通过实验教学培养学生物理学科核心素养的实践研究

王善丽+王丽英+林树艳

【研究背景】

一、研究主题的意义和价值

义务教育阶段物理课程的教学目的在于提高学生的科学素养，即让学生学习终身发展必要的物理基础知识和方法，养成良好的思维习惯，在分析问题和解决问题时尝试運用科学知识和科学研究方法；让学生经历科学探究过程，具有初步的科学探究能力，乐于参加与科学技术有关的活动，有运用研究方法的意识；让学生保持探索科学的兴趣和热情，在认识自然的过程中获得成就感，能独立思考、敢于质疑、尊重事实、勇于创新；让学生关心科学技术的发展，具有环境保护和可持续发展的意识，树立正确的世界观，有振兴中华、将科学服务于人类的使命感和责任感。物理是以实验为基础的科学，合理地、创造性地开发实验教学是实现课程目标的主要策略。

二、选定研究课题的依据和过程

课程标准在“科学内容”的相关主题中提出了“学生必做的二十个物理实验”的相关要求，其中五个是电学实验，“测量小灯泡的电功率”是其中之一，该实验归纳出的实验结论也是初中物理核心规律。通过本节课的学习，学生能经历提出问题、猜想与假设、制订计划与设计方案、进行实验与收集证据、分析论证、交流与评估这一完整的科学探究过程，科学探究能力能得到充分锻炼。该实验涉及转换、间接测量、观察、对比、分析等科学研究方法，研究过程与“伏安法测量定值电阻阻值”有着诸多相同点和区别，有利于全面培养学生的科学素养。

【课例研究过程】

一、第一轮：教学设计、课堂实录（节选）及教学反思

（一）教学设计

教学目标：

1.知识和技能

（1）知道用伏安法测定小灯泡电功率的原理；

（2）知道如何测定小灯泡的额定功率和实际功率，能区分额定功率和实际功率；

（3）能够根据探究内容设计实验、完成实验、分析处理数据，得出实验结论，并在实验过程中加深对电功率概念的理解。

2.过程和方法

（1）通过本节课培养学生依据实验原理设计实验的能力；

（2）通过实验教学培养学生的观察能力、动手能力、分析能力以及归纳能力。

3.情感、态度、价值观

（1）通过学习过程中的讨论和交流，培养学生合作学习的意识和态度；

（2）通过实验中的观察和比较，培养学生实事求是的科学态度和良好的学习习惯。

重点与难点：

1. 重点：用伏安法测定小灯泡的额定功率和小灯泡不在额定电压下的实际功率。

2. 难点：学生独立设计实验方案并进行实验。

相应对策：以小组合作的方式完成实验探究活动，从而落实教学重点和难点，达到培养学生科学探究能力的目的。

教学流程：

1.引课

（1）介绍器材、复习旧知：教师介绍演示实验的灯泡规格，进行复习提问。

学生观察器材，回忆旧知。

设计意图：调动学生已有知识储备，为本节课的学习做铺垫。

（2）对比现象，引发思考：教师演示实验，将同一灯泡先后两次接到电压不同的灯座上，引导学生对比实验现象，提出猜想。学生观察思考，初步建立亮度、电功率、电压、电流之间的逻辑联系。

设计意图：借助直观的现象和层层设问引发学生的思维冲突，从而引出课题。

2. 新课

（1）制订计划，设计方案：教师引导学生回忆测量型实验的实验报告单包含哪些项目，根据该实验的实验目的制订实验计划，合作完成实验报告单上的内容。学生分析实验目的，根据实验目的设计实验方案，讨论交流实验报告单上的内容。

设计意图：通过小组讨论实验方案，使学生通过合作学习解决问题，体会协作的乐趣。通过交流达成学生自主设计实验的目的，培养学生解决问题的能力。

（2）交流评价实验方案：教师为学生搭建互通有无的平台，指导学生交流方案的可行性和优缺点，从而确定科学合理的实验方法。学生以小组为单位汇报交流实验报告单上的内容，其他小组提出意见或建议，完善方案。

设计意图：以设计实验活动为载体，培养学生的科学探究能力和团结协作意识，促进学生全面发展。

（3）进行实验、收集证据：教师引导学生回忆电学实验操作的注意事项，实验过程中要注意收集信息；指导学生在小组合作时合理分工并引导学生解决实验过程中遇到的困难。学生明确实验操作的基本方法，组装电路，测量数据，观察现象，处理数据，分析结论，总结经验，整理实验器材。

设计意图：通过测量和处理数据培养学生科学严谨的态度。学生亲自体验获得规律的过程，学会科学实验的方法，提高动手实验的能力，提高科学素养。

（4）分析证据、得出结论：教师引导学生展示实验过程中收集到的数据、现象以及得出的实验结论，简单分析通过数据、现象得出结论的过程。指导学生解决分析过程中遇到的困难，总结规律。学生小组汇报实验数据、实验现象以及实验结论，使学生充分体验得出结论的过程，并讨论解决得出结论过程中遇到的困难。

设计意图：通过分析数据和现象引导学生利用证据得出结论，培养学生科学合理分析数据的意识，养成良好的实验习惯和思维习惯。

3. 小结

教师引导学生利用实验归纳出的规律简单解释演示实验时出现的现象：同一灯泡先后两次亮度不同。

引导学生从“本节课你印象最深的是什么”“从知识和方法上收获了什么”“在生活用电方面得到什么启示”三方面进行总结。

设计意图：利用规律解释现象，达到学以致用的目的。交流收获培养学生善于归纳、善于总结的学习习惯。

4. 作业

查阅关于发光二极管和钨丝灯泡的资料，形成调研报告。

5. 板书和实验报告单（略）

（二）课堂实录（节选）

1. 引课

师：请同学们观察灯泡铭牌“12V，25W”，说出物理含义。

生：该灯泡的额定电压是12V，额定功率是25W。

师：将它先前后接在甲、乙兩个灯座上，注意对比现象。

生：两次灯泡亮度不同。

师：猜想甲、乙两电路有什么不同，从而导致了这样的现象。

生：可能电源电压不同，或者其中一个串联了滑动变阻器。（教师打开实验箱挡板，揭秘电路结构，电源所用的蓄电池块数不同。）

师：灯泡先后接入电路时，哪次的电功率是25W？

生：不能确定，可能哪次都不是25W。因为不知道灯两端的电压是否是12V，也就不能判断灯是否是正常工作。

师：那么这两次灯泡的实际功率到底是多大呢？不同电压下的电功率对灯泡的工作情况到底有怎样的影响呢？我们带着这样的问题进入今天的课堂。

2. 新课

师：请以小组为单位完成实验报告单上的内容，并以小组为单位汇报。

生：实验原理是P=UI，实验步骤是按照电路图连接实物，将滑动变阻器调到最大阻值处，闭合开关后，调节滑片，改变灯泡两端电压和流经灯泡的电流，读出电压表和电流表的示数，求出每次的电功率，求出平均值，观察每次灯泡的亮度，将以上信息记录在表格中。

师：其他同学同意他们的思路吗？

生：同意他们的原理、电路图以及测量的数据，但是不同意取额定功率的平均值。虽然我们在测量定值电阻阻值的实验中计算了定值电阻的平均值，但是在这个实验中，小灯泡的电功率是变化的，不能利用取平均值的办法来减小误差。

师：电功率的真实值不是固定值，所以确实不应该取平均值。实验时注意先测量额定电压下的电功率，多次改变灯两端电压时最高不要高于额定电压的1.2倍，最低不要低于额定电压的0.8倍。在实验过程中，我们需要注意哪些问题呢？

生：连接电路时，应断开开关；注意电压表和电流表的接线柱不要接反；连接滑动变阻器时要注意“一上一下”的原则。

师：实验时要注意小组分工，将收集到的现象和数据记录在实验表格中并分析实验结论。以小组为单位汇报。

生：我们根据收集到的数据和现象得出的结论是：小灯泡两端电压越大，小灯泡越亮。

师：小灯泡的电压对电功率有什么影响呢？根据数据进行分析。

生：小灯泡两端电压越大，小灯泡的电功率也越大。

师：由此我们得出了“小灯泡两端电压越大，小灯泡的电功率也越大，小灯泡越亮”的结论。对比小灯泡正常工作和不正常工作时的数据和现象，你有什么发现？

生：当电压大于额定电压时，电功率大于额定功率；电压小于额定电压时，电功率小于额定功率。

师：生活中为了让灯泡亮度最大地发挥作用，同时又不至于烧坏灯泡，应将它接在额定电压下使其正常工作。该结论也解释了为什么同一灯泡接在电压不同的电路中亮度不同。

（三）教学反思

本节课涉及一个引课环节的教师演示实验和一个学生分组探究实验。教师演示实验虽然现象直观对比明显，引导方向能直指课题，但是原理过于简单，不能达到充分激发学生好奇心的效果，也就没有达到创设情境、激情引趣的目的。

学生分组实验是本节课的重头戏，分为设计方案、交流方案、进行实验和分析结论四部分。设计方案环节学生以讨论交流实验报告单上的内容为主，但是由于问题设置过于开放，学生在讨论过程中抓不住主线。又由于日常考试会涉及“简写实验步骤”这样的习题，所以学生不能将注意力集中在思路上，反而在书写上耗费了很多时间。虽然学生设计实验是本节课的重点，但是这样的处理方式显然冲击了学生动手进行实验的过程，顾此失彼。虽然学生已经具有独立完成电学实验的基本能力，但是在此实验中如何选择合理的电压值进行实验、根据实验需要如何选择电压表和电流表的量程都是难点，都需要教师的指导，所以在学生实验前应该再设置一些铺垫环节。

分析实验结论时学生确实遇到了困难：不能建立电压影响电流，电压和电流共同影响电功率，电功率影响灯泡亮度的逻辑关系。而这个问题正是学科本质问题，是体现物理探究思想和研究方法的载体。但是教师处理过于简单，缺少理论支撑，学生的学习过程不饱满。应试图从实验和理论两方面共同解决该问题。

二、第二轮：教学设计调整、课堂实录（节选）及教学反思

（一）教学设计调整

1. 教学目标的调整

知识与技能目标中添加了“从能量转化快慢的角度理解实际功率和额定功率的区别”；情感态度价值观目标中添加了“通过体验活动培养学生科学合理用电的习惯以及节能意识”；重难点的相应对策变化为“分层分步指导学生合作完成设计实验、进行实验和分析结论的过程，通过理性分析建立抽象的能量转化和直观的物理现象之间的联系”。

2. 教学环节的调整

（1）引课环节由教师演示实验调整为学生分组实验。学生借助如图1所示的灯光观察箱模拟灯光师，从而体验灯的亮度变化。教师利用隐藏的电路内部结构激发学生的好奇心。为激发学生学习兴趣，教师在观察箱内部安装笑脸灯箱，贴近学生生活，体现从生活走向物理的理念。

（2）设计实验环节的教师指导按以下几步逐层进行：

①明确研究对象，利用视频指导学生如何取下笑脸灯箱，测量剩下的小灯泡的电功率。

②将实验报告单中的“简写实验步骤”调整为“口述实验思路”，使学生后续的实验体验时间更充足。

③用视频指导学生如何利用观察箱中器材更简便地连接实验电路，避免学生操作的盲目性。

④在引导学生思考连接电路的注意事项后，教师给出温馨提示——在电压值大于额定电压时，应迅速实验，避免烧坏灯泡；可以利用计算器处理实验数据；实验进行顺利的小组可以多收集几组数据，使结论更可靠。

（3）在分析结论环节引导学生从“电功率能反映能量转化快慢”的角度对数据进行剖析，借助电流做功越快灯越亮的动画视频，让学生直观地认识到电功率对灯亮度的影响。

（4）将利用规律解释现象环节调整为“进一步体验电功率对用电器的影响”的学生活动，真正实现从物理走向社会。如图3、4、5所示，活动分为以下三组：

A组：调节电风扇的转速

①闭合开关（开关在风扇的背面），调节滑动变阻器的滑片，观察风扇的转速。

②试分析风扇转速变化时，能量转化的变化情况和电功率的变化情况。

③思考：电功率对风扇的工作情况有什么影响。

B组：调节电铃的响度

①闭合开关，调节滑动变阻器的滑片，听电铃的响度。

②试分析电铃响度变化时，能量转化的变化情况和电功率的变化情况。

③思考：电功率对电铃的响度有什么影响。

C组：比一比，选一选

①器材：大灯泡是额定电压12V、额定功率11W的LED灯（一种发光二极管），小灯泡是额定电压12V、额定功率60W的钨丝灯泡，电源电压12V。

②两个灯泡同时正常工作时，对比两个灯泡的亮度以及单位时间内两个灯泡能量转化的多少。

③比一比，你会选择哪个灯泡，说一说选择它的理由。

（二）课堂实录（节选）

1.引课

师：今天我是调光师，给大家带来一场灯光秀，请你在欣赏时注意观察：我在调节灯光调节器时灯的亮度如何变化。

师：你也想当一回灯光师吗？老师为每个小组都准备了一个灯光观察箱，这是灯光调节器，请你缓慢推动它，观察箱子里灯光亮度的变化。

师：大家看到灯的亮度变化了吗？在调光过程中我们不但体会到了当调光师的喜悦心情，同时也将看不见、摸不着的电世界呈现了出来。通过上节课的学习我们已经知道，灯泡的亮度变化就是灯泡实际功率变化引起的，那么实际功率对灯的亮度到底有怎样的影响呢？今天我们就来实际测量小灯泡的电功率。

2.分析实验结论环节

师：请汇报你们的实验证据，并分析一下能得出怎样的实验结论。

生：对比数据和现象，我们发现电压越大，小灯泡越亮。

师：小灯泡发光的过程能量是怎样转化的？

生：电能转化为光和热。

师：三次测量的电功率分别为0.65W、0. 75W和0.85W，这代表怎样的物理含义呢？

生：电流每秒做功分别为0.65J、0. 75J和0.85J。

师：也就是说每秒分别有0.65J、0. 75J和0.85J的电能转化为光和热，灯泡当然越来越亮。所以直接影响灯泡亮度的并不是灯两端电压，而是灯泡的实际功率。结合实验目的，能夠体现这几个物理量的逻辑关系的实验结论是什么？

生：小灯泡两端实际电压越大，小灯泡实际功率就越大，小灯泡也就越亮。

师：下面我们通过理论分析动画进一步认识电功率是如何反映电流做功快慢的。

动画说明：如图6所示，随着滑动变阻器接入电路中阻值变小，灯泡两端电压和流经灯泡的电流变大，根据P=UI可知，灯泡电功率变大，电流做功变快，灯变亮。

（三）教学反思

在引课环节，学生通过调光体验感受灯光亮度的变化，教师通过引导学生关注直观的现象理解抽象的能量转化，使学生能进一步体会物理学中的转换思想。在测量小灯泡的电功率实验中，学生亲自测量计算数据、观察对比亮度，充分体验不同速度的能量转化导致的不同的实验现象，具体的数据支持更是印证了这一点，使学生对“实际功率越大，小灯泡越亮”这一规律的认知更饱满。而归纳出结论后，教师用动画的方式将电流做功快慢的理性分析过程呈现出来，理论和实践相结合，前后呼应，一脉相承，较好地达成了教学目标。

在测量小灯泡电功率的实验中，由于学生经历了设计实验的完整过程，所以进行实验时思路比较流畅，但是实验操作的规范性不强，例如改接导线时开关不断开、电流表读数时视线没有正对刻度线，等等。要在这样的实验课上提高教师的指导效率，应该借助照相机、手机等多媒体设备实时转播学生在实验操作中的普遍问题，引导学生评价改正，使问题能得到及时解决，也能给学生留下深刻印象。培养学生的科学素养要以实验教学为载体，只有让学生真正地经历规律得出的过程，评价实验中出现的问题，才算是充分发挥了实验这个载体的作用。

【课例研究的成效与反思】

一、课堂教学的成效

1.从学生的角度看

新课导入环节将教师演示实验调整为学生分组体验实验后，学生更快地进入了教学情境，在最短的时间里既体验到了灯光亮度的变化，又熟悉了测量实验所用的实验器材，设计实验也有一定的引导作用。这种做法降低了学困生的学习难度，使实验教学更好地面向全体学生。设计实验环节调整后节省了大量时间，使学生进行测量小灯泡电功率实验和充分体验电功率对用电器的影响得以实现，从而更顺利地达成了教学目标。

2. 从教师的角度看

经过设计实验环节的调整，教师更能体会到放手与引导的微妙平衡，过于开放的设计针对性不强，表面热闹的课堂中学生收获甚微，不但不能培养学生的科学探究能力，甚至连最基本的教学目标都难以达成，为了避免实验的盲目性，应充分考虑学生的最近发展区，设置分层分步、科学合理的引导环节，在有限的时间和空间内使学生的能力和思维得到充分的发展。

教师只有有意识地将科学方法和科学态度作为教学目标，才能巧妙地发掘、发展科学探究实验这一载体，使之真正成为培养学生物理核心素养的有效手段。

二、课例研究的主要成果与结论

学生分组实验是培养学生良好综合能力的重要环节，是培养学生物理核心素养的重要手段。学生分组实验有如下特点：学生分组实验是以学生个别独立操作为主，在实验中教师的作用主要是指导而不能代替和包办；学生分组实验是一个使学生经过比较完整的实验过程的训练；通常学生分组实验多以定量研究为主。

而学生分组实验的教学目的一般可分为：培养学生自主学习的良好习惯和能力；使学生掌握常用基本仪器的构造、原理和正确的使用方法；对学生进行基本实验操作训练，培养学生的实验技能；使学生学会正确进行观察、测量和记录数据；使学生了解误差的概念，并学会初步分析和处理实验数据；使学生学会写实验报告。

在教学实践中，学生分组实验的程序和要求：准备阶段。学生明确实验目的，理解实验原理、方法，认识实验仪器，做好实验操作与记录准备。操作阶段是学生把实验方案变成实践的阶段，学生亲自在实验室进行实验。这个阶段学生的主要任务是：安装和调试实验仪器，控制实验条件变化，观察测量，记录数据等。总结阶段是把具体实验结果提高到理性认识的重要阶段。此阶段学生的主要任务是：分析并处理实验数据，得出实验结论，完成实验报告。教师在这个阶段要注意教育学生尊重实验客观事实，培养学生实事求是的科学态度和作风，培养学生分析处理实验数据和归纳实验结论的能力。