基于核心素养的物理实验有效教学探讨①——以“探究影响电阻大小的因素”为例

李安发

(广东省广州市花都区秀雅学校,广东 广州 510800)

物理学科核心素养是物理学科育人价值的集中体现，是学生在接受物理教育的过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的关键能力和必备品格，主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面构成。培养学生的核心素养是当下物理教学的使命和行动准则，物理是以实验为基础的学科，实验是物理教学的重要方式，物理实验教学应该在体现物理观念的基础上，发展学生的推理和论证等思维能力，使学生学会科学猜想和探究、得出科学结论且能应用于解决实际问题，还要在实验中培养学生的科学态度和责任。笔者以“探究影响电阻大小的因素”的教学为例，探讨在实验教学中培养学生核心素养的策略。

1 创新实验设计，激发学生猜想的灵感

《义务教育物理课程标准(2011年版)》指出：科学探究涉及提出科学问题、猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、分析与论证、评估、交流与合作等要素。实验探究的第一环节就是提出科学问题，形成合理猜想。学生的猜想不是无花之果，无本之木，学生猜想的灵感主要源于实验等。在学生进行实验探究前，教师要设计新颖的引导方案，吸引学生参与实验，通过操作体验和现象观察，让学生进行合理猜想。在“探究影响电阻大小的因素”的实验中，为了让学生对影响电阻大小的因素做出科学合理的猜想，笔者设计了新颖的石墨电路。如图1所示，在白纸上用铅笔画两段导线，代替金属导线接入电路，接上电源和LED灯，让学生试试看，这个画出来的电路是否也能让LED灯发光。这对学生来说是一个新奇的尝试，学生都跃跃欲试。

图1

教师把电路图贴在黑板上，让学生从身边找物品把两段石墨线条连起来。有的学生用塑料尺、铅笔的木头外壳、扎头发的橡皮筋接上去，结果灯不亮；有的学生用钥匙、圆规接上去，结果灯亮了；还有学生把自己接入电路中，用两个手指分别把两段电路连接来(图2)，灯也亮了。看到他把自己接入电路让灯发光了，同学们都很兴奋，表示要上来试一试。一会儿就上来了十几个学生，老师建议同学们手拉手一起来实验，结果灯也亮了，但比单独一个人的时候要暗。

图2

实验证明画出来的石墨线条也能导电，既然画出来的石墨线条能导电，那不如直接用铅笔画线，把两段电路连起来，看看灯亮不亮。然后教师在两段石墨线条之间用铅笔画了一根线，电路连起来了，灯却不见发光。怎么办呢？有学生提醒老师，继续画。于是老师又用铅笔把线越画越粗，这时灯逐渐亮起来(图3)。

图3

实验把学生猜想的灵感激发起来了，学生分析道：(1)用塑料尺、铅笔木壳、橡皮筋等连入电路，灯不亮，说明它们的电阻大；用钥匙、圆规、人体把电路连起来，灯亮了，说明它们的电阻较小。这些现象说明：电阻的大小可能跟接入的材料有关。(2)多人手拉手接入电路也能让灯发光，但灯的亮度比一个人接入电路时要弱些，说明电阻大小可能与导体的长度有关，长度越长，电阻越大。(3)老师在用铅笔画线连接电路时，只画一根线的时候，虽然电路连起来了，但灯不亮，说明此时电阻较大，当导线越画越粗，灯逐渐亮起来了，说明电阻逐渐变小了，猜想电阻可能与导体的横截面积有关。这样，学生就根据亲身参与的实验引导，提出了合理的猜想。接下来，要求学生设计实验，对这些猜想进行验证。

2 掌握科学方法，开展实验探究

在组织学生开展探究实验时要注重实验方法的运用，关于影响电阻大小的因素有多个猜想，要学会运用控制变量法。在实验中，只有想要探究的那个因素需要改变，其他因素都应保持不变。如要探究电阻与长度的关系，就应选两根材料都是镍铬合金的导线，其横截面积也要相同。

在实验中，除了用到控制变量法，还需要运用转换法。电阻是一种抽象的概念，我们要用与电阻有关的现象来反映电阻大小的变化，比如我们可以用灯泡的亮度来反映，当所加电压一定时，灯越亮说明电阻越小，当灯的亮度变化用肉眼难以察觉时，我们还可以用电流表来测量电路的电流，用电流的大小变化来反映电阻的变化。控制变量法和转换法是物理实验中常用的方法，本实验很好地运用和巩固了这些方法。

3 创设合理的问题情境，培养学生的科学论证能力

科学论证是科学思维的要素之一，在实验探究中必须要注重学生科学思维能力的培养，在得出结论之后，教师可以创设合理的问题情境，为学生的思维搭建平台，培养学生的科学论证能力。本实验结束后，学生正确得出了影响电阻大小的因素，教师可提出如下问题：(1)两个电阻串联后的总电阻比原来的每个电阻都大，还是都小，或是介于两者之间？你如何解释？(2)两个电阻并联后的总电阻比原来的每个电阻都大，还是都小，或是介于两者之间？你如何解释？

可以引导学生通过画图的方式，将等效电阻画出来。电阻串联本质上就是导体的长度变长，所以总电阻比任何一个分电阻都要大；电阻并联本质上就是导体的横截面积变大，所以总电阻比任何一个分电阻都要小。

4 创设真实的实验情境，培养学生的科学推理能力

为了探究金属电阻与温度的关系，教师把从日光灯上取下的灯丝与小灯泡、电流表串联在电路中(图4)，用打火机加热金属灯丝，随着灯丝的温度升高，与该灯丝串联的小灯泡逐渐变暗，说明灯丝温度越高，电阻越大。为了探究温度降低时电阻的变化，先连接电路，此时灯比较暗，然后将电阻丝放入极低温的液氮中，与灯丝串联的另一灯泡变得非常明亮(图5)，这说明灯丝温度越低，电阻越小。引导学生推理：当温度继续降低，灯丝的电阻也将继续变小，当温度降到某一足够低的温度时，导体的电阻将变为零。我们把低温下导体电阻为零的现象叫超导现象，将电阻为零的导体叫做超导体。学生在被精彩的实验现象震撼的同时，科学推理能力也得到了升华，而且很自然地引出了超导现象和超导体的概念，水到渠成。

图4

图5

5 运用实验培育学生的科学态度和责任

实验教学是物理教学的重要组成部分，既承载了构建物理观念的功能，也是培养学生科学思维和科学探究能力的重要途径，在实验教学中要适时、合理地推进学生科学态度和责任感的形成。比如在实验教学中，针对超导体的内容，可以介绍其重要的科学价值和广阔的应用前景，同时还要说明：目前的超导现象都是发生在极低的温度下，实际应用尚不成熟，如果能制造出常温超导体，其应用价值将无与伦比。例如把超导体应用在输电导线中，可以避免由于导线发热而造成的电能损失；把超导体用在手机、电脑等电器中，将没有发热现象，会延长机器的使用寿命。常温下的超导体的研究有赖于同学们的努力，希望大家以后在这些方面取得突破，为社会、为国家、为人类造福。