基于核心素養視角下的實驗探究能力培養

李興榮

【摘要】本文基于課堂上學生對滑動變阻器分壓式接法幾種方案的質疑，引導學生用實踐檢驗猜想。當學生在實驗操作中發現問題時再結合理論分析，借助函數圖像清晰地解釋了分壓式接法的幾種方案的優劣。從發現問題——提出猜想——實驗驗證——理論分析——總結評價等環實踐了了物理學科核心素養的培養。

【關鍵詞】高中物理 實驗探究 核心素養 物理學習內化

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）26-0082-02

物理學科核心素養的提出，既凸顯出物理學科的本質，又抓住了學科教育的根本，因此具有重要的育人價值。于是，基于核心素養理念下的課堂教學改革在全國各地掀起了一股學習熱潮。

高中物理教科書依據物理核心素養的要求來選擇和組織內容，有效促進學生物理核心素養的達成。如注重選擇與物質、運動、相互作用及能量等相關的核心內容，幫助學生從物理學視角認識自然、理解自然，形成物理觀念；注重選擇與學生“建模、推理、論證、創新”等能力培養有關的內容，培養學生的科學思維能力；注重從科學探究的視角選擇內容，培養學生的科學探究能力；注重從情感態度價值觀的視角選擇內容，培養學生的科學態度與責任感。

作為一種探索和實踐，本文在此試圖以《描繪小燈泡伏安特性曲線》實驗教學為例，談談筆者在實際教學中對如何實現科學探究能力的培養所做的一些嘗試。

一、堅持問題導向，形成探究素養

在伏安法測電阻的教學過程中，描繪小燈泡伏安特性曲線的實驗設計、器材選擇以及規范操作，特別是其中涉及到的電路設計，一直是電學實驗教學中的一個難點問題。筆者將本節課設計成：提出科學問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、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，選用下列實驗器材設計實驗，盡可能準確的描繪出小燈泡完整的伏安特性曲線，請設計出最合理的實驗電路圖。

A.電源E：電動勢為3.0V，內阻不計；

B.電壓表V：量程為3V，內阻約為1；

C.電流表A：量程為0.6A，內阻約為0.6；

D.滑動變阻器R：最大阻值l0Ω，額定電流0.6A；

E.開關S，導線若干。

因小燈泡的內阻比較小，電壓表的內阻比較大，測量時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，所以滑動變阻器應該采用分壓式接法。

在課堂教學過程中要求同學為實驗設計電路時，電流表外接沒有爭議，但在滑動變阻器的接法上出現了三種不同的接法，如圖1、圖2、圖3所示。同學認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，都滿足實驗要求。從電路圖上看，不難發現，圖2、圖3所示的電路，當滑片置于最左端時電源處于短路狀態，這是不允許的。為了保護電源，后兩種方案將無法取得小燈泡兩端的電壓為零的數據以及較低電壓范圍的數據。所以后兩種方案是不可取的。由于筆者沒有用同學設計的后兩種方案做過實驗，單從電路圖上也看不出三種方案的區別。

二、尊重實驗事實，發展探究能力

筆者帶領學生根據各自設計的實驗電路圖進行實驗。以E、r、R、RL分別表示電源電動勢、電源內阻、滑動變阻器的最大阻值以及小燈泡的內阻，k表示滑動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，根據閉合電路歐姆定律，可得三個方案下電壓與k的函數關系式分別為（1）、（2）、（3）式如下所示。

（1）

（2）

（3）

函數關系式比較復雜，無法從關系式中簡單比較出三種方案的優劣。實驗時，電源為兩節干電池（3V，內阻取1Ω），小燈泡（2.5V，0.3A），RL約為8.3Ω，滑動變阻器R=20Ω。將數據代入（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的函數圖像，取自變量的定義域為[0，1]，圖像如圖4所示。從函數圖像中可以清晰看出當滑動變阻器的滑片均勻移動時，U1呈較趨于線性關系接近均勻變化；U2、U3前段變化太快而后段變化較緩慢。也就是說，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的各個電壓值，而方案二和方案三零附近和額定電壓附近較難均勻測得多組電壓值。

三、經歷探究過程，掌握探究方法

結合函數圖像的理論分析完成后，同學從理論上理解了之前實驗中移動滑片時電壓表的讀數不均勻變化的原因。接著，筆者請同學用方案一完成實驗，實驗過程中感受與之前方案的區別，從而更加加深對三種方案優劣的認同感。

通過實驗的探究過程，培養學生具有科學探究意識，能在學習和日常生活中發現問題、提出合理猜測與假設；具有設計探究方案和獲取證據的能力，能正確實施探究方案，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，能準確表述、評估和反思探究過程與結果，掌握探究方法。

四、評價與分析

物理學科核心素養中的實驗探究的能力是指提出物理問題，并形成猜想和假設，獲取、處理信息，基于證據得出結論并做出解釋，以及對實驗探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力。教師基于學生的疑問引導學生進行實驗，在實驗中（下轉176頁）（上接82頁）檢驗猜想是否成立。當學生實驗過程中移動滑動變阻器的滑片發現電壓的變化不均勻時再次回到理論，用閉合電路歐姆定律推導出電壓和滑動變阻器滑動比例的函數關系式并借助函數圖像清晰地展示了三種方案的優劣。從發現問題——提出猜想——實驗驗證——理論分析——總結評價等步驟完成了整個問題的探究，有助于提高學生分析問題、解決問題的能力，落實培養學生的物理學科核心素養。

參考文獻：

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