以解決實際問題提升核心素養的實驗教學實踐
——以“測繪小燈泡伏安特性曲線”實驗課為例

廖文斌

（福州高級中學，福建 福州 350007）

實驗是物理這門自然科學的基石，實驗教學是物理學科教學的重要組成部分，實驗教學過程中可以深入挖掘實驗內容、實驗原理、實驗分析、實驗思想等方面的知識價值，引導學生從學科的角度形成對物理學的整體認識，幫助學生構建更科學、更嚴密的學科知識結構體系。［1］在學生動手實驗的過程中，會伴隨實驗的進行產生各種各樣的實際問題，而學生的科學思維、探究能力，以及科學態度和責任都將隨著學生逐步解決實驗中產生的實際問題而得到提升。然而物理實驗教學的現狀是：學生在物理實驗室進行分組實驗時，動手做實驗所遇到的問題和試題中所遇到的問題往往區別很大，而且有些實際問題與試題中所考察的問題還有著明顯的矛盾，學生如果死記試題中所遇到的問題解決辦法來解決實際問題，經常會導致實驗無法順利完成。因此，如何從解決問題的實驗教學轉變為解決實際問題的實驗教學，對于以核心素養的培養為目的的新課程教學有著深刻的意義。本文以測繪小燈泡的伏安特性曲線實驗課為例，嘗試對上述的問題進行實踐探索。

一、從解決試題問題到解決實際問題

在測繪小燈泡伏安特性曲線的實驗中，教師基本會要求學生按以下步驟進行實驗：

（1）根據實驗原理圖（圖1）連接好實物電路，然后再閉合開關，開始測量。

（2）在閉合開關前，將滑動變阻器要滑到最左端，讓測量電路的電壓和電流均從零開始測量。

圖1

（3）要求學生按實驗報告冊所提供的數據表格（如表1）進行測量。

在大量的試題問題中，如果有考查學生實驗步驟的，上述的步驟（1）（2）即是問題的標準答案，而上述的（3）在大量試題中，為了考查學生數據處理能力中的作圖能力，會給出已經測好的數據（如表2），要求學生在坐標紙上用描點法畫出某元件的伏安特性（I～U）曲線。

表1

表2

這些試題問題的標準答案都是以儀器全部完好、小燈泡未燒壞、學生接線一次全對，不需要試錯過程以及學生測量數據操作完美等條件全部理想化為前提的.而教師在實際教學中會遇到的實際問題是：學校是以班級進行授課的，在一個班級完成實驗后，實驗器材不是全新的，必然會有儀器出現損壞，而課間十分鐘，教師無法及時進行更換，同樣的道理，小燈泡亦可能出現被燒壞而無法及時更換；而對于學生的操作，學生在高一階段沒有涉及過電路的基本連接操作，即使有進行過訓練，一個班級的學生必然也會有部分學生操作出錯，學生在接線過程中需要不斷試錯；而上述（3）步驟要求學生按已定好的電壓示數進行測量，實際操作中必然會出現學生不斷地來回調動滑動變阻器，測量時間延長很多，而造成更大的誤差。而這些都是學生在分組實驗中會遇到的實際問題，試題問題和實際問題在教學中會激發學生的認知沖突，這種情況下學生的好奇心將被迅速點燃，學生的質疑意識也將因此而發動，學生也將在相關思維的驅動下積極參與到各項實驗活動中［2］。因此，應有效地運用上述沖突進行教學，引導學生從解決問題到解決實際問題，從而提升學生的核心素養，提升學生的實驗能力。本文以學生已經掌握了電流表的內接和外接以及滑動變阻器的限流式接法和分壓式接法，理解測繪小燈泡伏安特性曲線的電路原理圖和掌握電表讀數的前提下，進行分組實驗的教學。

二、從實際問題出發指導實驗

實驗目的：測繪小燈泡的伏安特性曲線。實驗原理圖：（如圖1）。實驗器材：小燈泡（3.8V）、電壓表、電流表、滑動變阻器（0-10Ω）、開關、學生電源（4-6V）、導線若干。

在學生進行分組實驗前教師對實驗目的、實驗原理、實驗器材進行梳理，然后針對實驗步驟提出以下幾個問題，引導學生思考。

問題1：實驗器材由于重復使用，無法確定是否有損壞，按照原理圖連接好電路后，常會出現電表均無示數的現象，如何連接電路可以快速檢查出損壞儀器，避免上述問題？

設計意圖：將試題問題與實際問題沖突直接呈現，啟發學生思考。在不確定儀器是否損壞的前提下，連接越多儀器，越難發現問題；而且按照實驗原理圖連接，閉合開關后，電表不會有示數，只有調節滑動變阻器后，才能發現問題。因此，應該先連接較少儀器，逐一進行排除。在學生思考到這一解決辦法后，教師提出更高要求的問題。

問題2：能否在你按照實驗原理圖進行連接的過程中，進行檢查儀器的損壞，從而節省時間？

設計意圖：學生對于問題1 的答案可能是多樣，也都可能是正確的，教師通過問題2 的設計，引導學生找出既能解決問題又能節省時間完成實驗的最優解：將電壓表排除在外，先將電路連接成限流式（如圖2），若電流表無示數，可以省去燈泡看電流表是否有示數或省去電流表看燈泡是否點亮來進行快速檢查損壞儀器，確定無損壞后再將電壓表并聯進燈泡兩端，培養學生的科學思維和實驗能力。

圖2

問題3：實驗原理圖中滑動變阻器為分壓式接法，檢測電路為限流式接法，需要重新拆分電路后再次連接嗎？

設計意圖：引導學生再次通過實物連接區分分壓式和限流式，即在滑動變阻器下端空接線柱和電源負極間直接接一條導線（如圖3）。并且學生可以通過再次閉合開關發現，在沒有調節滑動變阻器的前提下燈泡亮度明顯下降，培養學生將理論結合實際以及實驗操作能力。

圖3

問題4：連接好電路后，本次測量需要將測量電路短路，從零開始測量，如何確定你連接的實物滑動變阻器應該滑到哪一端？

設計意圖：學生對于原理圖容易區分應該滑到哪一端，這屬于理論問題，而將此問題結合到具體的實物電路圖中，由于實物線路的復雜，學生將不易于區分哪一端可以將測量電路短路。而實際操作中，學生可以在問題3 后，發現燈泡明顯變暗的前提下，調動滑動變阻器，直至燈泡完全熄滅的那一端。培養學生應用科學思維靈活解決實際問題。

問題5：測量過程中，回測會導致誤差變大，按提供的表格記錄數據你可以做到不回測嗎？

設計意圖：由于滑動變阻器的阻值調節具有很大的不確定性，因此，在不能回調的前提下，即使是教師也很難做到按相應的電壓示數進行測量，所測的數據必然是有很大隨機性的。實驗的目的是測繪小燈泡的伏安特性曲線，不按所提供的電壓示數測量也可以達到目的，并且更能保證數據的準確性，培養學生解決實際問題的過程中依然保持科學的態度和責任。

最后，由于以上操作，應先讓小燈泡冷卻幾分鐘，學生再進行分組實驗，教師進行分組指導，并認真傾聽和歸納學生在實驗過程中所提出的問題。

三、總結實驗中生成的實際問題

物理教學中，學生強烈的問題意識既是思維的起點，又是思維的動力，也是教學的歸宿。顯然，讓學生自己發現并提出問題遠比教師設置問題更有教育價值，而借助實驗創設問題情景是發現并提出問題很有效的途徑，教師應充分發掘物理實驗在培養學生發現和提出問題能力方面的潛在教育價值。［3］因此在學生做完實驗后，教師可以通過整理歸納學生在實驗中提出的幾個關于實驗的實際問題，讓全班學生進行思考討論，從而引導學生從解決問題進一步到解決自己提出的實際問題。

（1）測量過程開始階段，發現電流表示數無法從零開始調節，而電壓表可以。引導學生分析實際電路與原理圖的區別：在實際電路中由于接線柱和導線電阻的存在，很難做到短路，電壓電流均很難從零開始調節。而電壓表（0-3V）的最小分度值為0.1V，電流表（0-0.6A）的最小分度值為0.02A，電流表比電壓表更為靈敏，因此就出現了電壓表看起來無示數，而電流表有示數的現象。

（2）個別組測量中發現電壓表、電流表示數均無法從零開始調節。引導學生分析可以調節但無法調零的主要原因即分壓式接法未接好，應再次檢測是否將分壓式接法接錯或導線是否通路。

（3）測量過程中，電壓表、電流表示數不穩定，會抖動，導致讀數不便。引導學生分析：電表有示數說明電路是通路的，可以調節說明電路連接正確，示數抖動說明電流電壓不穩定，很可能是電路某處接觸不好，而測量過程中調節最多的是滑動變阻器，因此，最大可能是滑動變阻器的接觸不好。

（4）測量后半段，小燈泡突然不亮，但是電壓表有示數，電流表無示數。引導學生分析：個別小組在測量過程中，小燈泡突然燒壞，而小燈泡剛開始測量時由于電流太小是不亮的，因此在測量中小燈泡一直未亮，學生不容易引起察覺。從而導致出現電壓表有示數，可調節，而電流表無示數的現象。

在總結實驗的過程，并將故障電路的分析蘊含其中，把理論分析與實際問題結合，在學生自己提出問題的基礎上，引導學生自己解決問題，滲透實際問題的分析方法，從而訓練學生的科學思維，提升學生的核心素養。

四、結語

在新的課程改革和核心素養的提出背景下，近年的考試也常見到把上述的具體的實際問題作為試題，如以下的這個試題：

如圖4，在測量中小明發現，無論如何調節滑動變阻器的滑片，電壓表和電流表的示數均不能取到較小值，其原因可能是導線__________（填圖中導線代號）沒有連接好。

圖4

這個問題就是將本節實驗課，實驗總結的第（2）個實際問題轉變為試題問題，充分體現了新課程標準下對于培養學生從解決試題問題到解決實際問題的轉變。

但是，實驗教學將培養學生的實驗能力，促進學生終身發展作為教學的出發點和落腳點，應摒棄“不考什么便不教什么不學什么”的功利主義，使物理實驗成為培養學生創新精神和實踐能力的重要載體。［4］物理教學中將研究的實際問題進行理想化模型處理，是物理學科重要的思維方法，而運用模型處理問題是為了解決實際問題，因此引導學生如何應用從構建模型的訓練中培養起來的科學思維方法來解決實際問題，是核心素養體系下物理教學的重點。而實驗教學對于訓練學生應用科學思維解決實際問題，對于培養學生科學的態度和責任感，以及創新和實踐能力等都有著不可替代的作用，是物理教師教學研究的重要組成部分。