異常處探出能力,過程中生成品質
——實驗異常探究中培養(yǎng)核心素養(yǎng)二例

吳 政

(1. 江蘇省昆山震川高級中學,江蘇 昆山 215300； 2. 江蘇省昆山陸家高級中學，江蘇 昆山 215300)

1 實驗異常與核心素養(yǎng)

在學生探究實驗中,有時會出現(xiàn)與一些與預設不同甚至相反的實驗現(xiàn)象,尤其是排除了偶然因素,分析了各種系統(tǒng)誤差之后,還是得出相反的結論,本文將這種現(xiàn)象稱為實驗異常．此時如果教師不加以科學引導,積極鼓勵,適當幫助,一方面,可能會讓學生產生失敗感,失去學習的自信;另一方面,對實驗在科學探究中所起的作用會產生懷疑,進而不相信實驗或者失去做實驗的興趣．

其實,實驗異常現(xiàn)象是學生在實驗中探究所得,是真實體驗,是一次寶貴的實踐體會,也是激發(fā)興趣的一個機會,更是培養(yǎng)學生真正實驗探究能力的一個契機．2017版高中物理課程標準的中心是凝練學科核心素養(yǎng),它包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任4個方面．物理是實驗學科,實驗對培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)所起的作用是非常關鍵的,課程標準明確指出,我們在培養(yǎng)學生科學思維與科學探究方面要達到的目標是:“具有使用科學證據(jù)的意識和評估科學證據(jù)的能力,能運用證據(jù)對研究的問題進行描述、解釋和預測;具有評判性思維的意識,能基于證據(jù)大膽質疑,從不同角度思考問題,追求科技創(chuàng)新．”[1]在科學態(tài)度與責任方面要達到的目標是:“逐漸形成探索自然的內在動力,嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態(tài)度．”因此,當有違常理的實驗現(xiàn)象出現(xiàn)時,我們要引導學生去思考與分析:發(fā)生的現(xiàn)象是不是實驗異常?發(fā)生的原因是什么?怎樣糾正或改善?在探究的過程中,伴隨著這些問題的解決,學生的實驗能力會得到真正的提高,科學素養(yǎng)自然而然生成．下面以2個實驗異常案例為例來加以闡述．

2 實驗異常二例

2.1 色環(huán)定值電阻測量

如圖1是我校實驗室用市售色環(huán)金屬膜電阻(5 W)自制的定值電阻,以下是一個學習小組(4人)的測量探究過程．

(1) 不知阻值的大約值,故電流表接法用試觸法:由于高中階段對色環(huán)阻值讀數(shù)方法不作要求,故師生均不了解具體阻值是多少,故在電流表內接與外接的選擇時,學生討論用圖2所示的試觸法,發(fā)現(xiàn)電壓表讀數(shù)變化比電流表讀數(shù)變化大,判斷為一個較小電阻,故用電流表外接法,測得數(shù)據(jù)如表:

圖1

表1

根據(jù)數(shù)據(jù)作出U-I圖線(略)并由圖線斜率求出R=31 Ω．根據(jù)電流表外接法的性質,學生在誤差分析時理所當然地認為該測量值偏小,教師也認為實驗探究基本完成．

(2) 學生“較真”讀色環(huán)值,實驗結論現(xiàn)異常:有一個學生出于好奇,上網查找了色環(huán)電阻阻值讀數(shù)方法,該電阻為四色環(huán)電阻,第一環(huán)紅色表示2,第二環(huán)紫色表示7,第三環(huán)黑色表示乘以10的零次方(黑表示0),第四環(huán)金色表示誤差僅為5%,故阻值為27 Ω.上面的測量值偏大!根據(jù)外接法的系統(tǒng)誤差分析,只會偏小不會偏大,如果給出電壓表內阻求真實值,只會比其更大．再次實驗數(shù)據(jù)依然差不多,這樣就帶來了實驗異常．

圖3

(3) 發(fā)動討論究原因,“誤差”來自接觸電阻:既然出現(xiàn)了異常,教師就讓他們討論尋找,開始大家還是歸結為是實驗誤差(主要是實在找不到原因),但矛盾擺在那,講不通．反復檢查線路與器材,一個學生無意中將裝色環(huán)電阻底座給碰翻了個身,發(fā)現(xiàn)固定電阻的螺絲雖然絲毫未松動,但螺母處銹濁不堪(圖3),懷疑接觸不良造成數(shù)據(jù)偏大．果斷拆下螺母,用砂紙打磨清潔,重新測量數(shù)據(jù)如下(教師過后指出第一組數(shù)據(jù)略超額定功率):

表2 數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)作出U-I圖線,并由圖線斜率求出R=26 Ω,略偏小,實驗結論正常了．

(4) 探究后的收獲: ① 實驗后學生認識到這是接觸不良,是故障而不是誤差．雖然接觸不良的原理很簡單同學也容易理解,但在實際應用中接觸不良是電路中非常常見但又很不易判斷的一種故障．本探究過程有很好的實踐意義,鍛煉了學生的電路分析能力和操作能力．② 有些學生通過這次實驗,開始有了質疑與思考的習慣．比如后來就有學生就提出,如果這是一個大阻值電阻,采用電流表內接法,測量值本來就偏大,即使有接觸不良情況,也被掩蓋了,所以碰到誤差很大時一定要考慮其它故障的可能性；③ 物理實驗要實事求是,不能都以“誤差”二字來搪塞,每一個異常背后往往都有不易發(fā)現(xiàn)的原因,只有通過嚴謹細致的排查分析,才能真正找到異常的原因,這樣才是真正的科學探究．

2.2 探究平行板電容器電容大小影響因素

圖4

如同4是教材上的探究平行板電容器電容大小影響因素的演示實驗裝置圖．我校把它改成了課前分組探究實驗(每組6人在科技活動課上開展預習性探究),以下是一組的探究過程．

(1) 板間距離隨意變化,發(fā)現(xiàn)實驗結論異常．在首先探究電容大小C與板間距離d的關系時就發(fā)生了矛盾,由于實驗前教師并沒有強調間距d的取值限制,手握活動板的同學一開始就把d取得較大,結果發(fā)現(xiàn)隨著d的增大,電勢差計的張角反而減小,再不斷拉大,張角變成幾乎恒定不動．無奈之下,只好向教師求助,老師建議他們上網查找相關的知識．

圖5

(3) 嘗試改進實驗．查找網上該實驗的改進資料,發(fā)現(xiàn)大多用亞克力或有機玻璃板做帶槽方形支架,采用平行板插入不同槽的辦法來改變間距[3],制作比較復雜,且由于實驗中由于d取值很小(不超過3 cm),抽出板時易觸碰另一板而造成短路放電．有沒有簡單易行的方法?經過討論分析,大家找來一段水電工用的PPR(無規(guī)共聚聚丙烯)6分管(內徑16 mm),水平夾持在鐵架臺上(如圖5),將要移動平板的中央絕緣桿套入PPR管中(視松緊程度可適當纏幾層透明膠帶),將另一平板也固定于另一鐵架臺上,調整鐵架臺位置,使PPR管充當限位作用,使二板在移動時的間距不超過3 cm．實驗時為防止二板觸碰短路,可在右板邊緣分散滴幾滴石蠟．如此改進以后,實驗取得了正常的效果．

(4) 探究后的收獲:實驗后學生對電容器的外形有了進一步的認識,認識到除了平行板電容器,生活中還有許許多多不同形式的電容器(兩根導線間的電容、驗電器的電容);意識到許多定性的分析也需要定量的物理規(guī)律來支撐,反映了物理探究的復雜性;對教材實驗裝置進行了改進,效果良好,學生有一種小小的成功感．

3 幾點思考

3.1 實驗異常時的建議

(1) 珍惜異常．每一次的實驗異常,都是學生探究中的真實經歷,是一次寶貴的能力鍛煉與生成機會,不要因為影響正常教學計劃、浪費時間而人為忽略,或者以誤差為由一帶而過,要珍惜“異常”帶來的教學契機,實在時間有限,可以安排適當?shù)恼n外探究來完成．

(2) 教師的順勢引導．由于學生的認知局限,當出現(xiàn)實驗異常時,以學生的知識與能力可能無法完成探究任務,這時教師就要有所引導,既不包辦,也不漫無目的地放任自究,適當指點方向,再自我完成．

(3) 倡導學生間的合作探究．小組合作形式的實驗方式有助于學生間的互動討論與取長補短,尤其在碰到異常情況時,可以充分發(fā)揮學生的個性特長,有的擅長動手制作,有的擅長資料查找與分析,合作探究大大增加了實驗成功的可能性．

3.2 開展實驗異常探究的意義

(1) 有利于培養(yǎng)質疑與創(chuàng)新精神．雖然中學里的實驗異常現(xiàn)象一般都不太復雜,其背后也不會蘊含太高深的理論,相應的實驗改進也都基于簡單方便的原則,符合中學生的認知水平．但重視實驗異常,并開展對實驗異常的探究,有利于培養(yǎng)學生的質疑習慣與批判精神,更可以為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)打下良好的基礎．

(2) 實驗異常探究是核心素養(yǎng)培養(yǎng)的有效途徑．物理學科是實驗學科,在高中階段,實驗探究又是科學探究的主要形式之一,雖然它只是物理學科核心素養(yǎng)4個方面中的一個,但實驗探究離不開物理觀念的正確運用,也離不開科學的思維與分析,離不開科學觀的培養(yǎng),所以它與另外3個素養(yǎng)的關系不是各自獨立的,而是相互交融與關聯(lián)的．實驗異常探究的過程,就是生成實驗能力,形成科學思維與科學觀的過程．從這個意義上來說,實驗異常的探究,就是核心素養(yǎng)培養(yǎng)的一個有效途徑．

3.3 品質的培養(yǎng)是無痕的

核心素養(yǎng)是由關鍵能力與優(yōu)秀品質二個方面構成的．物理是一門自然學科,相較于人文學科,在核心素養(yǎng)的培養(yǎng)中,是不是需要專門強調品質教育呢?筆者認為,大部分情況下物理學科的品質教育是有機融合在能力培養(yǎng)過程中的,無需專門大講特講．如在實驗探究中,品質教育是融合在實驗關鍵能力培養(yǎng)過程中的,不是刻意單獨進行的,它與能力的培養(yǎng)是相伴相生的,或者說,一次實驗探究過程正是一次無痕的品質培養(yǎng)過程(品質是無痕生成的)．比如實驗結論來自于真實的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象(不能造假),來自于細致嚴謹?shù)倪^程,對誤差要分析來源,出現(xiàn)異常時要尋找原因,不輕信盲從,不輕易放棄,要勇于質疑,敢于創(chuàng)新等等,這些就是正確的科學態(tài)度、科學精神、科學責任,就是我們所要培養(yǎng)的優(yōu)秀品質．因此,實驗探究中關鍵能力的生成,標志著核心素養(yǎng)的養(yǎng)成．