基于创新实验的初中物理复习教学①——以“电学实验复习”为例

张 莎

(西安交通大学苏州附属初级中学,江苏 苏州 215128)

1 引言

初中电学学习时间跨度较长,实验较多,对学生的思维能力要求较高。为了对已学的尚不成体系的物理知识、实验进行系统的巩固和提升,同时为下阶段的学习打下基础,需要组织学生开展阶段性单元复习。传统的电学实验复习主要有两种方式:一是采用最多的习题教学,教师会从各地区中考物理试卷中精选试题形成学案,然后在课堂上按部就班地开展复习教学。这种方式虽能在一定程度上巩固知识、提高考试成绩,但存在“三重三轻”的问题,即:重知识、轻能力,重结论、轻思维,重成绩、轻素养。二是实验教学,教师虽然认识到实验在复习课中的重要作用,但课堂教学不过是将原来新授课的实验再次重复,强调一些注意要点,这样既调动不了学生的积极性,更不能激活学生的思维。

以培养学生物理学科核心素养为目标的复习教学,除了关注知识以外,还应培养学生的思维能力、实践能力和问题解决能力。[1]如何才能达成以上目标?在复习课中引入创新实验是一种行之有效的方法,本文以“运用伏安法的电学实验”单元复习为例,阐述创新实验在复习课中起到的重要作用。

新授课中运用伏安法的电学实验有以下三个:测未知电阻、测小灯泡电阻和测小灯泡电功率。为了在常规复习的基础上达成核心素养的培养目标,笔者开展了三个创新实验,精心创设问题,以任务为驱动,让学生在实际操作中发现、分析和解决问题,实验和复习目标如表1。

表1

2 以创新任务为驱动,培养学生的科学探究意识和能力

情境引入:小明在商店发现铅笔不仅有2B型号,还有3B、4B、5B、6B等型号,他想知道不同型号铅笔芯的阻值是否相同,你能否帮他完成测量?

问题设置:(1) 运用伏安法测量铅笔芯电阻的原理是什么?如何实现多次测量?多次测量的目的是什么?

(2) 观察不同型号铅笔芯电阻的大小,你发现了什么规律?

(3) 影响铅笔芯电阻大小的因素有哪些?请通过观察铅笔芯的粗细和在纸上画出痕迹的深浅提出猜想。

课前准备:为每组分发长度相同的2B、4B、6B铅笔各一支。

实验过程:每组选择一种型号的铅笔进行多次测量,并求出电阻平均值,图1为学生连接的电路。教师将不同小组的测量结果进行汇总(表2)。

图1

表2

对于运用伏安法测未知电阻的实验,传统的复习方法是让学生画出电路图,然后回忆实验原理、步骤,最后总结滑动变阻器的作用、多次实验的目的等知识点,以识记为主,而本实验将学生身边熟悉的铅笔芯作为测量对象,将讲实验转变为做实验。学生通过动手实验,自然会将相关知识应用于实际,学以致用,培养了学生的实际问题解决能力,同时也提高了他们的学习兴趣。

学生探究意识和能力的培养是初中物理教学的重点,本实验借助测量结果,引导学生发现:不同铅笔芯的电阻不同,且具有规律,进而引导学生提出问题:铅笔芯电阻大小与什么因素有关?学生经过观察、思考、小组讨论后形成有依据的猜想,如与铅笔芯的粗细和含碳量有关,培养了学生的探究能力。

3 以创新学具为抓手,培养学生的问题解决能力

教师在每组器材中设置了小灯泡短路或断路的故障,提出任务:现有一只额定电压为2.5 V、额定电流未知的小灯泡,请用实验测量其额定功率。

问题设置:(1) 运用伏安法测量小灯泡额定功率的原理是什么?实验步骤是什么?

(2) 你在实验过程中遇到了什么困难?

(3) 分析、排除电路故障的一般步骤有哪些?

(4) 移动滑动变阻器的滑片,若电流表有示数,电压表示数为零,则哪个元件出现了故障?是什么故障?

(5) 若电流表示数为零,电压表有示数,又是哪个元件出现了故障?是什么故障?

课前准备:使小灯泡短路的方法为:用螺丝刀把小灯泡底座后面的两个螺丝拧松,用一段铁丝绕在两个螺丝之间,然后将螺丝拧紧。使小灯泡断路的方法如下:用四节干电池串联,将小灯泡接入电路后将灯丝烧断。

实验过程:图2是学生连接好的电路,现象是:小灯泡不亮,电流表有示数,电压表示数为零;另一种是小灯泡断路的情况。在实验中有些小组会重接电路、改变电表量程;有小组认为是电表坏了,要求更换电表;还有小组认为小灯泡坏了,但没有指出小灯泡的具体故障。

图2

通过电路故障分析综合考查了学生分析电路的能力,这是初中电学的难点。为了突破这一难点,传统的方法是故障题型分类讲解、提炼分析故障的技巧等。[2]虽然在一定程度上提高了学生分析问题的能力,但因缺乏实验现象的直观呈现,学生没有经历实际操作过程,导致学生对电路故障的认识不够深刻,不能实现知识迁移,更谈不上学以致用。

本实验利用现有实验资源,预设了小灯泡断路和短路故障,在真实的情境中为学生搭建认知桥梁。通过问题链的设置,引导学生通过现象(小灯泡亮度、电表示数)发现问题,分析电表示数,交流、讨论解决问题的方法,最终排除电路故障。学生经历这样完整的探究过程,不仅强化了对电路故障的认识和理解,还培养了解决实际问题的能力。

学生排除电路故障之后,再去测量小灯泡的额定电流,进而计算额定功率,任务的完成会变得简单。

4 以理论和实验相结合的教学方式,训练学生的科学思维

图3

问题设置:(1)I-U图线与坐标轴围成的面积代表什么?能否通过这种方式判断出P1和P2的大小?

(2) 能否通过实验测量出P1和P2,再比较两者的大小?设计实验并完成测量。

(3) 请根据图4思考:若是定值电阻,P2和P1的大小如何?为什么小灯泡会出现P1>P2的情况?

图4

表3是学生设计的实验和测量结果。

表3

在电功率这一节中,对于实际功率和额定功率的理解是难点。一是学生容易混淆。二是学生对实际功率的理解不深刻,不清楚具体情况下的“实际”是什么含义。为了突破这一难点,有的教师会安排大量的习题进行训练,很少有实验配合,学生缺少感性认识,这就导致思维能力较弱的学生一直攻克不了这个难点。

在本次实验前,先通过理论分析,引导学生理解I-U图线与U轴围成的面积对应实际功率,培养学生的图像分析能力。在进行实验时,学生通过自己设计对比实验,完成实验后得出结论,不仅强化了对小灯泡实际功率和额定功率的认识,而且以理论和实验相结合的方式,为学生搭建思维阶梯,加深学生对小灯泡I-U特性曲线的理解,提高学生分析问题的能力。

5 依托实验建构知识结构,帮助学生实现知识体系化

通过复习帮助学生建构知识结构是高效复习的措施之一。学生通过第一个实验,可以回忆起运用伏安法测未知电阻的相关知识点。学生通过填写表4内容,对三个相关实验进行对比、分析,能很快发现运用伏安法测未知电阻、小灯泡的电阻和电功率这三个实验的相同点和不同点。通过三个实验的对比和总结,在学生头脑中有关“伏安法”测量实验的信息就不再是零碎的、杂乱的,而是系统的、结构化的。学生通过自主总结,可培养他们的归纳总结能力,加深对各个实验的理解。

表4

6 结语

创新实验设计可以激活课堂教学,突出学生的主体地位,提高复习课的效率。但是,创新理念要真正走进复习课堂也有一定难度,一是相对习题解答式教学,创新实验的设计和组织要花费更多的时间和精力,二是课堂时间有限,学生已经习惯通过练习巩固知识。在教育理念不断更新的背景下,教师更要走在时代发展的前沿,突出物理课堂实验的重要性,实现学科育人功能,提升学生的核心素养。