立足科學探究 提高核心素養①——以“實驗：電池電動勢和內阻的測量”為例

(江西省九江市同文中學,江西 九江 332000)

物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面，在物理教學中提高學生的核心素養是當前課改的重要課題。“測量電源的電動勢和內阻”是學生必做實驗，該實驗的原理、器材選擇、電路設計、數據處理、誤差分析等環節都能較好地體現核心素養的培養要求，故在高考中頻頻出現，命題也呈現出多樣化、情境化的特征。

傳統實驗所用1.5V干電池的內阻較小，電流變化時電壓變化不大，實驗效果不明顯。水果電池的內阻較大，用水果電池代替干電池，既便于測量，又對學生有吸引力，因此筆者利用水果電池代替干電池進行實驗教學，立足科學探究，提高學生的核心素養。

1 根據課標要求，確定教學目標

《普通高中物理課程標準(2017年版)》指出：“科學探究能力的培養，應滲透在物理教學的整個過程。無論是物理知識的教學，還是物理問題的解決，都要引導學生發現和提出問題，根據問題解決的需要，收集和選擇有用信息，基于證據和邏輯對問題作出合理解釋，培養學生具有準確表述問題解決過程與結果的意愿和能力。”立足科學探究，根據課程標準要求，對“實驗：電池電動勢和內阻的測量”確定的教學目標如表1所示。

在核心素養理念的引領下，課堂教學應緊扣核心素養的培養目標，真正做到以學生為主體，讓學生充分參與到課堂教學中，在科學探究的過程中，使學生各方面的核心素養都得到提升。

2 創設情境，提出問題

人教版高中物理必修第三冊指出：將銅片和鋅片相隔約1cm插入一個梨中，就制成一個水果電池。水果中有大量的電解質，將銅片和鋅片插入其中，分別成為電池的正、負極。如果在外部將銅片和鋅片連接在一起，就構成一個閉合回路，在電路中會形成持續的電流。

2.1 播放音樂，觀察中國地圖

情境：以《我和我的祖國》為背景音樂，用果汁制作電池，點亮中國地圖。

師：這是中國地圖，小燈泡分布神州大地，通過導線和銅片、鋅片相連。這里有一瓶橙汁，哪位同學愿意上來嘗一口？

師：味道怎么樣？

生：好甜！

師：請將橙汁倒入杯中，同學們觀察會出現什么現象？

學生操作，大家看到地圖上一片光明，非常興奮。

師：小燈泡亮了，說明利用果汁可以制作成電池，而電池的兩個重要參數為電動勢和內阻，我們要測定水果電池的電動勢和內阻。

點評：將果汁電池點亮中國地圖的小實驗引入新課，可以讓學生感受原電池的原理，為后面制作水果電池作鋪墊。在《我和我的祖國》音樂烘托下，學生被點亮的中國地圖震撼了，滲透了愛國主義教育。

表1

2.2 實驗制作，形成沖突

師：利用桌上的蘋果制作一個電池，將銅片和鋅片插入蘋果中，此時銅片是正極，鋅片是負極。請同學們猜想：這個蘋果電池能否讓小燈泡正常發光？

生1：能。

生2：不能。

師：大家存在不同的觀點，可以通過實驗進行驗證。將小燈泡和蘋果電池相連接，觀察小燈泡能否正常發光。

學生動手實驗，發現小燈泡沒有發光，感到非常詫異。

師：小燈泡不發光的原因是電池電壓太小嗎？不妨將蘋果電池和電壓表連接，請同學們測量蘋果電池的電壓，并匯報測量結果。

生：1.023V、0.986V、1.044V……

師：從同學們的測量結果中可以發現，蘋果電池兩端的電壓為1V左右，小燈泡為何不亮呢？

生：因為電阻太大，電流太小。

師：小燈泡的電阻通常很小，那么誰的電阻很大呢？

生：蘋果。

師：蘋果的電阻叫電池內阻，那么能不能用電壓表和電流表配合測出電動勢和內阻呢？

點評：教師提出“一個蘋果電池能否讓小燈泡正常發光”的問題，某些學生根據果汁電池能點亮燈泡的實驗現象，猜想此時小燈泡能正常發光；某些學生認為果汁是液體，蘋果是固體，猜想小燈泡不能正常發光。這些猜想都是基于事實提出的合理猜想，通過實驗可以驗證猜想的真偽。實驗發現小燈泡不亮，而電池兩端的電壓為1V左右，引發了認知沖突，進而激發學生對蘋果電池電動勢和內阻的探索欲望，提高了學生通過觀察現象提出可供研究的問題的意識。

3 設計方案，獲取證據

師：根據閉合電路歐姆定律E=U+Ir，改變I、U數值就可以求出電動勢和內阻，那么至少要測量幾組數據呢？

生：兩組數據。

師：對，有兩個未知數至少需要兩個方程，這樣做的偶然誤差大么？

生：當然大。

師：怎么解決？

生：多次測量求平均值，這是最常用的方法。

師：是的，學過的方法就應該用起來，那么如何做呢？

學生經過討論、研究得出，至少需要測量6組數據，并選取了合適的器材：水果電池、導線、微安表、電壓表、滑動變阻器等。學生提出了兩種方案，并設計了實驗電路(圖1)。

圖1

師：圖1中甲、乙方案的實驗結果有差別嗎？不妨每組同學都嘗試下兩種實驗方案，共同探究。小組成員合理分工，分別負責連接電路、調節電路、記錄數據。

師：我們可用圖像法求解電動勢和內阻，畫出U-I圖像，由E=U+Ir，可得：U=-rI+E，與直線方程y=kx+b作對比可知：U-I圖線斜率的絕對值等于電池的內阻，縱軸截距是電池的電動勢。

點評：在閉合電路歐姆定律的基礎上設計電路，學生中會出現兩種不同的設計思路。由于電表不是理想電表，因此實驗結果肯定有差別。教師沒有采用純理論的誤差分析進行教學，而是引導學生完成兩種方案的實驗操作。實驗難度較大，學生通過小組協作，明確分工，提高了實驗效率，也培養了學生的合作精神。在實驗數據處理過程中，教師舍棄了傳統的用坐標紙作圖加數據運算的方式，改用電腦軟件進行數據處理，快速求出了電動勢和內阻，突破了教學難點。

4 解釋結果，交流評估

(1)小組一

生：我們小組測的是梨子電池的電動勢和內阻，結果如圖2所示。按甲方案測量的結果是：E=0.97V，r=7114Ω；按乙方案測量的結果是：E=0.98V,r=7446Ω。

圖2

師：兩種方案的實驗結果有何不同？

生：乙方案測得的電動勢稍大，但內阻明顯更大。

(2)小組二

生1：我們小組測的是火龍果電池的電動勢和內阻，結果如圖3所示。按甲方案測量的結果是：E=0.85V，r=0.0030Ω；按乙方案測量的結果是：E=0.84V,r=0.0036Ω。

師：火龍果電池的內阻這么小？有沒有同學對此發表觀點？

生2：這個結果中電流的單位不對，把求出的內阻乘以106，分別為3000Ω和3600Ω。

師：這位同學觀察得很仔細，值得表揚。失之毫厘，謬以千里，科學研究要嚴謹細致。

(3)小組三

生：我們小組測的是土豆電池的電動勢和內阻，結果如圖4所示。按甲方案測量的結果是：E=0.85V,r=5126Ω；按乙方案測量的結果是：E=0.84V,r=5843Ω；乙方案測得的電動勢稍小，但內阻明顯更大。

圖3

圖4

(4)小組四

生：老師，我有個疑問，我們小組測的也是土豆電池，為什么和他們的結果不一樣？

師：請你拿這位同學的土豆和你們小組的土豆對比，看看有什么區別？

生：土豆大小形狀不一樣，銅片、鋅片的間距和深度也不同。

師：那你可以猜想電動勢和內阻可能跟哪些因素有關呢？

生：跟水果電池的大小、形狀、金屬片間距、深度有關，說不定和水果所含水分也有關系。

師：請你課后驗證猜想。從以上實驗結果可以發現：水果電池的電動勢較小，但內阻很大，往往高達幾千歐姆。甲、乙兩種設計方案為什么會有差別呢？下節課我們再進行分析。請同學們課后搜索2019年諾貝爾化學獎的研究課題——“鋰電池”，并關注電池未來的科技發展動向。

點評：在教學中選取了三組學生匯報實驗成果。小組一能夠對實驗結果進行準確表述。小組二測出的火龍果內阻值不合理，對此，其他學生分析了其錯誤的原因并給出了解決方案，是質疑和論證能力的有力體現。小組三匯報完土豆電池的測量結果后，有同學提出了問題：“為什么不同的土豆電池的測量結果不同呢？”教師引導學生觀察土豆和電極的差別，學生提出了影響電動勢和內阻因素的猜想，并深入反思實驗結果，提出了進一步探究的課題。在交流評估過程中，學生的思維不斷發生碰撞，提高了學生的核心素養。而對兩種設計方案的差異解釋留到下節課，為后續的教學進行了鋪墊。以關注鋰電池相關信息和電池技術的未來發展作為收尾，體現了社會責任的培養要求。

5 結語

筆者以科學探究為核心，探討培養學生核心素養的教學策略。引導學生在小燈泡不亮的事實基礎上提出科學問題，形成猜想和假設，設計實驗、制定方案、得出結果，并對科學探究的結果進行解釋、評估。在教學中，教師應引導學生將課堂學到的科學思維和科學探究方法應用到生活和工作中，真正提高學生的核心素養。