基于核心素養(yǎng)視角下的實(shí)驗(yàn)探究能力培養(yǎng)

李興榮

【摘要】本文基于課堂上學(xué)生對(duì)滑動(dòng)變阻器分壓式接法幾種方案的質(zhì)疑，引導(dǎo)學(xué)生用實(shí)踐檢驗(yàn)猜想。當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中發(fā)現(xiàn)問題時(shí)再結(jié)合理論分析，借助函數(shù)圖像清晰地解釋了分壓式接法的幾種方案的優(yōu)劣。從發(fā)現(xiàn)問題——提出猜想——實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證——理論分析——總結(jié)評(píng)價(jià)等環(huán)實(shí)踐了了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】高中物理 實(shí)驗(yàn)探究 核心素養(yǎng) 物理學(xué)習(xí)內(nèi)化

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）26-0082-02

物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提出，既凸顯出物理學(xué)科的本質(zhì)，又抓住了學(xué)科教育的根本，因此具有重要的育人價(jià)值。于是，基于核心素養(yǎng)理念下的課堂教學(xué)改革在全國(guó)各地掀起了一股學(xué)習(xí)熱潮。

高中物理教科書依據(jù)物理核心素養(yǎng)的要求來(lái)選擇和組織內(nèi)容，有效促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的達(dá)成。如注重選擇與物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、相互作用及能量等相關(guān)的核心內(nèi)容，幫助學(xué)生從物理學(xué)視角認(rèn)識(shí)自然、理解自然，形成物理觀念；注重選擇與學(xué)生“建模、推理、論證、創(chuàng)新”等能力培養(yǎng)有關(guān)的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力；注重從科學(xué)探究的視角選擇內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力；注重從情感態(tài)度價(jià)值觀的視角選擇內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感。

作為一種探索和實(shí)踐，本文在此試圖以《描繪小燈泡伏安特性曲線》實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，談?wù)劰P者在實(shí)際教學(xué)中對(duì)如何實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究能力的培養(yǎng)所做的一些嘗試。

一、堅(jiān)持問題導(dǎo)向，形成探究素養(yǎng)

在伏安法測(cè)電阻的教學(xué)過程中，描繪小燈泡伏安特性曲線的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、器材選擇以及規(guī)范操作，特別是其中涉及到的電路設(shè)計(jì)，一直是電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)問題。筆者將本節(jié)課設(shè)計(jì)成：提出科學(xué)問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、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。案例如下：

一只燈泡的額定電壓為2.5V，額定電流約為0.3A，選用下列實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，盡可能準(zhǔn)確的描繪出小燈泡完整的伏安特性曲線，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)出最合理的實(shí)驗(yàn)電路圖。

A.電源E：電動(dòng)勢(shì)為3.0V，內(nèi)阻不計(jì)；

B.電壓表V：量程為3V，內(nèi)阻約為1；

C.電流表A：量程為0.6A，內(nèi)阻約為0.6；

D.滑動(dòng)變阻器R：最大阻值l0Ω，額定電流0.6A；

E.開關(guān)S，導(dǎo)線若干。

因小燈泡的內(nèi)阻比較小，電壓表的內(nèi)阻比較大，測(cè)量時(shí)電壓表的分流影響不大，所以電流表外接。為了描繪小燈泡完整的伏安特性曲線，要求小燈泡兩端的電壓從零開始逐漸變化到額定電壓，所以滑動(dòng)變阻器應(yīng)該采用分壓式接法。

在課堂教學(xué)過程中要求同學(xué)為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路時(shí)，電流表外接沒有爭(zhēng)議，但在滑動(dòng)變阻器的接法上出現(xiàn)了三種不同的接法，如圖1、圖2、圖3所示。同學(xué)認(rèn)為三種電路都滿足小燈泡兩端電壓從零開始逐漸增大到額定電壓，都滿足實(shí)驗(yàn)要求。從電路圖上看，不難發(fā)現(xiàn)，圖2、圖3所示的電路，當(dāng)滑片置于最左端時(shí)電源處于短路狀態(tài)，這是不允許的。為了保護(hù)電源，后兩種方案將無(wú)法取得小燈泡兩端的電壓為零的數(shù)據(jù)以及較低電壓范圍的數(shù)據(jù)。所以后兩種方案是不可取的。由于筆者沒有用同學(xué)設(shè)計(jì)的后兩種方案做過實(shí)驗(yàn)，單從電路圖上也看不出三種方案的區(qū)別。

二、尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)，發(fā)展探究能力

筆者帶領(lǐng)學(xué)生根據(jù)各自設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以E、r、R、RL分別表示電源電動(dòng)勢(shì)、電源內(nèi)阻、滑動(dòng)變阻器的最大阻值以及小燈泡的內(nèi)阻，k表示滑動(dòng)變阻器左端的部分所占比例。U1、U2、U3分別表示小燈泡所在支路的電壓，根據(jù)閉合電路歐姆定律，可得三個(gè)方案下電壓與k的函數(shù)關(guān)系式分別為（1）、（2）、（3）式如下所示。

（1）

（2）

（3）

函數(shù)關(guān)系式比較復(fù)雜，無(wú)法從關(guān)系式中簡(jiǎn)單比較出三種方案的優(yōu)劣。實(shí)驗(yàn)時(shí)，電源為兩節(jié)干電池（3V，內(nèi)阻取1Ω），小燈泡（2.5V，0.3A），RL約為8.3Ω，滑動(dòng)變阻器R=20Ω。將數(shù)據(jù)代入（1）、（2）、（3）得（4）、（5）、（6）式。

（1）

（2）

（3）

借助作圖工具，分別作出U1、U2、U3與k的函數(shù)圖像，取自變量的定義域?yàn)閇0，1]，圖像如圖4所示。從函數(shù)圖像中可以清晰看出當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片均勻移動(dòng)時(shí)，U1呈較趨于線性關(guān)系接近均勻變化；U2、U3前段變化太快而后段變化較緩慢。也就是說(shuō)，三種方案中方案一能方便地均勻取得零到小燈泡額定電壓范圍內(nèi)的各個(gè)電壓值，而方案二和方案三零附近和額定電壓附近較難均勻測(cè)得多組電壓值。

三、經(jīng)歷探究過程，掌握探究方法

結(jié)合函數(shù)圖像的理論分析完成后，同學(xué)從理論上理解了之前實(shí)驗(yàn)中移動(dòng)滑片時(shí)電壓表的讀數(shù)不均勻變化的原因。接著，筆者請(qǐng)同學(xué)用方案一完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中感受與之前方案的區(qū)別，從而更加加深對(duì)三種方案優(yōu)劣的認(rèn)同感。

通過實(shí)驗(yàn)的探究過程，培養(yǎng)學(xué)生具有科學(xué)探究意識(shí)，能在學(xué)習(xí)和日常生活中發(fā)現(xiàn)問題、提出合理猜測(cè)與假設(shè)；具有設(shè)計(jì)探究方案和獲取證據(jù)的能力，能正確實(shí)施探究方案，使用科技手段和方法收集信息；具有交流與合作的意愿與能力，能準(zhǔn)確表述、評(píng)估和反思探究過程與結(jié)果，掌握探究方法。

四、評(píng)價(jià)與分析

物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的實(shí)驗(yàn)探究的能力是指提出物理問題，并形成猜想和假設(shè)，獲取、處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力。教師基于學(xué)生的疑問引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中（下轉(zhuǎn)176頁(yè)）（上接82頁(yè)）檢驗(yàn)猜想是否成立。當(dāng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片發(fā)現(xiàn)電壓的變化不均勻時(shí)再次回到理論，用閉合電路歐姆定律推導(dǎo)出電壓和滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)比例的函數(shù)關(guān)系式并借助函數(shù)圖像清晰地展示了三種方案的優(yōu)劣。從發(fā)現(xiàn)問題——提出猜想——實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證——理論分析——總結(jié)評(píng)價(jià)等步驟完成了整個(gè)問題的探究，有助于提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

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