以解決實(shí)際問題提升核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐
——以“測繪小燈泡伏安特性曲線”實(shí)驗(yàn)課為例

廖文斌

（福州高級(jí)中學(xué)，福建 福州 350007）

實(shí)驗(yàn)是物理這門自然科學(xué)的基石，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理學(xué)科教學(xué)的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中可以深入挖掘?qū)嶒?yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)分析、實(shí)驗(yàn)思想等方面的知識(shí)價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)科的角度形成對(duì)物理學(xué)的整體認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生構(gòu)建更科學(xué)、更嚴(yán)密的學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。［1］在學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的過程中，會(huì)伴隨實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行產(chǎn)生各種各樣的實(shí)際問題，而學(xué)生的科學(xué)思維、探究能力，以及科學(xué)態(tài)度和責(zé)任都將隨著學(xué)生逐步解決實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的實(shí)際問題而得到提升。然而物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀是：學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)所遇到的問題和試題中所遇到的問題往往區(qū)別很大，而且有些實(shí)際問題與試題中所考察的問題還有著明顯的矛盾，學(xué)生如果死記試題中所遇到的問題解決辦法來解決實(shí)際問題，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法順利完成。因此，如何從解決問題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榻鉀Q實(shí)際問題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)于以核心素養(yǎng)的培養(yǎng)為目的的新課程教學(xué)有著深刻的意義。本文以測繪小燈泡的伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)課為例，嘗試對(duì)上述的問題進(jìn)行實(shí)踐探索。

一、從解決試題問題到解決實(shí)際問題

在測繪小燈泡伏安特性曲線的實(shí)驗(yàn)中，教師基本會(huì)要求學(xué)生按以下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖（圖1）連接好實(shí)物電路，然后再閉合開關(guān)，開始測量。

（2）在閉合開關(guān)前，將滑動(dòng)變阻器要滑到最左端，讓測量電路的電壓和電流均從零開始測量。

圖1

（3）要求學(xué)生按實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊(cè)所提供的數(shù)據(jù)表格（如表1）進(jìn)行測量。

在大量的試題問題中，如果有考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)步驟的，上述的步驟（1）（2）即是問題的標(biāo)準(zhǔn)答案，而上述的（3）在大量試題中，為了考查學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力中的作圖能力，會(huì)給出已經(jīng)測好的數(shù)據(jù)（如表2），要求學(xué)生在坐標(biāo)紙上用描點(diǎn)法畫出某元件的伏安特性（I～U）曲線。

表1

表2

這些試題問題的標(biāo)準(zhǔn)答案都是以儀器全部完好、小燈泡未燒壞、學(xué)生接線一次全對(duì)，不需要試錯(cuò)過程以及學(xué)生測量數(shù)據(jù)操作完美等條件全部理想化為前提的.而教師在實(shí)際教學(xué)中會(huì)遇到的實(shí)際問題是：學(xué)校是以班級(jí)進(jìn)行授課的，在一個(gè)班級(jí)完成實(shí)驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)器材不是全新的，必然會(huì)有儀器出現(xiàn)損壞，而課間十分鐘，教師無法及時(shí)進(jìn)行更換，同樣的道理，小燈泡亦可能出現(xiàn)被燒壞而無法及時(shí)更換；而對(duì)于學(xué)生的操作，學(xué)生在高一階段沒有涉及過電路的基本連接操作，即使有進(jìn)行過訓(xùn)練，一個(gè)班級(jí)的學(xué)生必然也會(huì)有部分學(xué)生操作出錯(cuò)，學(xué)生在接線過程中需要不斷試錯(cuò)；而上述（3）步驟要求學(xué)生按已定好的電壓示數(shù)進(jìn)行測量，實(shí)際操作中必然會(huì)出現(xiàn)學(xué)生不斷地來回調(diào)動(dòng)滑動(dòng)變阻器，測量時(shí)間延長很多，而造成更大的誤差。而這些都是學(xué)生在分組實(shí)驗(yàn)中會(huì)遇到的實(shí)際問題，試題問題和實(shí)際問題在教學(xué)中會(huì)激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，這種情況下學(xué)生的好奇心將被迅速點(diǎn)燃，學(xué)生的質(zhì)疑意識(shí)也將因此而發(fā)動(dòng)，學(xué)生也將在相關(guān)思維的驅(qū)動(dòng)下積極參與到各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中［2］。因此，應(yīng)有效地運(yùn)用上述沖突進(jìn)行教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生從解決問題到解決實(shí)際問題，從而提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。本文以學(xué)生已經(jīng)掌握了電流表的內(nèi)接和外接以及滑動(dòng)變阻器的限流式接法和分壓式接法，理解測繪小燈泡伏安特性曲線的電路原理圖和掌握電表讀數(shù)的前提下，進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。

二、從實(shí)際問題出發(fā)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y繪小燈泡的伏安特性曲線。實(shí)驗(yàn)原理圖：（如圖1）。實(shí)驗(yàn)器材：小燈泡（3.8V）、電壓表、電流表、滑動(dòng)變阻器（0-10Ω）、開關(guān)、學(xué)生電源（4-6V）、導(dǎo)線若干。

在學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)前教師對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行梳理，然后針對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟提出以下幾個(gè)問題，引導(dǎo)學(xué)生思考。

問題1：實(shí)驗(yàn)器材由于重復(fù)使用，無法確定是否有損壞，按照原理圖連接好電路后，常會(huì)出現(xiàn)電表均無示數(shù)的現(xiàn)象，如何連接電路可以快速檢查出損壞儀器，避免上述問題？

設(shè)計(jì)意圖：將試題問題與實(shí)際問題沖突直接呈現(xiàn)，啟發(fā)學(xué)生思考。在不確定儀器是否損壞的前提下，連接越多儀器，越難發(fā)現(xiàn)問題；而且按照實(shí)驗(yàn)原理圖連接，閉合開關(guān)后，電表不會(huì)有示數(shù)，只有調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器后，才能發(fā)現(xiàn)問題。因此，應(yīng)該先連接較少儀器，逐一進(jìn)行排除。在學(xué)生思考到這一解決辦法后，教師提出更高要求的問題。

問題2：能否在你按照實(shí)驗(yàn)原理圖進(jìn)行連接的過程中，進(jìn)行檢查儀器的損壞，從而節(jié)省時(shí)間？

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生對(duì)于問題1 的答案可能是多樣，也都可能是正確的，教師通過問題2 的設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生找出既能解決問題又能節(jié)省時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)解：將電壓表排除在外，先將電路連接成限流式（如圖2），若電流表無示數(shù)，可以省去燈泡看電流表是否有示數(shù)或省去電流表看燈泡是否點(diǎn)亮來進(jìn)行快速檢查損壞儀器，確定無損壞后再將電壓表并聯(lián)進(jìn)燈泡兩端，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

圖2

問題3：實(shí)驗(yàn)原理圖中滑動(dòng)變阻器為分壓式接法，檢測電路為限流式接法，需要重新拆分電路后再次連接嗎？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生再次通過實(shí)物連接區(qū)分分壓式和限流式，即在滑動(dòng)變阻器下端空接線柱和電源負(fù)極間直接接一條導(dǎo)線（如圖3）。并且學(xué)生可以通過再次閉合開關(guān)發(fā)現(xiàn)，在沒有調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的前提下燈泡亮度明顯下降，培養(yǎng)學(xué)生將理論結(jié)合實(shí)際以及實(shí)驗(yàn)操作能力。

圖3

問題4：連接好電路后，本次測量需要將測量電路短路，從零開始測量，如何確定你連接的實(shí)物滑動(dòng)變阻器應(yīng)該滑到哪一端？

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生對(duì)于原理圖容易區(qū)分應(yīng)該滑到哪一端，這屬于理論問題，而將此問題結(jié)合到具體的實(shí)物電路圖中，由于實(shí)物線路的復(fù)雜，學(xué)生將不易于區(qū)分哪一端可以將測量電路短路。而實(shí)際操作中，學(xué)生可以在問題3 后，發(fā)現(xiàn)燈泡明顯變暗的前提下，調(diào)動(dòng)滑動(dòng)變阻器，直至燈泡完全熄滅的那一端。培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用科學(xué)思維靈活解決實(shí)際問題。

問題5：測量過程中，回測會(huì)導(dǎo)致誤差變大，按提供的表格記錄數(shù)據(jù)你可以做到不回測嗎？

設(shè)計(jì)意圖：由于滑動(dòng)變阻器的阻值調(diào)節(jié)具有很大的不確定性，因此，在不能回調(diào)的前提下，即使是教師也很難做到按相應(yīng)的電壓示數(shù)進(jìn)行測量，所測的數(shù)據(jù)必然是有很大隨機(jī)性的。實(shí)驗(yàn)的目的是測繪小燈泡的伏安特性曲線，不按所提供的電壓示數(shù)測量也可以達(dá)到目的，并且更能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的過程中依然保持科學(xué)的態(tài)度和責(zé)任。

最后，由于以上操作，應(yīng)先讓小燈泡冷卻幾分鐘，學(xué)生再進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，教師進(jìn)行分組指導(dǎo)，并認(rèn)真傾聽和歸納學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中所提出的問題。

三、總結(jié)實(shí)驗(yàn)中生成的實(shí)際問題

物理教學(xué)中，學(xué)生強(qiáng)烈的問題意識(shí)既是思維的起點(diǎn)，又是思維的動(dòng)力，也是教學(xué)的歸宿。顯然，讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)并提出問題遠(yuǎn)比教師設(shè)置問題更有教育價(jià)值，而借助實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)問題情景是發(fā)現(xiàn)并提出問題很有效的途徑，教師應(yīng)充分發(fā)掘物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題能力方面的潛在教育價(jià)值。［3］因此在學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后，教師可以通過整理歸納學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中提出的幾個(gè)關(guān)于實(shí)驗(yàn)的實(shí)際問題，讓全班學(xué)生進(jìn)行思考討論，從而引導(dǎo)學(xué)生從解決問題進(jìn)一步到解決自己提出的實(shí)際問題。

（1）測量過程開始階段，發(fā)現(xiàn)電流表示數(shù)無法從零開始調(diào)節(jié)，而電壓表可以。引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)際電路與原理圖的區(qū)別：在實(shí)際電路中由于接線柱和導(dǎo)線電阻的存在，很難做到短路，電壓電流均很難從零開始調(diào)節(jié)。而電壓表（0-3V）的最小分度值為0.1V，電流表（0-0.6A）的最小分度值為0.02A，電流表比電壓表更為靈敏，因此就出現(xiàn)了電壓表看起來無示數(shù)，而電流表有示數(shù)的現(xiàn)象。

（2）個(gè)別組測量中發(fā)現(xiàn)電壓表、電流表示數(shù)均無法從零開始調(diào)節(jié)。引導(dǎo)學(xué)生分析可以調(diào)節(jié)但無法調(diào)零的主要原因即分壓式接法未接好，應(yīng)再次檢測是否將分壓式接法接錯(cuò)或?qū)Ь€是否通路。

（3）測量過程中，電壓表、電流表示數(shù)不穩(wěn)定，會(huì)抖動(dòng)，導(dǎo)致讀數(shù)不便。引導(dǎo)學(xué)生分析：電表有示數(shù)說明電路是通路的，可以調(diào)節(jié)說明電路連接正確，示數(shù)抖動(dòng)說明電流電壓不穩(wěn)定，很可能是電路某處接觸不好，而測量過程中調(diào)節(jié)最多的是滑動(dòng)變阻器，因此，最大可能是滑動(dòng)變阻器的接觸不好。

（4）測量后半段，小燈泡突然不亮，但是電壓表有示數(shù)，電流表無示數(shù)。引導(dǎo)學(xué)生分析：個(gè)別小組在測量過程中，小燈泡突然燒壞，而小燈泡剛開始測量時(shí)由于電流太小是不亮的，因此在測量中小燈泡一直未亮，學(xué)生不容易引起察覺。從而導(dǎo)致出現(xiàn)電壓表有示數(shù)，可調(diào)節(jié)，而電流表無示數(shù)的現(xiàn)象。

在總結(jié)實(shí)驗(yàn)的過程，并將故障電路的分析蘊(yùn)含其中，把理論分析與實(shí)際問題結(jié)合，在學(xué)生自己提出問題的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生自己解決問題，滲透實(shí)際問題的分析方法，從而訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

四、結(jié)語

在新的課程改革和核心素養(yǎng)的提出背景下，近年的考試也常見到把上述的具體的實(shí)際問題作為試題，如以下的這個(gè)試題：

如圖4，在測量中小明發(fā)現(xiàn)，無論如何調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片，電壓表和電流表的示數(shù)均不能取到較小值，其原因可能是導(dǎo)線__________（填圖中導(dǎo)線代號(hào)）沒有連接好。

圖4

這個(gè)問題就是將本節(jié)實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)總結(jié)的第（2）個(gè)實(shí)際問題轉(zhuǎn)變?yōu)樵囶}問題，充分體現(xiàn)了新課程標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生從解決試題問題到解決實(shí)際問題的轉(zhuǎn)變。

但是，實(shí)驗(yàn)教學(xué)將培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，促進(jìn)學(xué)生終身發(fā)展作為教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，應(yīng)摒棄“不考什么便不教什么不學(xué)什么”的功利主義，使物理實(shí)驗(yàn)成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的重要載體。［4］物理教學(xué)中將研究的實(shí)際問題進(jìn)行理想化模型處理，是物理學(xué)科重要的思維方法，而運(yùn)用模型處理問題是為了解決實(shí)際問題，因此引導(dǎo)學(xué)生如何應(yīng)用從構(gòu)建模型的訓(xùn)練中培養(yǎng)起來的科學(xué)思維方法來解決實(shí)際問題，是核心素養(yǎng)體系下物理教學(xué)的重點(diǎn)。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)用科學(xué)思維解決實(shí)際問題，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的態(tài)度和責(zé)任感，以及創(chuàng)新和實(shí)踐能力等都有著不可替代的作用，是物理教師教學(xué)研究的重要組成部分。