基于關鍵能力培養的初中物理實驗教學
——以“測量小燈泡電功率”為例

徐正黃

(吳中區石湖中學，江蘇 蘇州 215168)

1 緣起:核心素養催生關鍵能力

物理核心素養是指學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力,主要由“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態度和責任”4方面要素構成．關鍵能力最早由德國社會教育學家梅騰斯提出來的,梅騰斯認為,關鍵能力是那些與一定的專業實際技能不直接相關的知識、技能和能力,它是一種能在不同的新場合中做出評判和選擇的能力,一種能勝任人生生涯中不可預見的變化的能力,20世紀90年代,關鍵能力主要表述為學習者為完成今后不斷變化的學習任務而應具有的一種帶有綜合性質的能力,它與具體的技能和知識沒有直接關系,是一種跨界性能力．

重視培養學生的能力,一直是我國基礎教育改革與發展的重要目標．1999年《中共中央國務院關于深化教育改革全面推進素質教育的決定》明確提出“教育工作要轉變教育觀念,改革人才培養模式,重視培養學生收集處理信息的能力,獲取新知識的能力,分析和解決問題的能力,語言文字表達能力以及團結協作和社會活動的能力”．“培養學生的能力”是素質教育的核心思想．2009年《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》提出,教育要“堅持能力為重,優化知識結構,豐富社會實踐,強化能力培養,著力提高學生的學習能力,實踐能力、創新能力”,并在考試招生制度改革中要求“深化考試內容和形式改革,著重考查綜合素質和能力”．2017年中辦、國辦印發的《關于深化教育體制機制改革的意見》明確提出要培養支撐終身發展和適應時代的關鍵能力(認知能力、合作能力、創新能力、職業能力)．

物理學是一門實驗科學, 其概念、定律是前人在實驗的基礎上,反復觀察、實踐、驗證、提煉而形成的, 物理實驗是運用規律解決實際問題,需要經歷設計方案、實驗操作、數據記錄和分析、總結規律、修正結論等全思維鏈過程,因此實驗教學可以起到培養學生物理關鍵能力的作用．

關于物理關鍵能力的培養,北京師范大學郭玉英教授認為要通過3種途徑:(1) 引導學生整合關聯所學知識,建構起相應的物理觀念．(2) 讓學生在實踐活動中發展物理學科能力,在教學中,教師多創設真實的問題情境,引導學生運用所學物理模型、概念和規律進行解釋,培養其科學推理的嚴謹性、連貫性以及表述的準確性．并基于證據對其解釋進行評估和質疑,提出新模型,嘗試更好的解釋．在課堂中參與探究、建模、解釋和論證,不僅能有效促進應用實踐和創新遷移能力的發展,還有助于學生的科學態度與責任的培養．(3) 以系統評價促進學生能力發展．

江蘇省中小學教學研究室葉兵老師帶領的團隊開展了“初中物理學科核心素養與關鍵能力”的相關研究,得出了初中物理核心素養和關鍵能力的框架,包含概括理解、實驗探究、實踐應用和求實創新4個方面,并制定了初中物理核心素養和關鍵能力的表現水平的描述量表．

無錫市教育科學研究院許幫正老師等則從中考評價的角度提出“加強實驗設計和分析能力的培養,實驗教學要有項目設計的意識”.

以上研究都指出了初中物理核心素養和關鍵能力的培養需要“做什么”,但關于“怎么做”的研究較少,下面以初中物理電學實驗 “測量小燈泡電功率”為例,探討培養物理關鍵能力的方式方法．

2 例談:在親身參與問題解決中提升關鍵能力

“測量小燈泡電功率”是初中20個學生必做實驗的最后一個,有壓軸地位．電功率是初中5個“理解”級別中的一個,測量小燈泡的電功率是測量性實驗,目前教材的編寫容易讓學生成為“按方抓藥”操作工:實驗目的直接對號入座,依據原理一步到位,使用的器材附有實物照片,實驗電路圖畫好了樣圖,實驗步驟一一羅列,并代替學生繪制了表格．

如何讓測量小燈泡電功率這個實驗成為培養學生關鍵能力的機會呢?

筆者采取的策略是有機整合4環節和7要素,緊扣實驗教學4環節:預習、操作、總結、反饋,突出實驗探究7要素:明確實驗目的,理解實驗原理,設計制定方案,合理選擇器材,合作進行實驗,科學處理數據,評估交流過程結果．測量小燈泡電功率最基本的方法是用伏安法測量,學生有認知基礎,組織難度不大,持之以恒可以形成關鍵能力．

2.1 預習階段：培養元認知能力

預習是在明確目的、理解原理的基礎上設計出實驗方案．實施時,啟發學生重溫伏安法測量定值電阻阻值的實驗,對比伏安法測量小燈泡的電阻跟伏安法測量小燈泡電功率的異同,有比較,才有鑒別．測量小燈泡的電功率跟測量小燈泡的電阻大同小異,后者測電功率是前者測電阻的繼續和發展,尋找內在聯系,根據表1,指導學生制定方案,至此,實驗方案基本敲定,實驗預習到位．

表1 測量小燈泡的電阻與電阻率的對比

2.2 操作階段：培養合作能力

實驗前要選好器材,本實驗小燈泡的規格準備2.5 V、3.8 V兩種,相應實驗器材由學生合理選擇．選好電路,排好順序才可以開始操作,操作常規應訓練有素,要關注一些苗頭性的違規操作.例如,接線時,開關以及滑動變阻器滑片的處置,接線的順序,測量時視線的焦點,拆線的先后順序等等．根據往屆學生的操作統計,有些違規操作呈周期性反復出現．例如,連接好最后一根線,小燈泡就亮了,甚至出現小燈泡太亮的實驗現象；電路連接無誤,閉合開關后,發現小燈泡不亮,電流表無示數,但電壓表有示數,究竟是燈絲斷了?還是小燈泡跟燈座沒有旋緊?還是其他原因?電流表跟電壓表錯位了;閉合開關后,小燈泡不亮,電流表有示數,電壓表無示數;也可能出現小燈泡不亮,兩者均無示數,等等．現將教學過程中發現的兩例摘錄,見圖1、圖2,可先指導學生分析錯在哪里,有什么現象發生,確認對儀器無損后,不妨將錯就錯操作,看看分析的結果對不對,再共商糾正的辦法．

實驗中要記錄好數據,根據實驗目的和原理,設計出合理的數據表是實驗的核心工作,當然也是實驗報告的重要組成部分.本實驗測量小燈泡的電功率,同時要探究小燈泡的亮度跟實際功率之間的定性關系,所以實驗表格要包括測量項、觀察項以及計算項．其中計算項建議包括燈絲電阻和實際功率兩項,以便于承前啟后,表格中小燈泡的額定功率及正常發光時的燈絲阻值,宜應特別標注,實驗次數安排3次,教材的表格可供參考．實驗時還要分析異?，F象的形成原因,排除電路故障．

圖1 電壓表接法有誤

圖2 電壓表串聯在電路

2.3 總結階段：培養職業能力

總結階段需要分析處理數據,對測量結果進行描述和解釋,并作科學評估．同時關注測量過程中出現的新問題,提出改進方案,這些都是寫好實驗報告的基本要求,也是實驗能力再提高的關鍵舉措．實施時不必面面俱到,擇要點睛,啟發學生將實驗報告寫成一個科學作品,力求能把實驗結果及過程科學呈現,不僅如此,還要教育學生尊重事實,一絲不茍,絕不允許為得一個好結果,不惜拼湊篡改數據,弄虛作假．這就是求真務實的科學精神．

本實驗的分析論證和科學評估包括如下4個方面.

(1) 小燈泡的亮度決定于它的實際功率.

小燈泡的實際功率跟小燈泡兩端的電壓及通過它的電流均成正比,小燈泡的亮度隨小燈泡的實際功率增大而增大．小燈泡的額定功率是指小燈泡在額定電壓時的實際功率,此時小燈泡正常發光,這是一個令人關注的功率.為了安全用電,所有用電器工作時,加在其兩端的電壓不要超過它的額定電壓．小燈泡的亮度增加,燈絲的溫度升高,燈絲的電阻隨著變大．小燈泡處于額定功率工作狀態,此時燈絲電阻就是正常發光時的電阻．

(2) 對測量額定電壓3.8 V小燈泡額定功率的問題開展討論.

圖3 電壓表不超量程的方案

讓兩組學生用同一套器材先后重做實驗,把他們所測定的額定功率值加以比較,定會發現差異較大,發動大家討論其中的原因并思考改進意見．通過討論和評價,最主要的問題是用量程0～15 V的電壓表測量小燈泡的額定電壓,由于電壓表的分度值是0.5 V,所以測電壓就不易準確,討論改進方案,解決方法可用0～3 V量程將電壓表跟滑動變阻器并聯,如圖3所示,方案定后,再實際操作一次,合上電鍵前,要考慮接通電源前滑片移在什么位置為宜．

(3) 利用測量小燈泡電功率的數據作小燈泡的I-U圖線.

教材對小燈泡的I-U圖線沒有涉及,但是圖像處理數據是未來趨勢,近幾年各地中考物理試卷中頻現小燈泡的I-U圖線,由于用實驗數據作過這條I-U圖線的學生不多,所以廣大師生對小燈泡的I-U圖線缺少感性認識．建議利用測量小燈泡電功率的數據,親手繪制一次小燈泡的I-U圖線,畫它不過舉手之勞,但可大大減少對它的神秘感．圖4就是筆者實驗所作的額定電壓為2.5 V的小燈泡的I-U圖線．

圖4 小燈泡I-U圖線

要正確作出小燈泡的I-U圖線,需要注意的是,要多取3至4組數據,以電壓低于2.5 V的數據為主,這時的數據表可簡化成如表2所示．

表2

(4) 應用小燈泡的I-U圖像比較不同狀態下的功率和燈絲電阻．

在小燈泡的I-U圖像,過某一坐標點,分別作平行于橫軸和縱軸的直線,就是坐標點所處狀態下的實際功率,該坐標點跟原點的連線和橫軸之間夾角α的余切cotα就表示該狀態下燈絲的電阻,圖4中所示的矩形面積就是小燈泡的額定功率,cotα就是正常發光時的燈絲電阻(圖4)．

2.4 反饋階段：培養創新能力

測量小燈泡的功率雖然是測量性實驗,主題仍是科學探究．《課標》指出“實驗是科學探究的重要方式之一．除了學習知識、訓練技能以外,物理實驗還應在發展實驗能力、提高科學素養方面發揮重要作用”,“旨在讓學生經歷與科學工作者進行相似的探究過程”．《課標》還多次強調“學校應充分利用已有的實驗器材,努力開發適合本校情況的實驗課程資源,盡可能讓學生自己動手多做實驗”．為此,筆者認為在完成伏安法測量小燈泡的功率的必做實驗后,應有意識、有步驟地開設由學生自行設計并實地操作的非伏安法測量小燈泡額定功率的實踐活動,不失時機地提升學生收集信息、處理信息、解釋信息的能力．

非伏安法測量小燈泡的額定功率包括兩個方面內容,一個是伏阻法,即用一個電壓表一個阻值已知的定值電阻,另一個是安阻法,即用一個電流表一個阻值已知的定值電阻測量,現側重介紹前者．

英國政府在財政開支極為緊張和“脫歐”可能導致獲得歐盟科研經費銳減的情況下，承諾2016—2020年政府科學投入總額將達263億英鎊，并加強與產業界及社會各界的合作，推行最具國際競爭力的研發稅收優惠政策，力爭未來10年內使英國全社會研發投入增加800億英鎊，到2027年將研發投入占GDP的比例提高到2.4%（2015年為1.68%），最終實現3%的長期目標[5]。自2015年4月1日起，英國將企業研發支出稅收抵扣率由10%提高到11%，2018年1月1日起又進一步提升至12%。

(1) 不加條件的伏阻法.

所謂“不加條件”即指電路連接不限,所用元件的規格均適當．

圖5

(2) 要求電路只連接1次的伏阻法.

附加條件只增添“電路只連接一次”的要求．依據所用開關的不同,可以設計出圖6和圖7兩種電路．

圖6 伏阻法變形之一 圖7 伏阻法變形之二

用圖6電路簡述主要操作步驟．閉合S1,S2接b,調節滑片P,使電壓表示數為3.8 V．保持滑片P位置不變,閉合S1,S2接a,測出電壓表示數為U．則小燈泡的額定功率為

P=[3.8×(U-3.8)]/R0.

(3) 前述限制條件外再加限電源電壓U0=6 V,R0=10 Ω,小燈泡的最大電阻約為7.5 Ω條件下的伏阻法．(7.5 Ω是先行假定，具體要用3.8 V小燈泡大致測試其正常發光時電阻再定奪)

加限制條件后,圖6或圖7所示電路不能勝任．當閉合S1、S2時,即使滑片調至零值,小燈泡兩端電壓UL=6/(7.5+10)×7.5=2.6(V),小燈泡兩端電壓達不到3.8 V,測量其額定功率受阻．

如將設計電路改成圖8那樣,測量就柳暗花明了．

圖8

主要步驟: ① 閉合S1，S2接b,調節滑片P,使電壓表示數為3.8 V;② 保持滑片P位置不變,再將S2接a,記錄電壓表示數U2．

換算如下:由步驟 ② 可知滑動變阻器此時的阻值為

由步驟①可知小燈泡正常發光時的電流為

小燈泡的額定功率為

當然,如果仍要用圖6電路測量,但需改動限制條件的數據．譬如,將電源電壓增大,取U0=9 V,或者將定值電阻阻值減小,取R0=3 Ω,甚至將兩者同時調整．

(4) 要求電路只連接一次的安阻法.

圖9 安阻法

限制條件同(2),設計如圖9電路所示．

主要步驟簡述如下: ① 閉合S1，S2接a,調節滑片P,使電流表示數I1=3.8/R0;② 閉合S1，S2接b,滑片P位置不變,測出電流表示數為I2．則小燈泡的額定功率P=3.8×(I2-3.8/R0) W.

以上的種種變化,可以基于學情適當選用,不必面面俱到,讓學生體會到這些變化就激發起了他們的創新欲望了．

3 啟示:關鍵能力培養需要理念的轉變

初中物理學習要求學生應該能形成正確的物理知識結構,具有基本的物理實驗設計和分析能力,具有一定的構建物理模型能力,這是學生經歷初中物理學習后具備的持續學習物理的能力．能力無法傳遞,不可能依靠教師從外部輸入,需要學生在親身解決問題中逐漸形成,故要以問題來引導,形成能力,必須有內在動機和自我驅動力,需要有對話和交流,信息技術環境下,還需要學習環境與學習資源的支持,重視學習體驗和學習成就感,并取得美好的情感體驗,這是基于關鍵能力培養的初中物理教學理念．

“小燈泡電功率的測定”提供了一個實踐案例,它既有基于獨立思考、邏輯推理、信息加工、學會學習的認知能力培養,又有引導學生學會管理、與人合作、遵守規則的合作能力培養,還有親身動手解決問題、優化方案的職業能力培養，還包括基于實驗原理的種種變化及其分析,這就是求變思維,是創新能力的培養．

可能有人會問,教學時間有限,這樣的能力培養能不能落實呢?從筆者的實踐來看,初中生探究欲望很強,只要教師善于引導,把這個活動作為一個項目學習的任務,學生可以較好地完成,學生在項目小組內互相協作,不斷探索,形成了較好的學習體驗,有利于物理學習興趣的形成和情感態度的提升．

當然,學生在不同學段的能力水平是不一樣,同一能力也是具有不同層次的表現,應該在關鍵能力要素框架基礎上構建能力表現標準,能力表現的水平劃分依據應該根據不同學段學生身心發展以及培養目標來確定．以物理能力要素構成為基礎構建物理能力表現標準,不同水平的能力劃分呈現了物理課程中學生能力的進階,可以更客觀地描述學生在物理學習過程中物理能力的發展現狀,為有效地診斷學生能力發展的現有水平,進而預測學生核心素養發展水平提供標尺．以物理關鍵能力為基準開展教學活動,同時設計評價體系,與此同時,良好的評價體系可以更好地診斷能力發展現狀,引導促進物理能力的全面發展．