基于核心素养下高考中“电池电动势和内阻测量”实验的思考

于佳琪　刘高福

摘   要：物理实验教学具有实践性、直观性、实证性、操作性和创新性等特点，能够有效帮助学生理解和应用物理知识，培养科学研究和实验操作能力。通过实验操作和直接观察物理现象，可以帮助学生更深入地理解和记忆理论知识，并通过实际测量和数据分析，直接获得结果，提高对物理概念的直观理解。同时，鼓励学生在实验中发挥创新性，利用自身的想象力设计实验方案，妥善处理实验过程中遇到的问题，并提出自己的观察和结论，促进学生创新思维的形成。以高考题目“电池电动势和内阻测量”为切入点，帮助学生理解和应用物理知识，培养科学研究和实验操作能力。

关键词：实验教学；核心素养；高考物理

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）6-0046-5

物理学包括实验和理论研究。物理学探究自然界中物质和能量的基本运动规律和特性，以及它们相互作用的规律和现象。通过物理学的研究，人们可以更深入地了解自然界的本质和内在规律。而物理实验不仅是解答物理问题的有效途径与根本方法，也是高中物理教学的重要手段，对于学生探究能力、逻辑能力、思考能力的增强具有重要的促进作用［１-２］。党的十九大报告强调，坚持立德树人的根本任务，深入落实党的教育理念，推动学生的均衡发展，培养德智体美劳协同发展的优秀人才，为社会主义建设输送新鲜血液，是我国教育事业的根本任务。高中物理课标中提出物理学科核心素养，使物理教学有落脚点。本文结合高考实验真题，以电学实验中经典案例“电池电动势和内阻测量”为例，对电学实验的教学展开思考［３］。

１    高考的电学实验真题分析

１．１    电学实验在高考中的地位

高中物理的物理观念主要包括物质观念、能量观念以及运动与相互作用观念三个组成部分。在高中物理教学中，电学有着非常重要的地位，电学实验的学习更是可以帮助学生认识、理解物质运动过程中能量变化的重要途径。高中教材中，电学实验共有三部分，分别为导体电阻率的测量、练习使用多用电表、电池电动势和内阻测量，其中电池电动势和内阻测量在高考试卷中多次出现，考查多以实验题呈现，考查内容丰富，考查要点覆盖面广。电学实验在高中物理课堂教学和高考题目中都占据着重要地位［３-４］。作为一名一线教师应该更加注重实验教学的重要性，以帮助学生掌握相关物理概念，培养科学思维和科学探究能力，而不仅仅是为了教学和考试而教学。在实验教学过程中，教师要组织学生开展实验，提出问题和思考，激发他们的兴趣和好奇心。同时，教师还可以引导学生进行实验设计和数据分析等，促进学生分析能力、创新能力的提升。

１．２    高考电学实验真题及分析

（２０２１年全国乙卷第１０题） 一实验小组利用图1（ａ）所示的电路测量一电池的电动势Ｅ（约1.5 V）和内阻ｒ（小于2 Ω）。图中电压表量程为1 V，内阻RV=380.0 Ω；定值电阻R0=20.0 Ω；电阻箱Ｒ，最大阻值为999.9 Ω；开关Ｓ。按电路图连接电路。完成下列填空：

本题为电路原理图设计，旨在能从减小误差的角度对电路进行设计，并计算出相应的结果，对于学生的探究能力以及数据分析、处理能力有着比较高的要求。本题的核心为理解闭合电路欧姆定律，考查学生对图像数据的观察能力和数据处理能力，引导学生通过电路原理图厘清电压表示数Ｕ及电阻箱示数Ｒ之间的关系，从而计算电源电动势Ｅ和内阻ｒ。

针对本题，对其所考查内容的物理核心素养水平进行划分（表１）。可见，高考将物理核心素养作为关注的重点，主要表现为对物理知识的理解和应用、实验设计、数据处理以及误差分析等方面的综合能力考查。而这些实验往往出自教材，且有所改编，所以在对物理电学实验部分进行教学时，要注重引导学生树立正确的物理观念、科学思维，感受到物理学科的魅力，并全身心地投入教学活动中。

２    电学实验考查形式及要点

基于以上分析，笔者发现电学知识以实验考查的方式出现在高考试题中，设问形式也较为简单，一般是在实验探究背景下，考查学生对电学器件的选择、实验步骤的设计、电路故障分析、数据收集与处理以及误差分析；主要评估的是学生设计实验的能力以及逻辑思维能力，对物理问题的探究能力，对具体器材的操作能力，符合新课程改革对物理核心素养的培养要求以及高考学业水平的划分要求［５］。

电学实验的考查题目大体分为两大类：第一类为三个实验（即导体电阻率的测量、多用途电表的使用、电池电动势和内阻测量）的原型或稍微改编的实验；第二类为在此基础上的创新性实验，例如，２０２２年广东省高考试卷中“判断弹性导电绳电阻和拉伸后绳长之间的相互关系”，２０２２年河北省高考试卷中“将废弃电饭锅利用起来，制作一个能够实现煮饭功能的简易电饭锅”，但总体考查内容不变，仍为上述考点。题目设置也并不难，即使是改编实验或创新性实验，也都在学生平常学习的范围内，学生可以在所学知识基础之上解决问题，这实际上考查的是学生将所学知识应用于实践的能力。

３    实验探究

实际教学过程中，教师应注重对实验教学的应用和处理，通过实验的方式来推动学生主动思考，不能在已有的知识上止步不前，要善于思考，并进行解决，以帮助学生思维能力的发展、探究能力的提升、动手能力的培养。基于此，可以设置一些实验环境为学生探究问题提供方向。本次实验的探究内容是：探究两节电池串联后电源电动势、内阻与两电池的关系。

通过本实验，帮助学生加深对闭合电路欧姆定律的认识，使学生感受假设猜想、设计实验、数据收集及处理的完整实验过程，逐渐树立正确的物理观念，培养出科学思维，体会在实验过程中的团队协作精神，体验实事求是的科学态度。

３．１    实验原理

“电池电动势和内阻测量”的实验原理是闭合电路欧姆定律（E=U+Ir）。借助电压表、电流表进行测量，得到路端电压Ｕ以及通过电源的电流Ｉ，在此基础之上，基于闭合电路欧姆定律计算出电源的电动势Ｅ、内电阻ｒ。为了消除偶然误差的负面影响，可以测量多组Ｕ、Ｉ的值，并计算出与之相对的Ｅ、ｒ，最后计算出平均值。这一测量过程会导致实验数据处理繁琐，所以在处理数据的过程中，往往会选择作图法。通过实验的方式测算多组Ｕ、Ｉ的值，绘制Ｉ－Ｕ图像，然后借助纵截距、斜率的绝对值分别计算出电源电动势Ｅ和内电阻ｒ，这种方法的操作难度较低，且图像直观［５］。

为了使学生对闭合电路欧姆定律理解透彻，将本实验进行升级。本次实验目的为探究丰蓝１号电池及南孚电池串联后的电源电动势与二者的电动势之间的关系，引导学生思考并深刻体会本实验的操作步骤和实验原理［６］。

３．２    实验步骤

ａ.确定实验目的，设计实验步骤；

ｂ.作出实验电路图（图２），明确所需测量的物理量；

ｃ.准备实验器材，根据电路图连接电路实物图；

ｄ.连接好以丰蓝１号电池为旧电池的电路（图３），进行实验；

ｅ.移动滑动变阻器的滑片，测量出５组实验数据；

ｆ.更换电源，分别为南孚电池及两电池串联（丰蓝１号电池和南孚电池），电池是旧电池（图４、图５），重复上述实验，并对实验数据进行记录、处理。

３．３    实验数据

根据上述实验步骤，进行实际的实验环节及数据测量，得到以下实验数据和图像。表２是丰蓝１号电池实验的Ｉ－Ｕ数据，图６是丰蓝１号电池的Ｉ－Ｕ图像，可见电流随着电压的减小而减小；表３是南孚电池实验的Ｉ－Ｕ数据，图７是南孚电池的Ｉ－Ｕ图像，同理其电流随着电压的减小而减小；表４是丰蓝１号电池与南孚电池串联实验的Ｉ－Ｕ数据，图８是丰蓝１号电池与南孚电池串联的Ｉ－Ｕ图像，其电流随着电压的减小依旧减小。

３．４    基于核心素养的实验分析

在实验前，学生已经学习了闭合电路欧姆定律，并有了一定程度的理解，具备相应的物理观念，且可以根据串联电路的特点对“两电池串联后电动势及内阻的关系”进行猜测。因此，可以充分发挥学生的物理思维，在设计实验及实验操作过程中结合已有物理观念及物理思维对物理探究能力进行培养。对实验数据进行处理时，帮助学生理解Ｉ－Ｕ图像的物理意义及其直观性，培养学生的科学探究意识［７］。同时，利用三组实验验证串联电源电动势及内阻之间的关系，即当两电池串联时，所测得电源电动势为丰蓝１号电池与南孚电池电动势之和，内阻同理，即Ｅ＝Ｅ１＋Ｅ２，ｒ＝ｒ１＋ｒ２。

虽然对实验进行了正确的猜想及假设，但通过完整的物理实验步骤对猜想及假设进行验证，可使物理实验完成闭环，让学生意识到物理学科的严谨性，从而达到培养学生核心素养的目的。

４    教学启示

在上述实验中，实验步骤简单，操作起来容易，但这种简单的实验教学却为学生提供了深入思考的空间。学生可以思考关于电池并联测量数据的关系，以及为什么在测量中要使用旧电池，使用多久的旧电池测量效果最好，电池的供电寿命等问题。通过测量的实验数据来判断这些问题，可以让学生直观地解决遇到的疑问。同时，可以改进实验器材，提高高中物理实验的准确性；对电路设计提出改进，如电流表的内接与外接、滑动变阻器的分压式接入与限流式接入对实验误差的影响等［８］。这些问题可以以实验为基础引导学生进行实际探究，并根据已有的实验进行创新性实验的设计和验证。通过解决学生疑问激发他们的学习热情，使学生学习物理具有积极性和动力。通过物理实验培养学生的科学思维，他们在面对陌生的题目时能够拥有独立的思维空间，学习是为了解决问题，而不是为了考试。

正确的物理观念是学习物理的基础。在物理教学中，不仅需要学生掌握物理概念的定义和表达式，更需要通过物理实验教学来深刻理解和体会物理概念的含义。同时，应该引导学生发扬质疑精神，挑战前人的智慧，并通过实验探究来加深理解，真正掌握物理知识。在教学过程中，教师要将学生思维能力的提升作为关注的重点，引导他们在实验过程中思考问题、发现规律、提出问题并解决问题，从而促进其创新思维、科学精神的形成。通过这样的实验教学，学生不仅可以掌握物理知识，还能够发展自己的科学思维和创新能力，为后续科学研究以及实验活动奠定坚实的基础。

参考文献：

［１］张惠作．高中物理教学逻辑的设计策略［Ｊ］．中学物理教学参考，２０１５，44（１５）：２－５．

［２］任梦玥．基于逻辑的物理探究课教学设计研究［Ｄ］．苏州：苏州大学，２０１６．

［３］单天颖．运用学历案提升探究式实验课堂品质——以“测量电源电动势与内阻”为例［Ｊ］．中学物理教学参考，２０２２，51（５）：２２－２４．

［４］吕国通．充分创设问题情境培养实验探究能力——以“测定电源电动势和内电阻”的复习为例［Ｊ］．实验教学与仪器，２０２２，39（５）：８－１１，２０．

［５］吴昊，沈文炳．“测绘小灯泡的伏安特性曲线”的教学思考［J］．湖南中学物理，２０２２（５）：４６－４８．

［６］肖剑，周长觉，向敏龙．基于探索情境链的自助餐式实验教学设计——以“测电源电动势和内阻”为例［Ｊ］．湖南中学物理，２０２２（９）：６９－７１．

［７］马和明．小灯泡伏安特性曲线实验中的几个问题［J］．实验教学与仪器，２０２２，39（５）：３６－３７．

［８］张金龙，程会琴．“安安法”“伏伏法”在测量电源电动势和内阻实验中的应用分析［Ｊ］．教学考试，２０２２（２２）：３４－３７．

（栏目编辑    陈   洁）

收稿日期：2024-01-04

基金项目：贵州师范学院与贵州师范大学联合培养教育硕士专业学位研究生专项科研基金项目“基于核心素养下高中物理探究实验的应用研究”（２０２２ＹＪＳ０６）；２０２２ 年贵州省本科教学质量与教学改革工程项目“基于课程思政的大学物理实验教学模式改革与实践研究”。

作者简介：于佳琪（１９９８－），女，贵州师范学院与贵州师范大学联合培养研究生，主要从事学科教学物理研究。

*通信作者：刘高福（１９８０-），男，贵州师范学院物理与电子科学学院教授，主要从事物理教学论和凝聚态物理研究。