實踐核心素養下優化科學探究過程的思考
——以“導體的電阻”教學為例

譚國鋒

(杭州第二中學 浙江 杭州 315009)

新一輪課程改革中物理學科的核心素養由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”和“科學態度與責任”4個方面構成.基于對知識序、認知序和教學序的理解和考慮，筆者以為這四者之間的關系應是以“科學探究”為載體，以“科學思維”為主線，讓學生經歷和體驗物理學習的過程，并基于這些體驗和經歷樹立“科學態度與責任”，進而實現“物理觀念”的建立.因此學生“科學探究”能力的培育對于學生物理核心素養的習得是尤為重要的.

“科學探究”是指提出科學問題、形成猜想和假設、設計實驗和制定方案、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、反思的能力.主要包括問題、證據、解釋、交流與合作等要素.遺憾的是很多教師眼中的科學探究課堂是費時、費力、出不了成績的作秀課；聽到的很多探究式教學的公開課上，教師過多的關注于自己的教，并沒有從學生出發，去關注學生的學，程序式的探究的流程，漠視學生為什么要探究，怎么進行科學探究，探究的結論有什么積極的作用.如何在核心素養的指導下，真正從學生出發，優化科學探究的過程，筆者有一些粗淺的思考，下面以人教版《物理·選修3-1》“導體的電阻”這一節典型的規律課為案例，談談自己對核心素養下優化科學探究過程的認識.

1 教學分析

1.1 教材分析

導體的電阻是本章內容中第六節內容，既是對前面所學幾節知識的應用，又是通過本節的學習，嘗試用伏安法測量電阻，體驗科學探究的基本方法，讓學生對物理規律的得出過程有最直觀的體驗.

1.2 學情分析

學生在初中已經學習了導體電阻和哪些因素相關的定性概念，但是對定量的關系，仍然沒有理論上的高度認識，在前面幾節的學習中，也掌握了伏安法等基本的電阻測量方法，也具有了一定的實驗探究基礎.

但是，本節教材對于導體的電阻的規律，照本宣科很難引起學生的學習興趣.教學中只給出了理論的推導和一組定性判斷電阻與長度關系的演示實驗，沒有科學的探究過程，學生的核心素養很難在課堂上得到提升.

思考：教材分析中我們總是從物理學角度判斷該部分內容很重要、從“考”的動機上“確定”該內容的“核心”要素，總是線性地思考學生已經掌握了什么、應該具有什么能力.核心素養的視角下教師對教材定位時要多一些立足學生的自問：學生對“規律”類的問題是否感興趣、對影響電阻大小的因素有何種層次的理解(是記憶公式還是有科學思考)、對“問題與探究”有怎樣的期待等問題.

2 教學目標

核心素養下“導體的電阻”教學目標如表1所示.

表1 核心素養下“導體的電阻”教學目標

思考：用基于核心素養發展的課堂教學目標體系為指導，能夠讓課堂教學緊扣清晰的核心素養培養目標來開展，可以讓學生充分地參與到課堂和科學探究中，在經歷科學探究的過程中，各維度都得到發展，真正做到課堂以學生為主體，有著比傳統三維教學目標更好的指引性.

3 教學過程

3.1 問題情境引入

隨著生產的發展，我們經常能夠聽到某個工廠的火災新聞，其中很多的火災現象都來源于電器內部.

演示實驗如圖1所示.將一張葫蘆狀的錫紙(來源于香煙殼，不同地方粗細不同)與滑動變阻器一起串聯接入7 V的交變電路上,問學生：會發生什么？一個學生上臺閉合電路，完成實驗，發現火苗從最細的中間燒起來.

圖1 演示實驗

提問：為什么是最細的位置燒起來？導體的電阻與何因素有關？

思考：引入的問題情境的價值在于激發學生的問題意識，彰顯探究的意義，在于調動學生的探究興趣.聯系課堂的發展方向，來源于生活的情景和實驗引入，能夠讓學生有較強的科學態度和熱情，能夠為后續的科學探究順利開展蓄勢.

3.2 科學猜想的誕生

(1)猜想的啟發

首先讓我們看看不同型號的電阻,如圖2所示.現在的汽車頭燈一個燈泡中有兩根鎢絲可調遠近光，如圖3所示，看看這些電阻的大小，可能和哪些因素有關系？

圖2 不同型號的電阻 圖3 汽車頭燈中的鎢絲

(2)猜想的引導

立足于思考有以下幾種猜想.

學生甲：由滑動變阻器可以知道，電阻與導體的長度有關；

學生乙：燈絲粗細不同，電阻不同，電阻與導體的橫截面積有關；

學生丙：質量、密度不同，電阻也不同，電阻與導體的質量、密度有關;

學生丁：溫度不同，電阻也不一定相同，可能和溫度有關.

溫度、質量和密度，都與導體的材料有關，歸類到材料當中.

思考：猜想不是任學生“天馬行空”般的胡思亂想，也不是留于形式的假猜想.學生的猜想是一個從懵懂逐步走向成熟的過程.教師需要有充分的預設，高屋建瓴地引領學生思考的方向，肯定并鼓勵學生的各種猜想，并能提取合理的進行整合和歸類，引導到課堂探究的主線上.

3.3 科學探究的步步深入

(1)實驗探究R與L，S的關系

1)方案設計的引導.

問題1：當研究的物理量與兩個及以上的量有關系時，怎么辦？具體如何控制？

問題2：如何去測量這些物理量？

2)小組合作，控制材料與S相同，研究R與L的關系，實驗器材如圖4所示.

西門子MP277觸摸屏采用WinCC flexible軟件組態操作界面，用以監視變頻器的參數與狀態信息、顯示重要參數的歷史趨勢、給出故障處理建議、計算節能等功能。PLC將用戶的控制指令通過RS-485通訊發送給指定變頻器，變頻器做出對應的應答信息。系統主從設備之間嚴格的控制與應答請求，確保了整個控制系統的準確性、安全性和可靠性。

圖4 實驗器材

實驗探究，數據處理，根據圖像得出R與L成正比.

3)師生合作，測量5根長度相同，橫截面積逐倍增加的鎳鉻合金的電阻，并作出圖像如圖5所示，分析如下.

圖5 橫截面積S/S0與電阻R的關系曲線

問題3：該圖像分析結果能否說明R與S成反比？需要如何處理？總結化曲為直的思想，改變縱坐標，再重新作圖分析,如圖6所示.

圖6 橫截面積S/S0與電阻倒數的關系曲線

(2)理論探究R與L,S的關系

1)引導學生建立問題模型

假設原電阻為R0，當它的S0不變，長度變為n倍時，若能找到R變成幾倍，就能找到R與L的關系；同理若L不變，面積變成原來n倍時，若能找到R變成幾倍，就能找到R與S的關系,問題模型如圖7所示.

圖7 問題模型

2)邏輯推理得出問題結論

(3)定性探究R與材料的關系

1)控制變量，對所測量的數據進行觀察，找尋導體的電阻R隨材料不同會發生變化,如表2所示.

表2 R與材料的關系

2)演示實驗，感受R與溫度有關

將小燈泡與日光燈管的燈絲串聯接入3 V直流電路,如圖8所示，讓同學上臺對準日光燈管的燈絲吹氣，觀察會有什么現象產生？

圖8 演示實驗：R與溫度的關系

學生上臺實驗，發現吹氣時，小燈泡變亮.吹氣時燈絲溫度的降低，改變了燈絲的電阻大小.

3)理論推導，引出電阻率相關教學

從成正比到等式，需要加一個比例系數，這個比例系數與導體的材料有關，需要引入新的物理量，即電阻率，完成電阻率相關內容的教學.

3.4 探究成果回歸生產和生活

生活應用一：北京質監局對電線電纜進行檢測，大部分存在電阻不合格問題，主要是銅材質量不合格，是通過什么原理進行的檢測？

學生活動：如圖9所示，通過電線產品合格證上顯示的信息，對導線的電阻進行計算，再用多用電表測試實際的導線電阻大小，判斷是否合格.

圖9 電線產品合格證

由產品合格證的信息推算，若是純銅導線，電阻大小

用數字電壓表測得實際導線的電阻大小為1.26 Ω，說明該銅質導線摻有雜質.

生活應用二：展示電腦的發展過程，現在的電腦很難看到電阻的影子，電阻微型化是基于什么原理？

學生活動：

(1)理論推導.高相同，底面邊長不同的正方體電阻大小相同.

(2)實驗.大小不同的兩張正方形導電紙，如圖10所示，用數字多用電表測其電阻，測得電阻大小幾乎相同.

思考：學生本節課對影響電阻大小的因素的學習和認知來源于生活，通過科學探究得出的結論又能反過來應用于生活，這個體驗能夠讓學生在原生態地理解科學、技術、社會的基礎上，逐漸形成對科學和技術緊密聯系的正確態度以及責任感，落實科學態度與責任的核心素養培養.

圖10 大小不同的正方形導電紙

3.5 課堂小結中的品味與展望

品味：總結本節課研究過程中的科學探究方法和物理思想.

(1)總結科學探究方法：問題→猜想→設計方案→理論、實驗驗證→結論→應用

(2)總結物理思想：控制變量、類比、間接測量、化曲為直、建立模型

展望：

(1)若溫度不斷降低，電阻是否可以取向零，變成超導，會對我們的社會產生什么影響？

(2)電阻可以做到微型化，由此啟發，電阻是否做得越小越好？

思考：當前看到課堂小結多半是“走過場”式，幾乎是照著板書從頭到尾的念一遍.小結是對整個課堂從核心素養目標角度的一個新認識，特別是對于科學探究的過程和方法、學習的情感體驗應該有“品味”的態度.小結不代表通過一節課，對所探究的問題畫上一個句號，應該是對探究問題的更多關注畫上一個問號，讓學生飽有科學探究的熱情和責任感.

4 教學反思

本節課的鮮明特色是以核心素養為指導，從教學目標的制定到探究過程的開展都基于核心素養的4個維度進行設計.整節課下來，無論從學生的反應還是從自己教學體會來看，都充滿著生命力，緊盯主題問題情境和循序漸進的問題鋪墊，讓探究內容在 “期待”中生成；理性的科學探究與感性的合作交流相交融，讓物理研究的課堂體現著“一花一世界、一葉一菩提”的韻味.學生通過課堂經歷了科學探究的過程，發展了科學思維，體驗了科學的奇妙與艱辛，培養了科學態度和責任感，落實了物理課堂核心素養的培養.