促進深度學習的實驗探究教學策略探討①——以“導體的電阻”教學為例

(江蘇省太倉高級中學，江蘇 蘇州 215411)

深度學習是對學習狀態的質性描述，涉及學習者對學習的投入程度、學習的思維層次和認知體驗等層面，是以高階思維為主要認知活動的高投入、有意義學習方式。深度學習強調對知識本質的理解和對學習內容的批判性吸收與應用，追求學習遷移的有效性和問題解決的深刻性、靈活性與創造性。

實驗探究教學是在教師的幫助下，學生通過實驗、探索、分析、研究得出結論，從而建構科學概念、發現科學規律的一種認知活動。實驗探究教學能夠促進學生全身心參與學習過程，幫助學生深度理解和把握知識的本質，同時提高模型建構、分析綜合和質疑創新等科學思維能力，充分挖掘實驗蘊藏的思想方法和教育價值，以促進學生高階思維能力和思維品質的提升。因此，實施實驗探究教學是促進深度學習的有效途徑，本文以“導體的電阻”教學為例，簡述促進深度學習的高中物理實驗探究教學策略。

1 模擬真實情景，引發認知沖突

課堂教學由于時空的限制，無法再現生活中的一些現象或場景。為了增強學生的切身體驗，可以模擬生活中的實際問題情景，選用的問題情景最好能引發認知沖突，激起學生積極思考和探究的欲望。

教學片斷1：在“導體的電阻”教學環節引入模擬野外求生的場景。在野外生存，學會生火是一項基本技能，現有兩節干電池和一盒隨身攜帶的口香糖(中間有一層鋁箔紙)。

如圖1所示，現有兩個不同形狀的錫箔紙，其中一個呈長方形，另一個中間有一個缺口(中間很窄)。如果將兩節干電池和兩個鋁箔紙首尾相接構成一個閉合回路，由于短路，哪個更容易著火？

圖1

學生在猜想時，有的認為長方形鋁箔紙上容易著火，有的認為有缺口的容易著火。

通過實驗演示，學生們驚奇地發現：在鋁箔紙缺口的地方冒煙并燃燒了起來。實驗現象引發了學生強烈的認知沖突和探索欲望。

2 創設挑戰任務，設計實驗方案

在實驗探究教學中，教師可以創設開放式情景，利用問題鏈驅動等方式，讓學生自主設計實驗方案，并對實驗方案進行科學性和可行性分析、論證。

教學片斷2：學生基于事實和經驗，猜想導體的電阻與導體的長度、粗細、溫度和材料有關，在定量研究一個物理量與多個變量之間的關系時采用控制變量法。

學生嘗試設計實驗方案，當保持材料、溫度和導體的粗細不變時，如何設計實驗電路，研究導體的電阻與其長度的定量關系？小組合作設計，并進行分析說明。學生在小組討論后提出以下3種實驗方案。

方案1:如圖2所示，根據歐姆定律，用電流表和電壓表直接測出電流和電壓，可求得導體的電阻，用刻度尺測出導線的長度。再換幾根長度不同、材料和橫截面積相同的導線進行實驗，尋找規律。

圖2

方案2：如圖3所示，根據串聯電路電流處處相同的特點，將長度成倍數關系的兩根導線串聯，用電壓表分別測量它們兩端的電壓，尋找比例關系。

圖3

方案3：如圖4所示，將一根裸導線拉直，用帶夾子的導線夾在裸導線上不同位置，從而改變接入電路的導線長度，為了測量方便，先在裸導線上提前標出中點、三等分點、四等分點的位置，記錄電壓表讀數，分析實驗數據，找出規律。

圖4

組織學生評價上述3個方案的優缺點，以確定實驗的最優方案。學生認為3個方案都是可行的，其中方案1采用直接測量的方法，但操作步驟較多，比較耗時；方案2操作簡單，設計巧妙，用時少，但一次只能測量兩組數據；方案3操作簡單且能測量多組實驗數據。綜上所述，研究導體的電阻與長度之間的定量關系時用方案3最佳。

研究導體的電阻與另外3個因素的關系時，引導學生對上述3個實驗方案進行論證，分析采用哪種方案比較合理。分析后發現：由于橫截面積和材料不像長度那樣容易改變，方案3不是很合理，基于倍增的方法，可以采用方案2，在控制其他量不變的情況下，使R1和R2的橫截面積等成倍數關系，測量它們兩端的電壓，比較電壓的倍數關系。

3 小組合作探究，體驗實驗過程

在得到最優實驗方案后，教師提供所需要的實驗器材，讓學生小組合作，進行實驗操作、數據記錄與處理、分析與論證。通過對實驗數據的交流、分析和論證，總結出實驗結論。

教學片斷3：利用所給的實驗器材，小組分工合作，進行實驗數據的測量、記錄和處理，需要留給學生充足的探究時間，導體的電阻隨長度的變化關系可以運用圖像法直觀呈現。

為了進一步研究電阻率與溫度的關系，可以設計圖5所示的電路，在電路中接入電流傳感器，先用酒精燈加熱電阻，然后撤去酒精燈，記錄利用電流傳感器記錄的數據，畫出圖像。該實驗相比傳統的使用小燈泡、觀察其亮暗的方式來說更加科學和直觀，可順利得到電阻率ρ與溫度相關的結論，然后向學生介紹不同材料在不同溫度下的電阻率數值，并介紹超導現象。

圖5

教學片斷4：教師利用自制的演示實驗裝置，幫助學生進一步加深認識。

自制實驗裝置如圖6所示，取6根長度都為1.0m、橫截面積相同的金屬絲，金屬絲兩端固定在一根木條上，木條上標有刻度，在金屬絲兩端引出兩個接線柱。從上到下，金屬絲的組成材料不同，可以研究導體電阻和材料的關系。在下面5個金屬絲任取一根，接入電路的長度依次為0.2m、0.4m、0.6m、0.8m和1.0m,研究導體電阻和長度的關系。將下面5根金屬絲依次一根、兩根、三根、四根、五根并聯接入電路，研究導體電阻和橫截面積的關系，為了提高精確性，可以用電流傳感器和電壓傳感器進行測量。

圖6

4 基于分析論證，歸納得出物理規律

由于時間的限制，課堂上實驗測得的數據有限，并且個別小組測量的數據誤差較大，為了將實驗結論內化為學生的觀念，還應分析論證，借助邏輯推理得出一般規律。

教學片斷5：教師提出問題：現在有幾段長度相等的短導線，如何得到一根長導線？

學生提出可以將短導線串聯起來，教師再追問：如果每段短導線的電阻為R0，現在串聯后長導線的電阻為多少呢？學生恍然大悟，導線長度加倍可以看成兩個相同的電阻串聯，電阻也加倍，即導體的電阻與其長度成正比。

教師繼續追問：如何分析得出導體的電阻與其橫截面積成反比呢？學生回答：橫截面積加倍相當于將兩個相同長度、相同材料做成的導線并聯。這樣可以將上面用到的思想方法進行遷移，從理論上解釋實驗探究的結果，并讓學生嘗試解釋課堂引入的生火實驗，做到前后呼應。

5 解決實際問題，靈活遷移應用

能夠靈活應用所學知識解決生活中的實際問題是判斷深度學習發生的重要標志，將實驗探究的結論和方法拓展遷移，解決實際問題，一方面是對本節課教學的反饋評價，另一方面也是接下來新知識學習的起點。

教學片斷6：在得出電阻定律后，設置如下實際問題讓學生解決：本節課研究了固體的導電，很多液體也是導體，如家里每天用的自來水。請大家設計一個方案，測出家里自來水在5℃(冬天)、20℃(夏天)下的電阻率分別為多少？

實驗是物理教學的基礎，實驗探究是促進物理深度學習的重要途徑，是促進深度學習真正發生的有效教學方式。在實驗探究過程中，不僅能培養學生的模型建構、分析綜合、設計論證和批判反思等關鍵能力，還能培養他們交流表達、合作分享能力，使他們養成嚴謹認真的科學態度。