基于核心素養的遞進設問式物理教學探討
——以“電路斷路故障”教學為例

錢士莊

(江蘇省揚州市江都區仙城中學，江蘇 揚州 225200)

1 引言

科學探究既是學生學習物理課程的學習目標，又是物理學科重要的教學方式，[1]更是初中物理學科核心素養的重要方面。[2]在科學探究中由于種種原因而出現故障，導致實驗現象“異常”，甚至實驗失敗。對于實驗中的“異常”，很多老師往往選擇一帶而過，甚至避而不談。其實，每一個實驗“異常”都是一個原始實驗問題，是科學探究教學的極佳載體和抓手。教師應該以實驗“異常”作為實驗探究教學的切入點，從“異常”現象涉及的原始實驗問題出發，引導學生由淺入深、層層遞進，逐一通過實驗進行探究或驗證，在潛移默化中真正培養學生的物理學科核心素養。

《義務教育物理課程標準(2011年版)》(以下簡稱課標)所規定的20個學生必做實驗中有7個是電學實驗，正確連接電路和使用電表更是電學實驗的必備基本技能。在電學實驗中，斷路故障是最常見的原始實驗問題之一。下面就以電路斷路故障這一原始實驗問題為例，談談如何利用遞進設問的模式進行拓展性科學探究教學，充分發揮科學探究的作用，切實培養學生的物理學科核心素養。

2 原始實驗問題

“測量小燈泡的電功率”是課標規定的學生必做實驗，在各個版本的初中物理教材中都有安排，盡管呈現形式略有不同。當與電壓表并聯的用電器出現斷路時，會產生出乎學生意料的“異常”現象。[3]

圖1

圖1是“測量小燈泡的電功率”實驗電路圖，該實驗設計的主要目的是測量小燈泡的實際功率和額定功率，綜合了正確連接串并聯電路、正確連接和使用電流表和電壓表等基本實驗技能要求。在實際實驗中，由于導線接觸不良、燈泡自身損壞等原因，會出現小燈泡不發光、電流表沒有示數，但是電壓表卻有明顯示數的“異常”現象。對于小燈泡不發光、電流表沒有示數，大部分同學容易理解，但是電壓表有明顯示數卻是學生不易理解的難點，也是中考電路故障題中考查最為頻繁的考點。不少教師在教學中常常采用“蜻蜓點水”式，甚至部分老師直接讓學生記住該“異常”現象，以便于應付考試。我們可以該“異常”為抓手，設計問題串，讓該“異常”現象升華為“正常”物理知識。

問題1：出現“異常”的具體原因是什么？

在出現該“異常”現象后，教師第一時間提醒學生通過實驗探究，嘗試找出“異常”的原因。學生分組協作，嘗試將小燈泡擰緊、燈座兩端導線接牢等具體操作，甚至可以借助導線、電流表或電壓表，運用試觸法進行對比后，找出“異常”的可能原因：小燈泡兩端接觸不良、小燈泡兩端導線處斷路、小燈泡自身損壞等。該過程實際就是學生運用已有的實驗經驗和物理知識進行糾錯的探究過程，其實并不簡單，經歷過這樣一個尋找“異常”原因的過程后，學生的問題解決和實驗操作能力會得到鍛煉和提升。

問題2：電路改進后再拆除小燈泡，現象如何？

圖2

學生從燈座上撤去燈泡，電路如圖2所示，閉合開關后，看到現象跟原來的“異常”現象完全相同。該步驟的設計目的有兩個：(1) 讓學生明確了原來“異常”產生的原因；(2) 簡化電路，去掉了燈泡這一干擾因素，電路變成了電壓表錯誤地與用電器串聯的電路，為新的生成做好鋪墊。此時，不少同學開始產生新的疑問：不是說電壓表的支路可視為斷路嗎？那為什么電壓表上還有示數？電壓表有示數說明電路中肯定有電流通過電壓表，那電流表為什么沒有示數呢？這已經充分激發了學生的好奇心，教師據此可以繼續提問，引導學生進行對比探究。

問題3：嘗試移動圖2中滑動變阻器的滑片，電流表和電壓表示數有何變化？

學生閉合開關，移動滑動變阻器的滑片，發現電流表和電壓表示數沒有任何變化，他們更為不解了，腦袋中問號變多了，好奇心和學習興趣進一步得到激發。教師乘熱打鐵，繼續提問，引導學生根據已學的物理知識進行思考，也可以通過小組討論等方式進行。

問題4：電壓表的支路為什么可以視為斷路？通常電流表為什么可以視為導線？

學生已經了解到電壓表的內阻很大，電壓表內阻通常是幾千歐姆到幾萬歐姆，電阻太大了，所以可以視為斷路；而電流表的內阻很小，通常是零點幾歐姆到幾歐姆，可以視為導線。在此基礎上，教師可以將問題引向深處，回歸“異常”現象了。

問題5：圖2中電壓表為什么有示數？電流表為什么沒有示數？移動滑動變阻器的滑片后，為什么現象沒有發生變化？

3 原始實驗問題的拓展

問題1：如果將電壓表直接連接在電源兩端，示數與原來相比，有何變化？再與圖2電路對比，圖2中的滑動變阻器相當于什么元件？

電壓表直接連接在電源兩端，學生非常熟悉，此時電壓表測得的是電源電壓，電壓表示數與圖2電路中的相同，表明圖2中電壓表測量的是電源電壓，再通過電路元件對比得出圖2中的滑動變阻器相當于導線。是不是所有的電阻與電壓表串聯都可以視作導線呢？教師要繼續引導學生深入挖掘。

問題2：如果把圖2滑動變阻器換成一個電阻箱，將電阻箱阻值調至幾千歐姆時(圖3)，會出現什么現象？如何解釋？

圖3

學生按照電路圖3繼續實驗，閉合開關后學生驚奇地發現電壓表示數變化為U1，小于電源電壓U了，但是電流表示數仍然為零。學生根據前面分析的經驗，很快根據歐姆定律明白了電流表示數為零的原因。但是電壓表示數變化仍然讓學生有疑惑，激發起新的探究欲望。

此時教師可以提示學生：電壓表可以視為一個阻值很大的電阻，引導學生從串聯分壓的角度進行思考。不難分析出：由于RV與R串聯，R阻值也比較大，R也分擔了部分電壓U2，滿足U=U1+U2，自然可以得出電壓表兩端電壓小于電源電壓U。要讓學生認識到：只有當與電壓表串聯的電阻的阻值遠小于電壓表內阻時，電阻分壓極小(幾乎為零)，電阻可以視為導線，此時電壓表兩端電壓等于電源電壓。但如果電壓表所串聯的電阻阻值很大，則不可忽略電阻的分壓作用，電壓表兩端電壓自然小于電源電壓。

問題3：如何測量電壓表的內阻？

圖4

當然，我們還可以引導學生加深對于原始“異常”現象的理解，進行如圖5所示的科學探究。提出問題：開關閉合后，如果L1斷路，電壓表、示數情況如何？如果L2斷路，電壓表、示數情況又如何？[3]引導學生通過對“異常”現象的探究，生成新的理論知識和探究經驗，為后續學習打下扎實的基礎。

圖5

4 結語

在具體引入相關“異常”原始問題時，不必要拘泥于某一個特定實驗，比如本文闡述的相關問題也可以由初中電學部分的“探究電流與電壓、電阻關系”實驗或“用伏安法測電阻”等實驗引入。在“異常”原始問題出現后，教師可以因地制宜，根據課堂教學實際和學生知識儲備情況，遞進設問，引導學生進行拓展性科學探究，既可以在以后具備條件時進行探究，也可以將“異常”原始問題引出后，將問題留給學生，以課后探究的形式開展綜合實踐活動，然后組織學生進行課堂展示、歸納總結。

無論采用的是傳統的常規科學探究方式，還是創新實驗方式，實驗“異常”原始問題不可避免，這些“異常”原始問題是科學探究中最具價值的部分之一。教師要重視“異常”原始問題，根據實際實驗教學需要，還可以在實驗器材上預設“異常”現象，以“異常”原始問題激發學生的學習興趣，調動學生學習的積極性。此類實驗可以引導學生在科學探究中用眼觀察、用耳聆聽、動腦思考、動手操作，切實培養學生的物理學科核心素養。