促進深度學(xué)習(xí)的實驗探究教學(xué)策略探討①——以“導(dǎo)體的電阻”教學(xué)為例

(江蘇省太倉高級中學(xué)，江蘇 蘇州 215411)

深度學(xué)習(xí)是對學(xué)習(xí)狀態(tài)的質(zhì)性描述，涉及學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)的投入程度、學(xué)習(xí)的思維層次和認知體驗等層面，是以高階思維為主要認知活動的高投入、有意義學(xué)習(xí)方式。深度學(xué)習(xí)強調(diào)對知識本質(zhì)的理解和對學(xué)習(xí)內(nèi)容的批判性吸收與應(yīng)用，追求學(xué)習(xí)遷移的有效性和問題解決的深刻性、靈活性與創(chuàng)造性。

實驗探究教學(xué)是在教師的幫助下，學(xué)生通過實驗、探索、分析、研究得出結(jié)論，從而建構(gòu)科學(xué)概念、發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律的一種認知活動。實驗探究教學(xué)能夠促進學(xué)生全身心參與學(xué)習(xí)過程，幫助學(xué)生深度理解和把握知識的本質(zhì)，同時提高模型建構(gòu)、分析綜合和質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維能力，充分挖掘?qū)嶒炋N藏的思想方法和教育價值，以促進學(xué)生高階思維能力和思維品質(zhì)的提升。因此，實施實驗探究教學(xué)是促進深度學(xué)習(xí)的有效途徑，本文以“導(dǎo)體的電阻”教學(xué)為例，簡述促進深度學(xué)習(xí)的高中物理實驗探究教學(xué)策略。

1 模擬真實情景，引發(fā)認知沖突

課堂教學(xué)由于時空的限制，無法再現(xiàn)生活中的一些現(xiàn)象或場景。為了增強學(xué)生的切身體驗，可以模擬生活中的實際問題情景，選用的問題情景最好能引發(fā)認知沖突，激起學(xué)生積極思考和探究的欲望。

教學(xué)片斷1：在“導(dǎo)體的電阻”教學(xué)環(huán)節(jié)引入模擬野外求生的場景。在野外生存，學(xué)會生火是一項基本技能，現(xiàn)有兩節(jié)干電池和一盒隨身攜帶的口香糖(中間有一層鋁箔紙)。

如圖1所示，現(xiàn)有兩個不同形狀的錫箔紙，其中一個呈長方形，另一個中間有一個缺口(中間很窄)。如果將兩節(jié)干電池和兩個鋁箔紙首尾相接構(gòu)成一個閉合回路，由于短路，哪個更容易著火？

圖1

學(xué)生在猜想時，有的認為長方形鋁箔紙上容易著火，有的認為有缺口的容易著火。

通過實驗演示，學(xué)生們驚奇地發(fā)現(xiàn)：在鋁箔紙缺口的地方冒煙并燃燒了起來。實驗現(xiàn)象引發(fā)了學(xué)生強烈的認知沖突和探索欲望。

2 創(chuàng)設(shè)挑戰(zhàn)任務(wù)，設(shè)計實驗方案

在實驗探究教學(xué)中，教師可以創(chuàng)設(shè)開放式情景，利用問題鏈驅(qū)動等方式，讓學(xué)生自主設(shè)計實驗方案，并對實驗方案進行科學(xué)性和可行性分析、論證。

教學(xué)片斷2：學(xué)生基于事實和經(jīng)驗，猜想導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的長度、粗細、溫度和材料有關(guān)，在定量研究一個物理量與多個變量之間的關(guān)系時采用控制變量法。

學(xué)生嘗試設(shè)計實驗方案，當(dāng)保持材料、溫度和導(dǎo)體的粗細不變時，如何設(shè)計實驗電路，研究導(dǎo)體的電阻與其長度的定量關(guān)系？小組合作設(shè)計，并進行分析說明。學(xué)生在小組討論后提出以下3種實驗方案。

方案1:如圖2所示，根據(jù)歐姆定律，用電流表和電壓表直接測出電流和電壓，可求得導(dǎo)體的電阻，用刻度尺測出導(dǎo)線的長度。再換幾根長度不同、材料和橫截面積相同的導(dǎo)線進行實驗，尋找規(guī)律。

圖2

方案2：如圖3所示，根據(jù)串聯(lián)電路電流處處相同的特點，將長度成倍數(shù)關(guān)系的兩根導(dǎo)線串聯(lián)，用電壓表分別測量它們兩端的電壓，尋找比例關(guān)系。

圖3

方案3：如圖4所示，將一根裸導(dǎo)線拉直，用帶夾子的導(dǎo)線夾在裸導(dǎo)線上不同位置，從而改變接入電路的導(dǎo)線長度，為了測量方便，先在裸導(dǎo)線上提前標(biāo)出中點、三等分點、四等分點的位置，記錄電壓表讀數(shù)，分析實驗數(shù)據(jù)，找出規(guī)律。

圖4

組織學(xué)生評價上述3個方案的優(yōu)缺點，以確定實驗的最優(yōu)方案。學(xué)生認為3個方案都是可行的，其中方案1采用直接測量的方法，但操作步驟較多，比較耗時；方案2操作簡單，設(shè)計巧妙，用時少，但一次只能測量兩組數(shù)據(jù)；方案3操作簡單且能測量多組實驗數(shù)據(jù)。綜上所述，研究導(dǎo)體的電阻與長度之間的定量關(guān)系時用方案3最佳。

研究導(dǎo)體的電阻與另外3個因素的關(guān)系時，引導(dǎo)學(xué)生對上述3個實驗方案進行論證，分析采用哪種方案比較合理。分析后發(fā)現(xiàn)：由于橫截面積和材料不像長度那樣容易改變，方案3不是很合理，基于倍增的方法，可以采用方案2，在控制其他量不變的情況下，使R1和R2的橫截面積等成倍數(shù)關(guān)系，測量它們兩端的電壓，比較電壓的倍數(shù)關(guān)系。

3 小組合作探究，體驗實驗過程

在得到最優(yōu)實驗方案后，教師提供所需要的實驗器材，讓學(xué)生小組合作，進行實驗操作、數(shù)據(jù)記錄與處理、分析與論證。通過對實驗數(shù)據(jù)的交流、分析和論證，總結(jié)出實驗結(jié)論。

教學(xué)片斷3：利用所給的實驗器材，小組分工合作，進行實驗數(shù)據(jù)的測量、記錄和處理，需要留給學(xué)生充足的探究時間，導(dǎo)體的電阻隨長度的變化關(guān)系可以運用圖像法直觀呈現(xiàn)。

為了進一步研究電阻率與溫度的關(guān)系，可以設(shè)計圖5所示的電路，在電路中接入電流傳感器，先用酒精燈加熱電阻，然后撤去酒精燈，記錄利用電流傳感器記錄的數(shù)據(jù)，畫出圖像。該實驗相比傳統(tǒng)的使用小燈泡、觀察其亮暗的方式來說更加科學(xué)和直觀，可順利得到電阻率ρ與溫度相關(guān)的結(jié)論，然后向?qū)W生介紹不同材料在不同溫度下的電阻率數(shù)值，并介紹超導(dǎo)現(xiàn)象。

圖5

教學(xué)片斷4：教師利用自制的演示實驗裝置，幫助學(xué)生進一步加深認識。

自制實驗裝置如圖6所示，取6根長度都為1.0m、橫截面積相同的金屬絲，金屬絲兩端固定在一根木條上，木條上標(biāo)有刻度，在金屬絲兩端引出兩個接線柱。從上到下，金屬絲的組成材料不同，可以研究導(dǎo)體電阻和材料的關(guān)系。在下面5個金屬絲任取一根，接入電路的長度依次為0.2m、0.4m、0.6m、0.8m和1.0m,研究導(dǎo)體電阻和長度的關(guān)系。將下面5根金屬絲依次一根、兩根、三根、四根、五根并聯(lián)接入電路，研究導(dǎo)體電阻和橫截面積的關(guān)系，為了提高精確性，可以用電流傳感器和電壓傳感器進行測量。

圖6

4 基于分析論證，歸納得出物理規(guī)律

由于時間的限制，課堂上實驗測得的數(shù)據(jù)有限，并且個別小組測量的數(shù)據(jù)誤差較大，為了將實驗結(jié)論內(nèi)化為學(xué)生的觀念，還應(yīng)分析論證，借助邏輯推理得出一般規(guī)律。

教學(xué)片斷5：教師提出問題：現(xiàn)在有幾段長度相等的短導(dǎo)線，如何得到一根長導(dǎo)線？

學(xué)生提出可以將短導(dǎo)線串聯(lián)起來，教師再追問：如果每段短導(dǎo)線的電阻為R0，現(xiàn)在串聯(lián)后長導(dǎo)線的電阻為多少呢？學(xué)生恍然大悟，導(dǎo)線長度加倍可以看成兩個相同的電阻串聯(lián)，電阻也加倍，即導(dǎo)體的電阻與其長度成正比。

教師繼續(xù)追問：如何分析得出導(dǎo)體的電阻與其橫截面積成反比呢？學(xué)生回答：橫截面積加倍相當(dāng)于將兩個相同長度、相同材料做成的導(dǎo)線并聯(lián)。這樣可以將上面用到的思想方法進行遷移，從理論上解釋實驗探究的結(jié)果，并讓學(xué)生嘗試解釋課堂引入的生火實驗，做到前后呼應(yīng)。

5 解決實際問題，靈活遷移應(yīng)用

能夠靈活應(yīng)用所學(xué)知識解決生活中的實際問題是判斷深度學(xué)習(xí)發(fā)生的重要標(biāo)志，將實驗探究的結(jié)論和方法拓展遷移，解決實際問題，一方面是對本節(jié)課教學(xué)的反饋評價，另一方面也是接下來新知識學(xué)習(xí)的起點。

教學(xué)片斷6：在得出電阻定律后，設(shè)置如下實際問題讓學(xué)生解決：本節(jié)課研究了固體的導(dǎo)電，很多液體也是導(dǎo)體，如家里每天用的自來水。請大家設(shè)計一個方案，測出家里自來水在5℃(冬天)、20℃(夏天)下的電阻率分別為多少？

實驗是物理教學(xué)的基礎(chǔ)，實驗探究是促進物理深度學(xué)習(xí)的重要途徑，是促進深度學(xué)習(xí)真正發(fā)生的有效教學(xué)方式。在實驗探究過程中，不僅能培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)、分析綜合、設(shè)計論證和批判反思等關(guān)鍵能力，還能培養(yǎng)他們交流表達、合作分享能力，使他們養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)認真的科學(xué)態(tài)度。