核心素养下物理实验教学的创新设计

晋文梅，郑 威

（1.抚顺市第六中学，辽宁 抚顺 113006；2.抚顺市教师进修学院，辽宁 抚顺 113006）

2016年9月，《中国学生发展核心素养》总体框架发布，标志着我国围绕培养核心素养理念的基础教育改革正式启动。[1]如何将物理学科核心素养的培养融入高中物理教学，是广大一线教师需要认真思考的问题。[2]下面以高二物理《实验：测定电池的电动势和内阻》（2003人教课标版第二章恒定电流第十节）为例，谈谈本人如何将培养物理核心素养融入物理实验教学中。

一、用问题广开学生思路，培养学生科学思维能力

教学中，师生共同回顾闭合电路欧姆定律，在得出利用闭合电路欧姆定律测定电源电动势和内阻的实验原理的基础上，设计问题：组织学生利用电源、电压表、电流表、滑动变阻器、电阻箱、开关等实验器材，思考设计测定电源的电动势和内阻的多种实验方案，以及相应的闭合电路欧姆定律方程表达式。教师引导各小组学生充分发挥想象力，认真思考、交流、讨论甚至争论，最后统一思想形成小组多种设计方案，并展示各小组的多种设计方案。

在学生思考设计实验方案的过程中，教师提醒和启发学生，在小组讨论中要充分沟通交流，提倡聆听、接纳别人的思想，为每名学生提供独立发表自己见解的机会。最后，通过讨论、改进，达到意见一致，确定一致的实验设计方案。在这个过程中，教师重点培养学生的抽象思维、想象思维、直觉思维等科学思维能力。[3]

在各小组展示全部设计方案后，教师和学生一起讨论，去掉类同方案，并对各组提出的方案进行评价，表扬提出较多设计方案的小组。最后综合得出如下五个设计方案：

方案一：如图1，对应方程：E=U+Ir，其中U和I分别为电压表和电流表示数，电源电动势E、内阻r为待测值。

方案二：如图2，对应方程：E=I(R+r) ，其中I为电流表示数，R为电阻箱阻值，E、r为待测值。方案三：如图3，对应方程，其中U为电压表示数，R为电阻箱阻值，E、r为待测值。

方案四：如图4，对应方程：E=U+I(R1+r),其中U和I分别为电压表和电流表示数,E、r为待测值。

图1

图2

图3

图4

图5

二、组织学生分析论证，培养学生判断决策能力

在确定五个实验探究方案的基础上，教师设定悬念，让学生思考哪些方案是最优方案？在这一环节，教师引导学生思考并确立评价最优方案的原则：所用元器件最少，电路最简单，实施起来最方便，读取数据最方便，数据处理最简化等。这些恰恰是物理学科分析、判断、决策的重要核心素养。

通过教师组织学生对每一个设计方案讨论论证。学生对方案一给予了肯定：滑动变阻器的阻值可以连续变化，电流表、电压表读数方便，处理实验数据简单。否定了方案四和方案五：使用的电学器材多，数据处理复杂。对方案二和方案三产生质疑：两种方案虽然电路最简单、所用元器件少，但是，所用的外电阻是电阻箱，其阻值变化不连续。而且方案二中的I与R和方案三中的U与R的关系是非线性。面对学生的质疑，教师启发学生可以将非线性关系转化为线性关系，方便利用图表得出实验结论。将方案二中的闭合电路欧姆定律表达形式改为：这样就将I与R的非线性关系转化为R与的线性关系。同理将方案三中的闭合电路欧姆定律表达形式改为：，就将U与R的非线性转化为与的线性关系。

在这一环节中，教师重点引导学生面对众多方案，如何进行充分分析、比较、判断、评价，最后决定取舍，做出决策。进一步教育培养学生不论是做任何事情，开展任何工作，都要提出尽可能多的方式方法或方案。其中，有的方法事半功倍，有的方法事倍功半，有的方法简单易行，有的方法复杂曲折，究竟哪种方法被采用，需要认真分析比照，最后选择一种或几种最佳的方法、方式或途径。这种科学的分析论证和判断决策素养一旦养成，就会受用一生。

三、分别用三种方法测试，培养学生科学严谨的态度

教师组织学生先后用三种方法测同一个由两节干电池串联而成的电源的电动势和内阻，并将用三种方法测得的结果展示在黑板上教师设计的表格里。

方案一：如图6，为方便采集信息、快速处理数据并得出测量结果，可以采用朗威教学软件，在软件界面上显示出电流传感器、电压传感器示数，点击鼠标记录多组数据，选择绘图即可直接得出电源的伏安特性曲线。通过线性拟合得到一个线性表达式，其截距和斜率分别为两节干电池的电动势和内阻。

图6

方案二：选用电流表、电阻箱开关等器材测量同一个电源的电动势和内阻。小组同学合作完成实验数据测量，应用所学信息技术相关知识在Excel中记录数据、设定公式计算,并画出图像、获得线性表达式，读出斜率和截距即可得出电源的电动势和内阻的测量值。

方案三：选用电压表、电阻箱和开关等测量同一个电源的电动势和内阻，在Excel中记录数据，设定公式计算，画出图像，从显示的公式中得出斜率和截距，与对应的闭合电路欧姆定律方程表达式对照得知斜率和截距分别为和，再设定公式计算出电源的电动势和内阻的测量值。

学生在用三种方法测定电源的电动势和内阻的实验过程中，以充分交流合作为前提，感受了科技手段使物理研究获得了高速度和高质量，认识了学科间的相互联系，增强了学生研究物理的好奇心和求知欲，通过在实验中严谨的操作，一丝不苟的观察、记录，最后得出结论等这一复杂的过程，培养学生不怕麻烦、不怕反复、严谨细致、缜密做事、精确计算的治学品质和勇于为科学献身的奉献精神。

四、从问题出发，引导和培养学生对科学不懈探究的素养

在学生用三种实验方法测同一个电源电动势和内阻得出实验结果之后，教师引导学生观察思考：理论上，用三种探究方法测得同一个电源的电动势和内阻的测量值应该很接近。但实际上，学生看到的实验结果却出乎意料：用方案一和方案三测得的电源电动势和内阻相差不大，用方案二测得的电源内阻明显偏大、电动势也偏大，为什么会出现这种结果呢？教师要进一步启发学生，将方案二的电路图和闭合电路欧姆定律表达式对照看，学生就可能做出电流表可能有一定内阻的推断。如果用RA表示电流表内阻，闭合电路欧姆定律表达式就应该修改为E=I(R+r+RA)。很显然方法二测得的内阻，应为电源内阻和电流表内阻的总和，测量值自然偏大，这一过程客观地证明了学生的推断。过去通常认为没有内阻的电流表概念，是理想电流表概念模型，实际的电流表都有内阻，只不过电阻值较小。

此时，教师适时引入等效电源的概念，进一步组织学生深入讨论。引导学生将电流表和电源看成一个新的电源即等效电源如图7，这个等效电源的电动势E′和内阻r′就是我们实验的测量值。教师再让学生交流讨论：用方案二测得的电动势E′和电源的实际电动势E应该相同。并引导学生换个角度思考问题，用方案一和方案三测得的电动势是不是可能偏小了。

图7

图8

此时，教师提出问题：等效电源的电动势E′和内阻r′是怎样的？学生经过讨论找到了理论依据：E′等于等效电源断路时的路端电压UAB，若电压表内阻为RV,则内阻由此可以看出，用方案三测得的电动势E′小于电动势真实值E，内阻测量值r′小于内阻真实值r。同理用方案一测得的电源电动势和内阻均小于真实值。

教师通过这一环节的教学，要让学生了解电流表和电压表内阻的存在和对测量结果的影响，不仅加深了对闭合电路欧姆定律的理解，而且引导学生学会如何对待实验中发现和遇到的问题。一是不要轻易怀疑我们的实验结果；二是要围绕产生的问题查找各种原因，进行认真分析；三是一定坚持找到问题产生的根源和影响因素，从而找到正确的答案。

五、通过归纳总结，培养树立科学的物理概念

在实验课结束之前，教师要对本节课进行总结。学生在初高中物理学习中建立的不同电源概念模型，以及通过本次实验课的学习，对电压表、电流表概念产生了新认识，引导思考：为什么初中的电源概念、电压表概念、电流表概念这么简单，而到了高中变得复杂起来了呢？从而让学生懂得，为了分析问题的简洁方便，为了便于学生理解接受，以及考虑到学生接受知识由浅入深的认识规律，在物理学科教学中，很多时候将物理概念用理想的物理模型替代。随着学生知识的增加，理解和分析事物的能力的增强，逐渐将理想的物理模型还原成实际的物理概念。再比如，我们在力学中经常使用的质点的概念，是只有质量没有大小和形状的点，这就是理想化的模型，世界上哪有只有质量没有大小和形状的物体。很显然，我们抓住事物的主要特点对事物进行了简化，使我们分析和研究问题变得方便简单。

本节课在教学中，先由学生利用开放性思维设计多种实验方案，再通过学生讨论、争辩、相互评判直至挑选出优秀实验方案，并在此基础上，通过组织学生包括运用现代化教学软件等完成了三种方法的实验探究，得到实验结果、比对实验结果，引导学生发现并思考回答问题等一系列教学环节，不仅圆满完成了本节课的教学任务，而且以实验为载体，对学生实施了良好的物理学科核心素养培养。▲