指向物理核心素養(yǎng)的分解式實驗探究
——以“串聯(lián)電路中的電壓規(guī)律”實驗教學(xué)為例

謝 立 申金娥 李 靜 黎 莎

(中國科學(xué)院附屬實驗學(xué)校 北京 100029) (中國傳媒大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100024)

1 問題的提出

對于探究實驗而言，結(jié)論的可靠性很大程度上依賴于實驗數(shù)據(jù)的可信度.一般而言，實驗數(shù)據(jù)的可信度主要包括兩個方面：一是數(shù)據(jù)采集的隨機性，因為特殊的數(shù)據(jù)難以說明普遍的問題；二是數(shù)據(jù)組數(shù)的充分性，因為數(shù)據(jù)太少，難以避免實驗結(jié)果的偶然性.因此，要得出一個相對可靠的實驗結(jié)論，就需要依據(jù)多組普通的數(shù)據(jù).具體辦法就是：在測量過程中足夠多次地、隨機地改變自變量，并分別測量每次對應(yīng)的因變量.以“探究串聯(lián)電路中用電器兩端電壓與電源兩端電壓的關(guān)系”為例，從實驗?zāi)康目梢钥闯觯咎骄繉嶒灥淖宰兞渴恰半娫措妷?U電源)”，因變量是“用電器兩端電壓”.因此，想要獲得多組普通數(shù)據(jù)，就應(yīng)該在測量過程中多次隨機改變U電源這個自變量，并分別測量每次對應(yīng)的“用電器兩端電壓”這個因變量.

然而，人民教育出版社九年級物理教材第60頁的探究實驗——“探究串聯(lián)電路中用電器兩端電壓與電源兩端電壓的關(guān)系”列出的實驗的操作步驟第4步卻是“改變兩個小燈泡的規(guī)格，重做上述實驗”[1].這個步驟顯然是為了提高實驗結(jié)論的可靠性而進(jìn)行多次實驗.然而，這樣做真的能保證實驗結(jié)論的可靠性嗎？筆者認(rèn)為不能，原因至少有兩點：

(1)只有兩個用電器串聯(lián)的電路是最簡單的串聯(lián)電路，其本身就有特殊性，如果得出某種結(jié)論，也只能說適用于兩個用電器的串聯(lián)電路，并無法保證適用于多個用電器的串聯(lián)電路.因此，要把實驗結(jié)論推廣到“串聯(lián)電路”的范疇，必須用含有不同個數(shù)用電器的串聯(lián)電路做多次實驗，通過不完全歸納法得出結(jié)論.

(2)就實驗的目的來看，這個實驗的自變量是U電源.如果僅讓燈泡的規(guī)格改變，卻不讓U電源做任何改變，就算取得數(shù)據(jù)也不能探究出“串聯(lián)電路中用電器兩端電壓與電源兩端電壓的關(guān)系”，頂多只能得到“串聯(lián)電路中電源電壓一定時，各用電器兩端電壓之間存在某種關(guān)系”.

綜合來看，將只有兩個用電器串聯(lián)的實驗結(jié)論草率地推廣到所有的串聯(lián)電路，屬于證據(jù)不足；探究“串聯(lián)電路中用電器兩端電壓與電源兩端電壓的關(guān)系” 卻不讓U電源做任何改變，屬于邏輯不清；試圖通過一個實驗完成這個相對復(fù)雜的探究問題，屬于條理不明.

基于以上討論，我們不難發(fā)現(xiàn)，要想帶領(lǐng)學(xué)生全方位地探究“串聯(lián)電路中用電器兩端電壓與電源兩端電壓的關(guān)系”并得出“串聯(lián)電路中各用電器兩端電壓之和等于電源電壓”這一結(jié)論，就務(wù)必解決串聯(lián)電路中用電器個數(shù)的問題以及實驗數(shù)據(jù)的組數(shù)問題.但是，如果想在一個實驗中同時解決這些問題，“眉毛胡子一把抓”，則必然會出現(xiàn)思維上的混亂.實驗設(shè)計過程不嚴(yán)謹(jǐn)，最終得出的實驗結(jié)論也是不科學(xué)的，不利于學(xué)生科學(xué)探究能力的發(fā)展和物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

2 改進(jìn)建議

如果探究問題相對復(fù)雜，不妨將它有條理地分解成逐層遞進(jìn)的多個簡單問題，然后逐步予以解決，最終得出結(jié)論.以“串聯(lián)電路中用電器兩端電壓與電源兩端電壓的關(guān)系”這一探究問題為例，可以將整個探究過程按照圖1所示，分解成逐層遞進(jìn)的3個層次的問題,所用電路如圖2所示.

圖1 “串聯(lián)電路電壓規(guī)律”的分解式實驗探究

探究1：如圖2所示，考慮兩個用電器串聯(lián)的情形，先探究這兩個用電器兩端電壓之間的關(guān)系，即探究UAB與UBC之間的關(guān)系.

圖2 兩個用電器串聯(lián)的電路

這個問題中，可以將UBC視為自變量，將UAB視為因變量(當(dāng)然，也可以將UAB視為自變量，將UBC視為因變量).改變自變量的方式就是更換不同規(guī)格的燈泡，通過多次改變燈泡的規(guī)格，使UBC發(fā)生改變，進(jìn)而獲得多組(UBC，UAB)數(shù)據(jù).然后通過數(shù)據(jù)分析，得到UAB與UBC之間存在某種定量關(guān)系的結(jié)論，表達(dá)式為UAB=U-UBC(U為定值).將該表達(dá)式變換形式，又可以得到UAB+UBC=U(U為定值)的結(jié)論，即“兩個用電器串聯(lián)的電路中，電源電壓一定時，各用電器兩端電壓之和等于定值”.這一結(jié)論又對學(xué)生猜想U與U電源之間的關(guān)系具有明顯的指引作用.

探究2：在探究1結(jié)論的引導(dǎo)下，探究“兩個用電器串聯(lián)的電路中，兩用電器兩端電壓之和(U)與電源電壓(U電源)之間的關(guān)系”.這個實驗中，U電源是自變量，U是因變量.通過多次改變U電源(考慮到干電池內(nèi)阻的影響，這里建議使用學(xué)生電源)，獲得多組(U電源，U)數(shù)據(jù)，得到“U=U電源”這一結(jié)論，即“在兩個用電器串聯(lián)的電路中，兩用電器兩端電壓之和等于電源電壓”.

很明顯，這個結(jié)論不能草率地推廣到2個以上用電器串聯(lián)的電路中.盡管如此，這個結(jié)論也能對后續(xù)的探究起到很大的導(dǎo)向作用，學(xué)生很容易能想到：如果串聯(lián)電路中用電器個數(shù)增多，“U=U電源”這個結(jié)論是否仍然成立呢？這樣就順理成章地過渡到探究3.

探究3：探究“在多個用電器串聯(lián)的電路中，各用電器兩端電壓之和(U)與電源電壓(U電源)之間的關(guān)系”.在這個實驗中，可以嘗試將學(xué)生分成多組，每組串聯(lián)電路中用電器的個數(shù)各不相同，最后將各組實驗結(jié)果匯總，通過不完全歸納法得出“串聯(lián)電路中各用電器兩端電壓之和等于電源電壓”這一普遍結(jié)論.

至此，我們通過把一個復(fù)雜的物理探究問題有條理、有層次地分解成若干個逐層深入的簡單探究問題，完成“串聯(lián)電路中用電器兩端電壓與電源兩端電壓的關(guān)系”的探究.

3 幾點討論

3.1 改進(jìn)的必要性

“探究串聯(lián)電路中用電器兩端電壓與電源兩端電壓的關(guān)系”本身就不是一個簡單問題，它涉及需要改變的量很多(U電源、用電器個數(shù)、燈泡規(guī)格).此外，“串聯(lián)電路”這4個字就不是一個狹隘的概念，兩個用電器依次連接叫串聯(lián)，3個或3個以上用電器依次連接也叫串聯(lián).光憑這一點，如果只通過用電器個數(shù)一定的串聯(lián)電路來做實驗，得到的結(jié)論就不能夠簡單地推廣到“串聯(lián)電路”的范疇.

正如本文“問題的提出”部分的分析，如果完全按照教材所提供的方式進(jìn)行這部分內(nèi)容的教學(xué)，則必然存在證據(jù)不足、邏輯不清、條理不明等三大問題，這些問題明顯有悖于《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》所明確提出的要求——“使學(xué)生在解決問題時，概念要分清楚，對象要弄明白，思維要有邏輯，步驟要有條理，說話要有證據(jù).”[2]如果教師在教學(xué)的過程中意識不到這一點、不對教材所提供的做法進(jìn)行改進(jìn)，那么這樣的教學(xué)是不利于發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的.出于這種考慮，辯證地看待教材內(nèi)容，并進(jìn)行批判的思考以及建設(shè)性的改良是非常有必要的.

3.2 改進(jìn)的理論依據(jù)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個方面[3].“探究串聯(lián)電路中用電器兩端電壓與電源兩端電壓的關(guān)系”至少涉及了“科學(xué)思維”和“科學(xué)探究”兩大方面.從落實學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的角度來說，實驗探究的過程是不容忽視的.關(guān)于實驗過程的推進(jìn)，《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》在“實施建議”部分明確指出：“在科學(xué)探究中，教師不僅應(yīng)關(guān)注讓學(xué)生通過探究發(fā)現(xiàn)某些規(guī)律，而且應(yīng)注重在探究過程中發(fā)展學(xué)生的探究能力，提高探索興趣，增進(jìn)對探究本質(zhì)的理解，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神.”[2]具體到本文所討論的這個探究實驗，教師不應(yīng)該僅關(guān)注“串聯(lián)電路中各用電器兩端電壓之和等于電源電壓”這一結(jié)論，同時應(yīng)該立足于對學(xué)生探究邏輯的訓(xùn)練、證據(jù)意識的培養(yǎng)，密切關(guān)注探究的過程，在過程中發(fā)展學(xué)生的探究能力.如果只關(guān)注物理知識本身，在邏輯不嚴(yán)密、證據(jù)不充分的情況下，為了趕進(jìn)度而草率得出結(jié)論，那么學(xué)生探索興趣的培養(yǎng)、探究能力的培養(yǎng)甚至核心素養(yǎng)的培養(yǎng)也就無從談起.

3.3 改進(jìn)的實踐依據(jù)

筆者對“串聯(lián)電路中的電壓規(guī)律”實驗教學(xué)的改進(jìn)，從實踐的層面來講，主要受啟發(fā)于研究者們對“探究杠桿平衡條件”這個實驗教學(xué)的改進(jìn).這個實驗涉及到了動力(F1)、動力臂(L1)、阻力(F2)和阻力臂(L2)共4個變量，我們難以有條理地僅通過一個探究實驗得出F1L1=F2L2.然而，人教版八年級下冊物理教材第77頁在實驗步驟的第1步就直接提出：“給杠桿兩端掛上不同數(shù)量的鉤碼，移動鉤碼的位置，使杠桿重新在水平位置平衡”[4].這里連自變量、因變量、控制變量是誰都沒有搞清楚就急于在杠桿兩端掛鉤碼，顯然沒有顧及探究實驗的邏輯性和條理性.

鑒于此，秦曉文老師在其著作《探究照亮未來》一書中提供了一個改進(jìn)的教學(xué)案例，該案例將原探究問題分解成兩個層次的問題：層次1——首先控制4個變量中的兩個，然后探究剩余兩個變量的關(guān)系.比如控制F2和L2，探究F1與L1的關(guān)系.這時，學(xué)生能夠得出“F2和L2不變時，F(xiàn)1與L1的乘積不變”，同時還將發(fā)現(xiàn)F1與L1的乘積與兩個控制變量的乘積似乎是一樣的.這樣就指引著學(xué)生進(jìn)行層次2 的探究——探究F1L1與F2L2的關(guān)系，將兩個乘積分別看成因變量、自變量，最終得出結(jié)論[5].這樣做，就使得探究問題趨于有邏輯、有條理.如果八年級探究杠桿平衡條件是這樣探究的，九年級探究串聯(lián)電路中電壓規(guī)律是按照本文所建議的方式探究的，通過兩項對比，學(xué)生就能夠?qū)?fù)雜探究問題的層次化分解有更深的認(rèn)識.

3.4 改進(jìn)之后面對考試的問題

目前大多數(shù)初中物理考試命題，在考查“串聯(lián)電路電壓規(guī)律”時，基本沒有顧及上述問題，在考查實驗結(jié)論的普遍性時，通常只是要求考生答出“改變兩個小燈泡的規(guī)格，重做上述實驗”即可.通過上述分析，我們已知這種考法在邏輯上是存在問題的.我們的教學(xué)如果改了，而考試沒改，學(xué)生將如何面對考試？面對這個問題，我們需要先想清楚兩個問題：

(1)究竟是以考試來指揮教學(xué)，還是以基于學(xué)生自身發(fā)展的能力培養(yǎng)來指揮教學(xué)？

(2)我們的考試命題是否永遠(yuǎn)一成不變？

問題(1)是一個教學(xué)理念格局的問題，“教書育人”的最終落腳點是人的發(fā)展，考試僅是發(fā)展過程中的一個檢測、評價的方式.如果為了獲得高分而迎合邏輯存在問題的考試試題，無異于削足適履，得不償失.針對問題(2)，筆者認(rèn)為我們應(yīng)該以一種發(fā)展的眼光看待考試的改革，在教育教學(xué)改革日益深入的當(dāng)下，試題命制的科學(xué)性、邏輯性已經(jīng)為越來越多的研究者們所關(guān)注，存在問題的命題思路一定能逐漸得到糾正.

4 小結(jié)

核心素養(yǎng)的落實是新時代教師所應(yīng)該關(guān)注的基本問題.改進(jìn)不利于學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的教學(xué)素材、轉(zhuǎn)變不利于學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的教學(xué)理念，是落實學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的必要條件之一.基于這種考慮，本文以“串聯(lián)電路中的電壓規(guī)律”實驗教學(xué)改進(jìn)為例，通過分析教材、考試試題中出現(xiàn)的問題，針對性地提出了改進(jìn)建議，闡述了“指向物理核心素養(yǎng)的分解式實驗探究”這一主題，希望能對初中物理實驗探究的教學(xué)以及試題命制產(chǎn)生一定的參考價值.