學科融合助力學生科學探究能力

吳遠梅

目前，我國高考（包括物理實驗）現有的評價制度采用單一的紙筆方式，不能滿足新時期需加強培養高中學生實踐能力、創新能力方面要求。物理教師在實驗教學過程普遍存在幾個問題：（1）教師講實驗或少做實驗，講實驗原理、實驗步驟、注意事項、數據處理方法;（2）薄弱學校的實驗器材多為老舊器材，導致教師過多依賴多媒體的模擬實驗，讓學生只看實驗視頻，而不是動手做真實驗;（3）當前山區薄弱學校的高中生普遍盲目選擇學習物理，并非出于對物理學科的濃厚興趣。學生基礎特別差，學習習慣和學習方式大部分學生仍然是上課聽聽課，下課做做題的傳統習慣，缺少主動思考、沒有物理思維，對基本的物理模型無法想像和理解，物理模型的運用能力更差，實驗的創新能力相當匱乏。

基于上述狀況，針對所教薄弱學校的高中學生現狀，作者在物理課堂實驗教學中作了一些嘗試。下面以《測電池的電動勢和內阻》的教學為例：

在《電池電動勢和內阻的測量》第二課時的教學中，學生通過學習和相對課例的訓練，初步掌握測干電池電動勢和內阻的基本方法。但是學生在實驗的過程中發現了一些問題：按照教科書提供的方法（伏安法），在移動變阻器滑片的過程中，兩個電表的讀數變化都很不明顯（圖1），不利于讀數和后期的數據處理，會造成比較大的實驗誤差;實驗結束后廢舊干電池的處理和回收的問題（鎳鉻電池含有汞、錳、鎘、鉛等多種金屬物質，如果亂丟舊電池，會造成環境污染，重金屬在自然界不能降解，如果進入人體后，會對人體造成嚴重損害）。

為了增強學生的綠色環保意識，受教材P 91案例2、P92第3題的啟發，學生利用秋冬季節本地的特產（梅州金柚、平遠臍橙），自發制作了水果電池。同時嘗試利用新方法（安阻法）測出這種自制水果電池的電動勢和內阻。

通過實驗，同學們除了能順利測出水果電池的電動勢和內阻之外，還收獲了一些課本之外的知識，積累了一些物理常識：1、通過查找資料知道：J-0415型微安表，當量程為0-200?A，內阻約500Ω;J-0409型靈敏電流計內阻約為100Ω。2、用伏安法測水果電池的電動勢和內阻時，由于電路中的電流和電壓都比較小，用常用的學生電壓表和電流表都沒有辦法較準確測出數據，需要用微安表或者由靈敏電流計改裝成電壓表才能較準確地測出數據（圖2）。3、在數據處理環節，利用Excle 表格繪制 I-R圖象（圖3）和1/I-R圖象（圖4），對比兩圖象，結合函數方程，會發現一次函數的斜率和截距能直觀表示水果電池的電動勢和內阻的關系;4、不同的水果（蘋果、橙子）制成的水果電池，它們的電動勢和內阻不一定相等。相似之處是電動勢都比較小，約1V，內阻都較大，約幾百至幾千歐。

通過這個小小的水果電池實驗，不僅讓學生明白了從課本學到的知識（實驗原理是閉合電路歐姆定律）是很有用的（能解決實際問題）之外，還讓學生清楚知道，工欲善其事，必先利其器。當遇到實驗儀器不夠精確的時候，要想辦法利用所學的知識對其進行改裝;在對數據進行處理時，STEM的跨學科的模式，為學生開啟了另一扇窗。學生明白數學知識是學習物理和解決物理實際問題的基礎，結合利用計算機的擬合繪圖可以更清晰、準確地描繪出函數圖象。通過結合函數方程，分析圖象點、交點、斜率、截距、面積等等數據分別表示對應問題的物理意義，從而加深學生對建立的物理模型的理解，更有利于學生進一步形成物理觀念。同時，學生通過觀察實驗現象，可能會在心里擊出一點點的“火花”——“是不是只要有足夠多的水果，我就能讓我的小風扇轉起來呢？”“用這樣的電池，能不能對我的充電寶充電呢？”......筆者相信，這些“星星之火”他日必成燎原之勢。通過搞好課外實驗，引導學生通過合作與實踐，充分利用學科融合，完成主題項目和解決實驗中遇到的困難。學生學到了一些物理問題的解決方法和一些科學研究方法，開拓了思維，提升了科學探究能力和實驗創新的能力。