在科学探究中提升学生的核心素养——以“电阻”一节为例

赵玉杰

(北京市第一六一中学，北京 100053)

美国《国家科学教育标准》对科学探究的解释是：“科学探究指的是科学家们用来研究自然界并根据研究所获事实证据做出解释的各种方式.也指学生构建知识、形成科学观念、领悟科学方法的各种活动.”科学探究不仅作为学生由形象思维向抽象思维转化的重要方式和概念规律形成的重要手段，还是培养学生科学思维，形成科学观念和科学态度的有效途径.本文以“电阻”一节为例，谈如何在科学探究过程中发展学生的核心素养，培养学生适应个人终身发展和社会需要的必备品格和关键能力.

1 “电阻”概念的建立

在“电阻”这一节的教学中，教师通常让学生观察小灯泡的亮暗和电流表示数的大小，来反映电路中电流的大小，进而让学生认识到导体对电流有阻碍作用.但学生会感到非常的困惑，正是由于导体的存在才接通了电路，导体既然容易导电，又为什么会对电流有阻碍作用呢？这种阻碍作用对学生来说非常的抽象，因此我们在教学中可采用类比的方法，引出电阻的概念，加强学生对电阻的感性认识.

图1 管道对水流的阻碍作用

播放视频：如图1所示，从微观视角分析水流是水分子定向移动形成的，通过滴管中水滴下落的快慢来反映水流的大小，调整阀门控制滴管的横截面积.通过实验现象，我们看到阀门松紧不同时，即管道的横截面积不同时水流的流速不同.虽然管道能允许水流通过，但管道也对水流产生了较大的阻碍作用.

学生活动：按照图2连接电路，首先将刻度尺接入电路中，然后将双手接入电路中，如图3所示，最后五个人手拉手一起接入电路中，三次实验分别观察二极管的明暗情况以及电流表的示数.

图2 图3

学生观察到小灯泡越来越暗，电流表示数也越来越小.通过创设真实的实验情境，学生亲自参与到实验中，让学生体会到导体虽然能够导电，但也会对电流产生阻碍作用，这种阻碍就是电阻.运用类比法和学生活动构建“电阻”的概念后，请学生根据下面的演示实验猜想影响电阻的因素.

2 探究影响电阻大小的因素

2.1 探究素材的选取具有探究性

探究内容的选取应该一下子能抓住学生的注意力，调动学生的积极性，点燃学生探究的欲望.本节课选取具有启发性和趣味性的演示实验，使学生可以从实验中发现并提出问题.

演示实验：用2B铅笔在白色纸板上画出长度为10 cm，宽度分别为0.5 cm和2 cm的长方形,再用加了银粉的墨水画出长度为10 cm，宽度为0.5 cm的长方形.将电源和灵敏电流计串联，如图4所示连接电路，将1号长方形导体接入电路，然后改变其接入电路的长度，观察灵敏电流计示数的变化.再将1号和2号长方形分别接入电路，并使其接入电路中的长度相等，观察灵敏电流计示数的.最后分别将2号和3号等长度接入电路中，观察灵敏电流计示数.

图4 猜想影响导体电阻大小的因素

提问：请根据上述实验猜想影响导体电阻大小的因素？

学生：导体电阻大小可能与导体的长度，横截面积以及温度有关.

设计意图：由于本次探究的问题较为隐蔽，学生很难猜想到影响导体电阻大小的因素，通过物理实验把抽象问题与真实情境相结合，让学生的猜想有据可依，培养学生依据已有经验或科学事实给出合理猜想的意识.并认识到猜想和假设能为其明确探究的方向，避免探究的盲目性.

实验创新：传统的实验是将铅笔芯接入电路中，但铅笔芯在接入的过程中易折断，而且市面上买到的铅笔芯的长度和横截面积规格比较单一，使实验受到了限制.采用本节课中的方法进行演示，不受器材的限制，可以根据实际需求进行探究.

教学反思：以往的教学过程中重在教学器材的应用，拿到实验器材首先介绍这是什么，用它能干什么，我们如何实现它的功能.在今后的教学中，我会更关注教会学生物理器材的选取，往往是以现实需求为基础的.首先教师应该思考的是我的需求是什么，而后提出改进方案，这样我们才能实现从“教教科书”到“用教科书”的转变.

2.2 探究过程符合认知规律

学生在以下器材中选取自己感兴趣的器材作为探究对象，设计实验电路图，并制定实验方案.

实验1组：选取的研究对象是不同规格的金属丝，用小灯泡的明暗反映电路中电流的大小.

在实验过程中，实验2组中有个别小组选择的测量工具是电流表，或是采用转化法，用小灯泡的明暗反映电路中接入导体对电流的阻碍作用大小，即导体阻值的大小.实验时发现小灯泡不发光，没示数，因此需要优化测量工具，改用灵敏电流计进行实验.

实验2组在探究过程中还发现橡皮泥易变形，而且很难保证粗细相同，当学生遇到困难时，才注意到实验器材中不同规格的吸管.学生可以将橡皮泥放入吸管中，保证同一个橡皮泥粗细均匀，即横截面积相等.

图5 食盐水溶液模型

实验3组遇到的困难是食盐水溶液没有固定的形态，它的长度及横截面积该如何测量？教师将食盐水溶液抽象成如图5所示的模型，学生就很容易理解两电极的间距等效于长度，极板浸入食盐水的深度等效于横截面积，食盐水的浓度等效于材料.

设计意图：在探究过程中除了让学生掌握和理解知识，掌握探究方法，培养学生解决问题的能力同样重要.学生在探究影响导体电阻大小的因素过程中，能有意识的控制变量，体会构建物理模型的必要性，学会根据实验目的制定探究计划，并选取适当的实验器材进行实验.在学习“电压”一节时，给学生渗透了利用、和二极管可以判断水果电池的正负极，同时也介绍了不能用判别的原因.由于有前面学习的基础，这里给学生提供更宽松的探究环境和自主选择实验器材的机会.

教学反思：教师对初中阶段的科学探究要有整体的思考和把握，在《义务教育物理课程标准(2011年版)》中，为了教学与评估，共列出了20个学生必做的实验项目，其中9项是探究性实验，因此教师要规划好在什么阶段培养孩子哪方面的能力，最终学生能通过以“自主、探究、合作”为特征的学习方式，对教学内容中的主要知识点进行自主学习.

2.3 探究结果学以致用

学生实验：学生分别对金属丝、食盐水、橡皮泥、铅笔芯等器材加热，观察小灯泡明暗变化.学生发现给金属丝加热时电流表示数变小，即金属丝阻值随温度升高增大；加热食盐水、橡皮泥和铅笔芯等器材时，电流表示数变大，即它们的阻值随温度的升高减小.

教师：教科书上所说的“通常情况下，导体的电阻随温度的升高而增大”，这里的导体指的是金属导体.科学家于1911年发现一种导体在极低温度下电阻消失，即超导体，除此之外科学家还研制出了热敏电阻，超导体和热敏电阻在生产生活以及军事领域都有着广泛的应用.

教师演示：我们在讲电压时为大家介绍了一种有趣的电池——“水果电池”，水果电池所用的电极为锌片和铜片，用电压测量水果电池两端的电压为2.8 V，把灵敏检流计直接连在水果电池两端，电路中没有用电器，灵敏检流计为什么没有超量程？当两电极间距减小时，观察到灵敏检流计示数增大；当电极插入深度增加时，观察到灵敏检流计示数增大.请学生根据今天所学的内容阐述原因.

教学反思：我们在进行教学设计时，应该考虑两个问题，一是本节课学生的知识起点在哪里，二是本节课学生的认知储备如何.这两个问题直接影响教师设计的探究式教学的主体框架与教育内核，进而影响学生对本次探究教学内容的掌握与核心素养的提升.

2.4 探究过程保护学生的求知欲

起初本节课在学生探究环节提供的研究对象是涂机读卡所用的铅笔芯和0.7 mm的自动铅笔芯，但在实验过程中自动铅笔芯极其容易折断，给实验的开展造成了困难.实验过程中学生不断更换铅笔芯，迫使我去思考如何帮助学生解决这个困难，才有本节课伊始的演示实验，小小的改变给学生带来了惊喜.师生间思想上的碰撞擦出了火花，学生同样也给我带来了惊喜，以下是学生在探究过程中提出的值得深入思考的问题.

学生1：在探究食盐水的电阻大小时发现电极周围有气泡.

教师：食盐水通电后会电解，与铜片发生化学反应有新物质生成，所以开关不能长时间闭合.课后可以和化学老师一起讨论这个跨学科问题，同时还可以给学生抛出问题，如何把这个装置改造成电池.

教师：探究影响导体电阻大小的因素是定性实验，学生在实验过程中发现了定量的关系，鼓励学生再探究导体电阻阻值与横截面积的定量关系.

学生3：楼道里的灯是声敏电阻吗?

教师：如果是声敏电阻，白天有人走动，楼道里的灯也会发光，但实际上楼道里的灯只有天色暗下来的时候，有人走动才会发光，灯亮要同时满足两个条件.可以鼓励学生设计一个电路，模拟楼道中灯的发光情况.

教学反思：学生在探究过程中又有了新的发现和思考，教师课前应预先思考课堂上学生会出现什么“意外”，并事先做好预案.在把预案转化为实际教学的过程中，师生之间的互动通常会生成一些新的教学资源.因此教师要及时抓住求知欲外显的时机，并进行有效的触发.教师在平时的教学过程中应关注如何激发学生的求知欲，并保护学生求知欲的突现，学生的求知欲正是教育效果外显的源泉.

2.5 课堂小结

在学习过程中应注重让学生回顾反思，可以以思维导图的方式帮助学生系统地了解概念建立和科学探究的全过程.思维导图以浓缩的方式表征知识的内在联系，帮助学生形成整体意识和全局意识，便于学生理解知识之间的层次关系，可以增强学生的认知迁移.同时它也能够体现出绘图者的想法和观点，正是思考过程的外部体现，我们可以借此指导学生如何思考，并最终激发学生思维，促进学生自主思考.本节课探究环节的思维导图如图6所示.

图6 探究环节思维导图

3 在核心素养的视角下对探究式教学的思考

在教学中我们经常会有“教你一招”和“锦囊妙计”等环节，这看似是在“危难之际救学生于水火之中”，实则是希望学生按照我们的设计意图进行探究.虽然课堂进展得很顺利，却会造成探究不彻底掩盖了学生的问题，抹灭了学生的创造力.探究的乐趣就在于面对困难时，经过团队协作，大家一起交流讨论，冷静分析，利用有限的资源解决问题.教师给学生创设真实的探究情境，在学生实验过程中适当地给予引导和指导，既不能“包办”，也不能“放羊”，要允许学生犯错误并进行尝试，使其在错误和尝试中提升核心素养.

初三的学生经过一年的物理学习，已经具备一定的科学素养，大部分同学已经知道科学探究的七个要素，但很多学生存有的疑惑是该如何提出科学问题，教师可以给出一些方法指导学生如何提出科学问题.指导学生可以从各种情境中发现和提出问题，如生活情境、实验情境以及体验情景等等.还可以运用科学思维方法发现和提出问题，或者采用5W2H分析法和运用逆向思维等等.我们可以根据学生的情况，适当的将思考过程显化，并在教学过程中及时点评，鼓励学生积极思考的同时，提供价值指导，让学生明确什么样的问题更有价值.

在猜想环节也有学生会感到力不从心，教师可以创设真实的情境让学生的猜想有据可依，本节课将导体的电阻与水管类比，有助于帮助学生做出猜想.除此之外学生观看演示实验后运用归纳推理法，提出合理的猜想.教师还可以给学生提供更多的猜想方法，如类比推理、归纳演绎、逆向思维等方法，都是提出和建立科学假说的重要方法.

学生间的思维更具相似性，教师创造机会让学生展示自己解决问题的思维过程，有助于全体学生科学素养的提升.与此同时和学生建立良好的师生关系有利于提升学习物理的兴趣，亦师亦友，教学相长，教师也可以不断地从学生身上汲取营养，紧跟时代步伐，了解时代变革给学生核心素养的养成带来的影响，帮助学生培养适应个人终身发展和社会需要的必备品格和关键能力.