核心素養下物理實驗教學的創新設計

晉文梅，鄭 威

（1.撫順市第六中學，遼寧 撫順 113006；2.撫順市教師進修學院，遼寧 撫順 113006）

2016年9月，《中國學生發展核心素養》總體框架發布，標志著我國圍繞培養核心素養理念的基礎教育改革正式啟動。[1]如何將物理學科核心素養的培養融入高中物理教學，是廣大一線教師需要認真思考的問題。[2]下面以高二物理《實驗：測定電池的電動勢和內阻》（2003人教課標版第二章恒定電流第十節）為例，談談本人如何將培養物理核心素養融入物理實驗教學中。

一、用問題廣開學生思路，培養學生科學思維能力

教學中，師生共同回顧閉合電路歐姆定律，在得出利用閉合電路歐姆定律測定電源電動勢和內阻的實驗原理的基礎上，設計問題：組織學生利用電源、電壓表、電流表、滑動變阻器、電阻箱、開關等實驗器材，思考設計測定電源的電動勢和內阻的多種實驗方案，以及相應的閉合電路歐姆定律方程表達式。教師引導各小組學生充分發揮想象力，認真思考、交流、討論甚至爭論，最后統一思想形成小組多種設計方案，并展示各小組的多種設計方案。

在學生思考設計實驗方案的過程中，教師提醒和啟發學生，在小組討論中要充分溝通交流，提倡聆聽、接納別人的思想，為每名學生提供獨立發表自己見解的機會。最后，通過討論、改進，達到意見一致，確定一致的實驗設計方案。在這個過程中，教師重點培養學生的抽象思維、想象思維、直覺思維等科學思維能力。[3]

在各小組展示全部設計方案后，教師和學生一起討論，去掉類同方案，并對各組提出的方案進行評價，表揚提出較多設計方案的小組。最后綜合得出如下五個設計方案：

方案一：如圖1，對應方程：E=U+Ir，其中U和I分別為電壓表和電流表示數，電源電動勢E、內阻r為待測值。

方案二：如圖2，對應方程：E=I(R+r) ，其中I為電流表示數，R為電阻箱阻值，E、r為待測值。方案三：如圖3，對應方程，其中U為電壓表示數，R為電阻箱阻值，E、r為待測值。

方案四：如圖4，對應方程：E=U+I(R1+r),其中U和I分別為電壓表和電流表示數,E、r為待測值。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

二、組織學生分析論證，培養學生判斷決策能力

在確定五個實驗探究方案的基礎上，教師設定懸念，讓學生思考哪些方案是最優方案？在這一環節，教師引導學生思考并確立評價最優方案的原則：所用元器件最少，電路最簡單，實施起來最方便，讀取數據最方便，數據處理最簡化等。這些恰恰是物理學科分析、判斷、決策的重要核心素養。

通過教師組織學生對每一個設計方案討論論證。學生對方案一給予了肯定：滑動變阻器的阻值可以連續變化，電流表、電壓表讀數方便，處理實驗數據簡單。否定了方案四和方案五：使用的電學器材多，數據處理復雜。對方案二和方案三產生質疑：兩種方案雖然電路最簡單、所用元器件少，但是，所用的外電阻是電阻箱，其阻值變化不連續。而且方案二中的I與R和方案三中的U與R的關系是非線性。面對學生的質疑，教師啟發學生可以將非線性關系轉化為線性關系，方便利用圖表得出實驗結論。將方案二中的閉合電路歐姆定律表達形式改為：這樣就將I與R的非線性關系轉化為R與的線性關系。同理將方案三中的閉合電路歐姆定律表達形式改為：，就將U與R的非線性轉化為與的線性關系。

在這一環節中，教師重點引導學生面對眾多方案，如何進行充分分析、比較、判斷、評價，最后決定取舍，做出決策。進一步教育培養學生不論是做任何事情，開展任何工作，都要提出盡可能多的方式方法或方案。其中，有的方法事半功倍，有的方法事倍功半，有的方法簡單易行，有的方法復雜曲折，究竟哪種方法被采用，需要認真分析比照，最后選擇一種或幾種最佳的方法、方式或途徑。這種科學的分析論證和判斷決策素養一旦養成，就會受用一生。

三、分別用三種方法測試，培養學生科學嚴謹的態度

教師組織學生先后用三種方法測同一個由兩節干電池串聯而成的電源的電動勢和內阻，并將用三種方法測得的結果展示在黑板上教師設計的表格里。

方案一：如圖6，為方便采集信息、快速處理數據并得出測量結果，可以采用朗威教學軟件，在軟件界面上顯示出電流傳感器、電壓傳感器示數，點擊鼠標記錄多組數據，選擇繪圖即可直接得出電源的伏安特性曲線。通過線性擬合得到一個線性表達式，其截距和斜率分別為兩節干電池的電動勢和內阻。

圖6

方案二：選用電流表、電阻箱開關等器材測量同一個電源的電動勢和內阻。小組同學合作完成實驗數據測量，應用所學信息技術相關知識在Excel中記錄數據、設定公式計算,并畫出圖像、獲得線性表達式，讀出斜率和截距即可得出電源的電動勢和內阻的測量值。

方案三：選用電壓表、電阻箱和開關等測量同一個電源的電動勢和內阻，在Excel中記錄數據，設定公式計算，畫出圖像，從顯示的公式中得出斜率和截距，與對應的閉合電路歐姆定律方程表達式對照得知斜率和截距分別為和，再設定公式計算出電源的電動勢和內阻的測量值。

學生在用三種方法測定電源的電動勢和內阻的實驗過程中，以充分交流合作為前提，感受了科技手段使物理研究獲得了高速度和高質量，認識了學科間的相互聯系，增強了學生研究物理的好奇心和求知欲，通過在實驗中嚴謹的操作，一絲不茍的觀察、記錄，最后得出結論等這一復雜的過程，培養學生不怕麻煩、不怕反復、嚴謹細致、縝密做事、精確計算的治學品質和勇于為科學獻身的奉獻精神。

四、從問題出發，引導和培養學生對科學不懈探究的素養

在學生用三種實驗方法測同一個電源電動勢和內阻得出實驗結果之后，教師引導學生觀察思考：理論上，用三種探究方法測得同一個電源的電動勢和內阻的測量值應該很接近。但實際上，學生看到的實驗結果卻出乎意料：用方案一和方案三測得的電源電動勢和內阻相差不大，用方案二測得的電源內阻明顯偏大、電動勢也偏大，為什么會出現這種結果呢？教師要進一步啟發學生，將方案二的電路圖和閉合電路歐姆定律表達式對照看，學生就可能做出電流表可能有一定內阻的推斷。如果用RA表示電流表內阻，閉合電路歐姆定律表達式就應該修改為E=I(R+r+RA)。很顯然方法二測得的內阻，應為電源內阻和電流表內阻的總和，測量值自然偏大，這一過程客觀地證明了學生的推斷。過去通常認為沒有內阻的電流表概念，是理想電流表概念模型，實際的電流表都有內阻，只不過電阻值較小。

此時，教師適時引入等效電源的概念，進一步組織學生深入討論。引導學生將電流表和電源看成一個新的電源即等效電源如圖7，這個等效電源的電動勢E′和內阻r′就是我們實驗的測量值。教師再讓學生交流討論：用方案二測得的電動勢E′和電源的實際電動勢E應該相同。并引導學生換個角度思考問題，用方案一和方案三測得的電動勢是不是可能偏小了。

圖7

圖8

此時，教師提出問題：等效電源的電動勢E′和內阻r′是怎樣的？學生經過討論找到了理論依據：E′等于等效電源斷路時的路端電壓UAB，若電壓表內阻為RV,則內阻由此可以看出，用方案三測得的電動勢E′小于電動勢真實值E，內阻測量值r′小于內阻真實值r。同理用方案一測得的電源電動勢和內阻均小于真實值。

教師通過這一環節的教學，要讓學生了解電流表和電壓表內阻的存在和對測量結果的影響，不僅加深了對閉合電路歐姆定律的理解，而且引導學生學會如何對待實驗中發現和遇到的問題。一是不要輕易懷疑我們的實驗結果；二是要圍繞產生的問題查找各種原因，進行認真分析；三是一定堅持找到問題產生的根源和影響因素，從而找到正確的答案。

五、通過歸納總結，培養樹立科學的物理概念

在實驗課結束之前，教師要對本節課進行總結。學生在初高中物理學習中建立的不同電源概念模型，以及通過本次實驗課的學習，對電壓表、電流表概念產生了新認識，引導思考：為什么初中的電源概念、電壓表概念、電流表概念這么簡單，而到了高中變得復雜起來了呢？從而讓學生懂得，為了分析問題的簡潔方便，為了便于學生理解接受，以及考慮到學生接受知識由淺入深的認識規律，在物理學科教學中，很多時候將物理概念用理想的物理模型替代。隨著學生知識的增加，理解和分析事物的能力的增強，逐漸將理想的物理模型還原成實際的物理概念。再比如，我們在力學中經常使用的質點的概念，是只有質量沒有大小和形狀的點，這就是理想化的模型，世界上哪有只有質量沒有大小和形狀的物體。很顯然，我們抓住事物的主要特點對事物進行了簡化，使我們分析和研究問題變得方便簡單。

本節課在教學中，先由學生利用開放性思維設計多種實驗方案，再通過學生討論、爭辯、相互評判直至挑選出優秀實驗方案，并在此基礎上，通過組織學生包括運用現代化教學軟件等完成了三種方法的實驗探究，得到實驗結果、比對實驗結果，引導學生發現并思考回答問題等一系列教學環節，不僅圓滿完成了本節課的教學任務，而且以實驗為載體，對學生實施了良好的物理學科核心素養培養。▲