中要使用舊電池，使用多久的舊電池測(cè)量效果最好，電池的供電壽命等問(wèn)題。通過(guò)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)判斷這些問(wèn)題，可以讓學(xué)生直觀地解決遇到的疑問(wèn)。同時(shí)，可以改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材，提高高中物理實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性；對(duì)電路設(shè)計(jì)提出改進(jìn)，如電流表的內(nèi)接與外接、滑動(dòng)變阻器的分壓式接入與限流式接入對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差的影響等［８］。這些問(wèn)題可以以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)際探究，并根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。通過(guò)解決學(xué)生疑問(wèn)激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生學(xué)習(xí)物理具有積極性和動(dòng)力。通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，他們?cè)诿鎸?duì)陌生的題目時(shí)能夠擁有獨(dú)立的思維空間，學(xué)習(xí)是為了解決問(wèn)題，而不是為了考試。

正確的物理觀念是學(xué)習(xí)物理的基礎(chǔ)。在物理教學(xué)中，不僅需要學(xué)生掌握物理概念的定義和表達(dá)式，更需要通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)深刻理解和體會(huì)物理概念的含義。同時(shí)，應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揚(yáng)質(zhì)疑精神，挑戰(zhàn)前人的智慧，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究來(lái)加深理解，真正掌握物理知識(shí)。在教學(xué)過(guò)程中，教師要將學(xué)生思維能力的提升作為關(guān)注的重點(diǎn)，引導(dǎo)他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中思考問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、提出問(wèn)題并解決問(wèn)題，從而促進(jìn)其創(chuàng)新思維、科學(xué)精神的形成。通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生不僅可以掌握物理知識(shí)，還能夠發(fā)展自己的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力，為后續(xù)科學(xué)研究以及實(shí)驗(yàn)活動(dòng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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（欄目編輯? ? 陳? ?潔）

收稿日期：2024-01-04

基金項(xiàng)目：貴州師范學(xué)院與貴州師范大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)教育碩士專業(yè)學(xué)位研究生專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目“基于核心素養(yǎng)下高中物理探究實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用研究”（２０２２ＹＪＳ０６）；２０２２ 年貴州省本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目“基于課程思政的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革與實(shí)踐研究”。

作者簡(jiǎn)介：于佳琪（１９９８－），女，貴州師范學(xué)院與貴州師范大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)研究生，主要從事學(xué)科教學(xué)物理研究。

*通信作者：劉高福（１９８０-），男，貴州師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院教授，主要從事物理教學(xué)論和凝聚態(tài)物理研究。