基于核心素養(yǎng)的物理實驗有效教學探討①
——以“探究影響電阻大小的因素”為例

李安發(fā)

(廣東省廣州市花都區(qū)秀雅學校,廣東 廣州 510800)

物理學科核心素養(yǎng)是物理學科育人價值的集中體現(xiàn)，是學生在接受物理教育的過程中逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的關鍵能力和必備品格，主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”四個方面構成。培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)是當下物理教學的使命和行動準則，物理是以實驗為基礎的學科，實驗是物理教學的重要方式，物理實驗教學應該在體現(xiàn)物理觀念的基礎上，發(fā)展學生的推理和論證等思維能力，使學生學會科學猜想和探究、得出科學結論且能應用于解決實際問題，還要在實驗中培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和責任。筆者以“探究影響電阻大小的因素”的教學為例，探討在實驗教學中培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的策略。

1 創(chuàng)新實驗設計，激發(fā)學生猜想的靈感

《義務教育物理課程標準(2011年版)》指出：科學探究涉及提出科學問題、猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、分析與論證、評估、交流與合作等要素。實驗探究的第一環(huán)節(jié)就是提出科學問題，形成合理猜想。學生的猜想不是無花之果，無本之木，學生猜想的靈感主要源于實驗等。在學生進行實驗探究前，教師要設計新穎的引導方案，吸引學生參與實驗，通過操作體驗和現(xiàn)象觀察，讓學生進行合理猜想。在“探究影響電阻大小的因素”的實驗中，為了讓學生對影響電阻大小的因素做出科學合理的猜想，筆者設計了新穎的石墨電路。如圖1所示，在白紙上用鉛筆畫兩段導線，代替金屬導線接入電路，接上電源和LED燈，讓學生試試看，這個畫出來的電路是否也能讓LED燈發(fā)光。這對學生來說是一個新奇的嘗試，學生都躍躍欲試。

圖1

教師把電路圖貼在黑板上，讓學生從身邊找物品把兩段石墨線條連起來。有的學生用塑料尺、鉛筆的木頭外殼、扎頭發(fā)的橡皮筋接上去，結果燈不亮；有的學生用鑰匙、圓規(guī)接上去，結果燈亮了；還有學生把自己接入電路中，用兩個手指分別把兩段電路連接來(圖2)，燈也亮了?？吹剿炎约航尤腚娐纷専舭l(fā)光了，同學們都很興奮，表示要上來試一試。一會兒就上來了十幾個學生，老師建議同學們手拉手一起來實驗，結果燈也亮了，但比單獨一個人的時候要暗。

圖2

實驗證明畫出來的石墨線條也能導電，既然畫出來的石墨線條能導電，那不如直接用鉛筆畫線，把兩段電路連起來，看看燈亮不亮。然后教師在兩段石墨線條之間用鉛筆畫了一根線，電路連起來了，燈卻不見發(fā)光。怎么辦呢？有學生提醒老師，繼續(xù)畫。于是老師又用鉛筆把線越畫越粗，這時燈逐漸亮起來(圖3)。

圖3

實驗把學生猜想的靈感激發(fā)起來了，學生分析道：(1)用塑料尺、鉛筆木殼、橡皮筋等連入電路，燈不亮，說明它們的電阻大；用鑰匙、圓規(guī)、人體把電路連起來，燈亮了，說明它們的電阻較小。這些現(xiàn)象說明：電阻的大小可能跟接入的材料有關。(2)多人手拉手接入電路也能讓燈發(fā)光，但燈的亮度比一個人接入電路時要弱些，說明電阻大小可能與導體的長度有關，長度越長，電阻越大。(3)老師在用鉛筆畫線連接電路時，只畫一根線的時候，雖然電路連起來了，但燈不亮，說明此時電阻較大，當導線越畫越粗，燈逐漸亮起來了，說明電阻逐漸變小了，猜想電阻可能與導體的橫截面積有關。這樣，學生就根據(jù)親身參與的實驗引導，提出了合理的猜想。接下來，要求學生設計實驗，對這些猜想進行驗證。

2 掌握科學方法，開展實驗探究

在組織學生開展探究實驗時要注重實驗方法的運用，關于影響電阻大小的因素有多個猜想，要學會運用控制變量法。在實驗中，只有想要探究的那個因素需要改變，其他因素都應保持不變。如要探究電阻與長度的關系，就應選兩根材料都是鎳鉻合金的導線，其橫截面積也要相同。

在實驗中，除了用到控制變量法，還需要運用轉換法。電阻是一種抽象的概念，我們要用與電阻有關的現(xiàn)象來反映電阻大小的變化，比如我們可以用燈泡的亮度來反映，當所加電壓一定時，燈越亮說明電阻越小，當燈的亮度變化用肉眼難以察覺時，我們還可以用電流表來測量電路的電流，用電流的大小變化來反映電阻的變化?？刂谱兞糠ê娃D換法是物理實驗中常用的方法，本實驗很好地運用和鞏固了這些方法。

3 創(chuàng)設合理的問題情境，培養(yǎng)學生的科學論證能力

科學論證是科學思維的要素之一，在實驗探究中必須要注重學生科學思維能力的培養(yǎng)，在得出結論之后，教師可以創(chuàng)設合理的問題情境，為學生的思維搭建平臺，培養(yǎng)學生的科學論證能力。本實驗結束后，學生正確得出了影響電阻大小的因素，教師可提出如下問題：(1)兩個電阻串聯(lián)后的總電阻比原來的每個電阻都大，還是都小，或是介于兩者之間？你如何解釋？(2)兩個電阻并聯(lián)后的總電阻比原來的每個電阻都大，還是都小，或是介于兩者之間？你如何解釋？

可以引導學生通過畫圖的方式，將等效電阻畫出來。電阻串聯(lián)本質上就是導體的長度變長，所以總電阻比任何一個分電阻都要大；電阻并聯(lián)本質上就是導體的橫截面積變大，所以總電阻比任何一個分電阻都要小。

4 創(chuàng)設真實的實驗情境，培養(yǎng)學生的科學推理能力

為了探究金屬電阻與溫度的關系，教師把從日光燈上取下的燈絲與小燈泡、電流表串聯(lián)在電路中(圖4)，用打火機加熱金屬燈絲，隨著燈絲的溫度升高，與該燈絲串聯(lián)的小燈泡逐漸變暗，說明燈絲溫度越高，電阻越大。為了探究溫度降低時電阻的變化，先連接電路，此時燈比較暗，然后將電阻絲放入極低溫的液氮中，與燈絲串聯(lián)的另一燈泡變得非常明亮(圖5)，這說明燈絲溫度越低，電阻越小。引導學生推理：當溫度繼續(xù)降低，燈絲的電阻也將繼續(xù)變小，當溫度降到某一足夠低的溫度時，導體的電阻將變?yōu)榱?。我們把低溫下導體電阻為零的現(xiàn)象叫超導現(xiàn)象，將電阻為零的導體叫做超導體。學生在被精彩的實驗現(xiàn)象震撼的同時，科學推理能力也得到了升華，而且很自然地引出了超導現(xiàn)象和超導體的概念，水到渠成。

圖4

圖5

5 運用實驗培育學生的科學態(tài)度和責任

實驗教學是物理教學的重要組成部分，既承載了構建物理觀念的功能，也是培養(yǎng)學生科學思維和科學探究能力的重要途徑，在實驗教學中要適時、合理地推進學生科學態(tài)度和責任感的形成。比如在實驗教學中，針對超導體的內(nèi)容，可以介紹其重要的科學價值和廣闊的應用前景，同時還要說明：目前的超導現(xiàn)象都是發(fā)生在極低的溫度下，實際應用尚不成熟，如果能制造出常溫超導體，其應用價值將無與倫比。例如把超導體應用在輸電導線中，可以避免由于導線發(fā)熱而造成的電能損失；把超導體用在手機、電腦等電器中，將沒有發(fā)熱現(xiàn)象，會延長機器的使用壽命。常溫下的超導體的研究有賴于同學們的努力，希望大家以后在這些方面取得突破，為社會、為國家、為人類造福。