高中物理分組合作實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課例實(shí)踐探索

摘 要：高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)積極提倡分組合作實(shí)驗(yàn)教學(xué)。創(chuàng)設(shè)分組合作實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能增進(jìn)小組成員之間的情感和了解，提升各組學(xué)生的合作探索實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α１疚耐ㄟ^選取魯科版高中物理必修3“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”一節(jié)實(shí)驗(yàn)課，分析、把握教材和學(xué)生學(xué)情，探討如何在物理教學(xué)中有效實(shí)施分組合作實(shí)驗(yàn)活動，讓每個學(xué)生真正體驗(yàn)上豐富有趣的實(shí)驗(yàn)新課堂。

關(guān)鍵詞：高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；分組合作實(shí)驗(yàn)；課例實(shí)踐

在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)積極貼近學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”，重視科學(xué)組建學(xué)生小組，通過合理配置組員、引導(dǎo)合作實(shí)驗(yàn)、施以恰當(dāng)?shù)妮o導(dǎo)和檢測、布置實(shí)驗(yàn)作業(yè)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)評價(jià)等合作實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，充分激發(fā)學(xué)生探索學(xué)習(xí)物理科學(xué)的興趣，促使各小組學(xué)生都能學(xué)有所得，圓滿完成實(shí)驗(yàn)探究任務(wù)，在盡情合作實(shí)驗(yàn)中獲得自由全面的發(fā)展。

一、物理分組合作實(shí)驗(yàn)教學(xué)概述

物理分組合作實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教師根據(jù)高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合各層次學(xué)生的實(shí)際學(xué)情，將優(yōu)秀生、中等生、后進(jìn)生等層次的學(xué)生進(jìn)行優(yōu)化組合，創(chuàng)建成合作實(shí)驗(yàn)小組，并通過設(shè)置具有差異化的實(shí)驗(yàn)操作要求，引領(lǐng)各小組學(xué)生齊心協(xié)力開展合作實(shí)驗(yàn)探究實(shí)踐的過程。在物理分組合作實(shí)驗(yàn)中，注重以各小組學(xué)生動手操作為主，并在教師的有效指導(dǎo)下完成小組實(shí)驗(yàn)活動目標(biāo)。但在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，高中生開展物理分組合作實(shí)驗(yàn)往往存在著“淺合作”“假合作”等問題。因此，教師結(jié)合具體課例，探索研究分組合作實(shí)驗(yàn)教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生物理綜合能力和素養(yǎng)具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

二、高中物理分組合作實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課例實(shí)踐

下文結(jié)合魯科版高中物理必修3“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”一節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從分析教材要求、設(shè)置實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程、選定實(shí)驗(yàn)方案、合作開展實(shí)操、做好課堂總結(jié)等方面，開展課例實(shí)踐探討。

（一）分析教材要求，把握學(xué)情特點(diǎn)

在必修3“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提出，要求學(xué)生通過探究電源兩端的電壓和電流的關(guān)系，學(xué)會測量電源的電動勢和內(nèi)阻。本節(jié)實(shí)驗(yàn)在思路設(shè)計(jì)、物理量的測量、數(shù)據(jù)分析、參考案例、訓(xùn)練和應(yīng)用等活動環(huán)節(jié)設(shè)置中都密切關(guān)注學(xué)生已有的學(xué)科基礎(chǔ)，重視通過實(shí)驗(yàn)探究加強(qiáng)電學(xué)問題的探索研究和閉合電路歐姆定律的應(yīng)用，契合高中生的認(rèn)知規(guī)律，能有效達(dá)成科學(xué)探究和科學(xué)思維等核心素養(yǎng)的培育。

學(xué)生經(jīng)過以往的電學(xué)學(xué)習(xí)，他們已形成一定的電源知識和生活經(jīng)驗(yàn)，了解了干電池兩極間的電壓是1.5v，初步掌握了電源工作原理；能利用歐姆定律來列式求解路端電壓與負(fù)載的關(guān)系，以及U-I圖像，具備了從事“電源電動勢和內(nèi)阻的測量”的實(shí)驗(yàn)條件。學(xué)生已初步形成了發(fā)現(xiàn)、探究、解決物理問題的能力，但他們平時對電學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練較少，分析電路問題和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等能力亟須進(jìn)一步

提升。

（二）優(yōu)設(shè)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，明確實(shí)驗(yàn)重難點(diǎn)

針對“電源電動勢和內(nèi)阻的測量”實(shí)驗(yàn)要求，著重培養(yǎng)學(xué)生的能量觀念、科學(xué)思維能力、科學(xué)探究能力、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等素養(yǎng)，教師可以從以下方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)設(shè)計(jì)。

1.使學(xué)生發(fā)展形成完整的能量觀念：（1）引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)過程，進(jìn)行電路的選擇推理，了解電動勢和內(nèi)阻存在的意義；（2）能根據(jù)能量守恒，知道非靜電力做功等于電流做的功，增進(jìn)理解歐姆定律的內(nèi)容，發(fā)展起完整的能量觀念；（3）學(xué)會運(yùn)用所學(xué)的物理術(shù)語撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，能運(yùn)用公式法和圖像法求出電源電動勢和內(nèi)阻。

2.促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)思維能力發(fā)展：（1）引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷“提出問題—猜想與假設(shè)—制訂實(shí)驗(yàn)計(jì)劃—實(shí)施實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)—得出結(jié)論”的過程，深入感受科學(xué)探究的方法；（2）學(xué)會針對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出自己的疑問和批判，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；（3）通過參與實(shí)際操作，學(xué)會使用簡單、直接的證據(jù)來表達(dá)自己的觀點(diǎn)，具有積極創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的良好意識。

3.促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)探究能力發(fā)展：（1）能在教師的指導(dǎo)下合作制訂實(shí)驗(yàn)方案，精選實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)施實(shí)驗(yàn)探究，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；（2）學(xué)會運(yùn)用圖像處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以利用圖像獲得結(jié)論；（3）學(xué)會剖析實(shí)驗(yàn)中存在的誤差，提出減小誤差的有效方

法；（4）學(xué)會根據(jù)實(shí)驗(yàn)證據(jù)、歸納總結(jié)和邏輯推理，發(fā)表自己的獨(dú)立意見和見解。

4.促進(jìn)學(xué)生培養(yǎng)形成對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識，以及嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)過實(shí)驗(yàn)探究，培育起嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、尊重科學(xué)事實(shí)、樂于合作、共享學(xué)習(xí)成果的科學(xué)態(tài)度。

本節(jié)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的重難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：（1）重

點(diǎn)，測量方案和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。因?yàn)闇y量方案的不同會造成誤差的不同，也會影響到電路的連接和實(shí)驗(yàn)器材的選擇。這些都是高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)的熱點(diǎn)，利用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是常見的實(shí)驗(yàn)方法，也是高考的高頻考點(diǎn)。（2）難點(diǎn)，圖像法應(yīng)用和誤差分析。學(xué)生結(jié)合所獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論之后，要進(jìn)行判斷圖像的斜率和截距等意義，進(jìn)一步理解實(shí)驗(yàn)思路，學(xué)會列式和變形，借助對比數(shù)學(xué)方程得出結(jié)論；同時，學(xué)生需要具備一定的分析推理能力，來分析電流表的內(nèi)外接法造成的誤差。學(xué)生在這兩方面往往存在較大的困難。

（三）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，分組合作探究

1.設(shè)計(jì)演示情境，引入合作實(shí)驗(yàn)主題

教師先設(shè)計(jì)“用一節(jié)用過的干電池和一個西紅柿電池分別與相同的小燈泡串聯(lián)，并用電壓表來測兩個電路的路端電壓”演示活動，指引學(xué)生觀察演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，順利引出了本節(jié)課的合作實(shí)驗(yàn)主題，促使學(xué)生融入問題解決中，探索電學(xué)規(guī)律與生活的密切關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生學(xué)會從演示實(shí)驗(yàn)情境中提取信息，加深對電源“供電”原理的理解，有效增強(qiáng)了能量觀念。

2.創(chuàng)設(shè)問題情境，分組合作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

（1）小組一方案：應(yīng)用電壓表、歐姆表直接測電源電動勢E和內(nèi)阻r。

教師先展示常見的電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材，呈現(xiàn)問題：如果需要測出一個電池的電動勢和內(nèi)阻，你要選擇哪些測量儀器？采用什么方法？于是，各組學(xué)生紛紛發(fā)表自己的觀點(diǎn)和見解。第一小組提出可以選用電壓表直接測量電源電動勢，選用歐姆表直接測量內(nèi)阻。接著，教師啟發(fā)各組學(xué)生對該小組方案進(jìn)行討論、分析，發(fā)現(xiàn)有部分學(xué)生不善于聯(lián)系已學(xué)知識，對伏安法測電阻、閉合電路歐姆定律等概念不甚理解。為此，教師適時加以點(diǎn)撥，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步對電動勢和路端電壓等概念加深理解，應(yīng)用電壓表測量出的是路端電壓，而歐姆表只能測無源電阻，所以方案一顯然是不可行的。

（2）小組二方案：應(yīng)用電壓表、電流表測電源電動勢E和內(nèi)阻r。

教師先展示議題：如何利用一個電源和一個電阻串聯(lián)，將電池接入電路，通過已學(xué)知識間接測量，構(gòu)建一個最簡單的電路，并提出兩個問題：①電

路中的哪些電學(xué)物理量能直接測量？②如何減小測量中的偶然誤差呢？

第二小組學(xué)生一起討論、解決問題，對于問題①，學(xué)生回答電路中的路端電壓、干路電流可以直接測量。對于問題②，學(xué)生開展了合作討論，提出用圖像法（誤差大的點(diǎn)可以舍去）來減小偶然誤差；當(dāng)遇到無法測量多組數(shù)據(jù)時，可以在實(shí)驗(yàn)電路中接入電壓表和電流表，進(jìn)行改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，接著根據(jù)測出的U、I值，作出U-I圖像，并將定值電阻換成滑動變阻器，最后討論、確定改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)電路圖。

在此，通過引導(dǎo)小組參與合作改進(jìn)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生主動對實(shí)驗(yàn)方案提出富有創(chuàng)造性的見解，極大促進(jìn)了他們的物理觀念的形成和科學(xué)推理素質(zhì)的發(fā)展，培養(yǎng)了他們的批判性思維和科學(xué)探究能力[2]。

（3）小組三方案：應(yīng)用電壓表、電阻箱測電動勢E和內(nèi)電阻r。

教師提出問題：①若所給的器材中只有電壓表，沒有電流表，無法直接測出電流怎么辦？②滑動變阻器的阻值無法被讀出如何解決？

第三小組學(xué)生進(jìn)行討論解決方案，將電池與滑動變阻器接入電路，由歐姆定律I=U/R，

U=-rI+E得1/U=r/E·1/R+1/E，測得兩組數(shù)據(jù)即可計(jì)算出E、r，或是作1/U-1/R圖像，斜率即是r/E，縱截距即是1/E。小組學(xué)生繼續(xù)思考，得出將滑動變阻器換成電阻箱的方案。

（4）小組四方案：應(yīng)用電流表、電阻箱測電動勢E和內(nèi)電阻r。

教師提出問題：①若所給的器材中只有電流表，沒有電壓表，無法直接測出電壓怎么辦？②滑動變阻器的阻值無法被讀出怎么解決？

第四小組學(xué)生經(jīng)過合作討論，得出將滑動變阻器換成電阻箱的方案。利用方案的對比分析，有效激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用知識深入發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題等能力的遷移和發(fā)展。

（5）各小組交流評價(jià)實(shí)驗(yàn)方案

教師引導(dǎo)各小組學(xué)生結(jié)合如下問題進(jìn)行討論交流：①小組二、三、四這三種方案的數(shù)據(jù)哪個最豐富？②三種方案的數(shù)據(jù)處理方法哪個最簡便？

③應(yīng)用圖像法處理數(shù)據(jù)哪個精確度最高？借助問題，各小組針對這三種實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行相互評價(jià)，指出其中的特點(diǎn)和優(yōu)勢，分享探究成果。其中，第二組方案測出路端電壓U和電路電流i，所應(yīng)用的是滑動變阻器，阻值能連續(xù)變化，獲取的數(shù)據(jù)更為豐富，更便于借助作圖來處理數(shù)據(jù)，因此，在本課中選擇該方案來測量，課后再分析第三組方案和第四組方案。

通過引導(dǎo)各小組進(jìn)行交流評價(jià)實(shí)驗(yàn)方案，使學(xué)生明確把握了實(shí)驗(yàn)任務(wù)，為實(shí)驗(yàn)思考和探究指明了方向；尤其是各小組加強(qiáng)討論、交流、評價(jià)、分享實(shí)驗(yàn)方案，促使學(xué)生在合作探索實(shí)驗(yàn)問題的過程中盡情體味協(xié)作實(shí)驗(yàn)操作的無限樂趣，掌握更多更便捷的數(shù)據(jù)處理方法，鞏固學(xué)過的物理概念和規(guī)律。

（四）選定實(shí)驗(yàn)方案，合作分析誤差

師生最終選定以第二組實(shí)驗(yàn)方案來測量電路。首先，明確實(shí)驗(yàn)任務(wù)。本節(jié)進(jìn)行測量舊干電池的電動勢和內(nèi)阻，干電池的規(guī)格是電動勢約為1.5V，內(nèi)電阻為幾歐。

其次，利用問題引領(lǐng)，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維。教師提出問題：（1）電流表（0/0.6A/3A）、電壓表（0/3V/15V）、滑動變阻器（10Ω/50Ω/100Ω），請問需選什么規(guī)格的？（2）本實(shí)驗(yàn)活動的研究對象是什么？第二組方案的甲乙兩個電路圖中電表的讀數(shù)是否存在誤差？如果有，是什么原因造成的？（3）假設(shè)電表是理想電表，電壓表的測量值U與電流表的測量值I之間的關(guān)系是U=E-Ir，那么，你是否可以畫出U-I圖像？并指出U軸截距、圖像斜率絕對值、軸截距等的物理意義。于是，針對問題（1），學(xué)生小組思考后認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)中的電壓表量程應(yīng)選用0～3V，電流表量程應(yīng)選用0～0.6A，滑動變阻器應(yīng)選用50Q規(guī)格。針對問題（2），學(xué)生小組討論后提出，甲乙兩個電路圖中的測量方式都可能帶來誤差，圖甲的誤差來自電壓表的分流作用，圖乙的誤差來自電流表的分壓作用。針對問題（3），學(xué)生順利畫出U-I圖像，明確了U軸截距表示電源電動勢E，圖像斜率的絕對值表示電源內(nèi)阻R，l軸截距表示電源的短路電流I短=E/r。

再次，師生合作分析誤差。基于第二組方案，圖甲測量中的誤差來自電壓表的分流作用，誤差ΔI=U/Rv，則U減小，ΔI減小；當(dāng)U=0時，ΔI=0，I軸上交點(diǎn)（短路電流）重合；對于某個U值，I真比I大ΔI，可以找出其他點(diǎn)，由此可對電路圖進(jìn)行改進(jìn)，畫出U真-I真圖。同時，基于第二組方案中的圖乙的誤差來自電流表的分壓作用，誤差ΔU=I·RA，當(dāng)I=0，ΔU=0，U軸上交點(diǎn)（電源電動勢）重合；對于某個I值，U真比U大ΔU，可以找出其他點(diǎn)，由此可對電路圖進(jìn)行修正，畫出U真-I真圖。

最后，師生一起進(jìn)行總結(jié)。教師繼續(xù)指引學(xué)生結(jié)合測量值的表達(dá)式進(jìn)行討論交流，可得出當(dāng)r較小時，第二組方案圖乙電路圖中分壓作用明顯，誤差較大；圖甲電路圖誤差較小，適用于內(nèi)阻較小的干電池，圖乙電路圖適用于內(nèi)阻較大的水果電池。

可見，分析測量誤差是本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)。在教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生采取圖像法和邏輯思維相結(jié)合的處理方法，加強(qiáng)討論，提高學(xué)生的使用證據(jù)獲得物理結(jié)論的能力，增強(qiáng)學(xué)生的表現(xiàn)自我意識和自我認(rèn)同感，培養(yǎng)形成合作探索研究、科學(xué)思維等素養(yǎng)。

（五）合作開展實(shí)操，收集實(shí)驗(yàn)證據(jù)

教師繼續(xù)鼓勵學(xué)生開展合作實(shí)驗(yàn)操作。首先，引導(dǎo)各小組結(jié)合第二組方案圖甲，選取干電池、滑動變阻器、開關(guān)、電壓表、電流表和導(dǎo)線若干等實(shí)驗(yàn)器材。其次，實(shí)施分組實(shí)操訓(xùn)練。各組學(xué)生通過合作擬訂實(shí)驗(yàn)操作步驟，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格，循序進(jìn)行連線、采集數(shù)據(jù)、應(yīng)用公式法和圖像法處理數(shù)據(jù)、討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論、分析論證、整理實(shí)驗(yàn)器材等操作步驟。在實(shí)操過程中，學(xué)生們一起參與探索、討論和解決問題，進(jìn)行分享交流和相互評價(jià)，積極利用數(shù)學(xué)手段來研究解決物理問題，增強(qiáng)了數(shù)形結(jié)合意識，提升了科學(xué)思維素養(yǎng)[3]。

（六）做好課堂總結(jié)，布置課后實(shí)驗(yàn)

教師帶領(lǐng)學(xué)生一起對本節(jié)實(shí)驗(yàn)課的總體情況進(jìn)行系統(tǒng)小結(jié)，然后給學(xué)生布置了課后合作實(shí)驗(yàn)作業(yè)：課堂中選取了系統(tǒng)誤差偏小的電路圖開展實(shí)驗(yàn)，但是電壓表和電流表還會對實(shí)驗(yàn)造成誤差，想一想是否可以找到更優(yōu)化的方法，使實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果不會受到兩電表內(nèi)阻的影響呢？（課后會適時開放實(shí)驗(yàn)室，要求學(xué)生選擇恰當(dāng)?shù)臅r機(jī)，準(zhǔn)備所需的器材進(jìn)行合作實(shí)驗(yàn)）

通過設(shè)置這樣的課后拓展實(shí)驗(yàn)作業(yè)，可以啟發(fā)學(xué)生繼續(xù)深入思考、合作探索課中仍待解決的實(shí)驗(yàn)問題，讓學(xué)生帶著問題走出教室、融入生活，探究改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，不斷進(jìn)行科學(xué)思維和推理訓(xùn)練，培養(yǎng)起優(yōu)異的物理核心素養(yǎng)。

結(jié)束語

在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于各個學(xué)生和小組的學(xué)情不同，造成他們掌握物理知識和實(shí)驗(yàn)技能的程度與效度存在鮮明的差異性。教師必須堅(jiān)持創(chuàng)新設(shè)計(jì)分組合作實(shí)驗(yàn)教學(xué)，重視引領(lǐng)學(xué)生一起探究實(shí)驗(yàn)，施加有效的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，提升和發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)綜合能力和素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1]葉秋艷.新課程背景下高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)化策略[J].數(shù)理化解題研究，2022（15）：77-79.

[2]唐月有，張琪.高中物理實(shí)驗(yàn)小組合作學(xué)習(xí)的策略研究[J].新課程研究，2021（35）：67-68.

[3]蔡青.聚焦物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，指向小組合作學(xué)習(xí)[J].新課程，2021（36）：130.