学科融合助力学生科学探究能力

吴远梅

目前，我国高考（包括物理实验）现有的评价制度采用单一的纸笔方式，不能满足新时期需加强培养高中学生实践能力、创新能力方面要求。物理教师在实验教学过程普遍存在几个问题：（1）教师讲实验或少做实验，讲实验原理、实验步骤、注意事项、数据处理方法;（2）薄弱学校的实验器材多为老旧器材，导致教师过多依赖多媒体的模拟实验，让学生只看实验视频，而不是动手做真实验;（3）当前山区薄弱学校的高中生普遍盲目选择学习物理，并非出于对物理学科的浓厚兴趣。学生基础特别差，学习习惯和学习方式大部分学生仍然是上课听听课，下课做做题的传统习惯，缺少主动思考、没有物理思维，对基本的物理模型无法想像和理解，物理模型的运用能力更差，实验的创新能力相当匮乏。

基于上述状况，针对所教薄弱学校的高中学生现状，作者在物理课堂实验教学中作了一些尝试。下面以《测电池的电动势和内阻》的教学为例：

在《电池电动势和内阻的测量》第二课时的教学中，学生通过学习和相对课例的训练，初步掌握测干电池电动势和内阻的基本方法。但是学生在实验的过程中发现了一些问题：按照教科书提供的方法（伏安法），在移动变阻器滑片的过程中，两个电表的读数变化都很不明显（图1），不利于读数和后期的数据处理，会造成比较大的实验误差;实验结束后废旧干电池的处理和回收的问题（镍铬电池含有汞、锰、镉、铅等多种金属物质，如果乱丢旧电池，会造成环境污染，重金属在自然界不能降解，如果进入人体后，会对人体造成严重损害）。

为了增强学生的绿色环保意识，受教材P 91案例2、P92第3题的启发，学生利用秋冬季节本地的特产（梅州金柚、平远脐橙），自发制作了水果电池。同时尝试利用新方法（安阻法）测出这种自制水果电池的电动势和内阻。

通过实验，同学们除了能顺利测出水果电池的电动势和内阻之外，还收获了一些课本之外的知识，积累了一些物理常识：1、通过查找资料知道：J-0415型微安表，当量程为0-200?A，内阻约500Ω;J-0409型灵敏电流计内阻约为100Ω。2、用伏安法测水果电池的电动势和内阻时，由于电路中的电流和电压都比较小，用常用的学生电压表和电流表都没有办法较准确测出数据，需要用微安表或者由灵敏电流计改装成电压表才能较准确地测出数据（图2）。3、在数据处理环节，利用Excle 表格绘制 I-R图象（图3）和1/I-R图象（图4），对比两图象，结合函数方程，会发现一次函数的斜率和截距能直观表示水果电池的电动势和内阻的关系;4、不同的水果（苹果、橙子）制成的水果电池，它们的电动勢和内阻不一定相等。相似之处是电动势都比较小，约1V，内阻都较大，约几百至几千欧。

通过这个小小的水果电池实验，不仅让学生明白了从课本学到的知识（实验原理是闭合电路欧姆定律）是很有用的（能解决实际问题）之外，还让学生清楚知道，工欲善其事，必先利其器。当遇到实验仪器不够精确的时候，要想办法利用所学的知识对其进行改装;在对数据进行处理时，STEM的跨学科的模式，为学生开启了另一扇窗。学生明白数学知识是学习物理和解决物理实际问题的基础，结合利用计算机的拟合绘图可以更清晰、准确地描绘出函数图象。通过结合函数方程，分析图象点、交点、斜率、截距、面积等等数据分别表示对应问题的物理意义，从而加深学生对建立的物理模型的理解，更有利于学生进一步形成物理观念。同时，学生通过观察实验现象，可能会在心里击出一点点的“火花”——“是不是只要有足够多的水果，我就能让我的小风扇转起来呢？”“用这样的电池，能不能对我的充电宝充电呢？”......笔者相信，这些“星星之火”他日必成燎原之势。通过搞好课外实验，引导学生通过合作与实践，充分利用学科融合，完成主题项目和解决实验中遇到的困难。学生学到了一些物理问题的解决方法和一些科学研究方法，开拓了思维，提升了科学探究能力和实验创新的能力。