在科學探究中提升學生的核心素養
——以“電阻”一節為例

趙玉杰

(北京市第一六一中學，北京 100053)

美國《國家科學教育標準》對科學探究的解釋是：“科學探究指的是科學家們用來研究自然界并根據研究所獲事實證據做出解釋的各種方式.也指學生構建知識、形成科學觀念、領悟科學方法的各種活動.”科學探究不僅作為學生由形象思維向抽象思維轉化的重要方式和概念規律形成的重要手段，還是培養學生科學思維，形成科學觀念和科學態度的有效途徑.本文以“電阻”一節為例，談如何在科學探究過程中發展學生的核心素養，培養學生適應個人終身發展和社會需要的必備品格和關鍵能力.

1 “電阻”概念的建立

在“電阻”這一節的教學中，教師通常讓學生觀察小燈泡的亮暗和電流表示數的大小，來反映電路中電流的大小，進而讓學生認識到導體對電流有阻礙作用.但學生會感到非常的困惑，正是由于導體的存在才接通了電路，導體既然容易導電，又為什么會對電流有阻礙作用呢？這種阻礙作用對學生來說非常的抽象，因此我們在教學中可采用類比的方法，引出電阻的概念，加強學生對電阻的感性認識.

圖1 管道對水流的阻礙作用

播放視頻：如圖1所示，從微觀視角分析水流是水分子定向移動形成的，通過滴管中水滴下落的快慢來反映水流的大小，調整閥門控制滴管的橫截面積.通過實驗現象，我們看到閥門松緊不同時，即管道的橫截面積不同時水流的流速不同.雖然管道能允許水流通過，但管道也對水流產生了較大的阻礙作用.

學生活動：按照圖2連接電路，首先將刻度尺接入電路中，然后將雙手接入電路中，如圖3所示，最后五個人手拉手一起接入電路中，三次實驗分別觀察二極管的明暗情況以及電流表的示數.

圖2 圖3

學生觀察到小燈泡越來越暗，電流表示數也越來越小.通過創設真實的實驗情境，學生親自參與到實驗中，讓學生體會到導體雖然能夠導電，但也會對電流產生阻礙作用，這種阻礙就是電阻.運用類比法和學生活動構建“電阻”的概念后，請學生根據下面的演示實驗猜想影響電阻的因素.

2 探究影響電阻大小的因素

2.1 探究素材的選取具有探究性

探究內容的選取應該一下子能抓住學生的注意力，調動學生的積極性，點燃學生探究的欲望.本節課選取具有啟發性和趣味性的演示實驗，使學生可以從實驗中發現并提出問題.

演示實驗：用2B鉛筆在白色紙板上畫出長度為10 cm，寬度分別為0.5 cm和2 cm的長方形,再用加了銀粉的墨水畫出長度為10 cm，寬度為0.5 cm的長方形.將電源和靈敏電流計串聯，如圖4所示連接電路，將1號長方形導體接入電路，然后改變其接入電路的長度，觀察靈敏電流計示數的變化.再將1號和2號長方形分別接入電路，并使其接入電路中的長度相等，觀察靈敏電流計示數的.最后分別將2號和3號等長度接入電路中，觀察靈敏電流計示數.

圖4 猜想影響導體電阻大小的因素

提問：請根據上述實驗猜想影響導體電阻大小的因素？

學生：導體電阻大小可能與導體的長度，橫截面積以及溫度有關.

設計意圖：由于本次探究的問題較為隱蔽，學生很難猜想到影響導體電阻大小的因素，通過物理實驗把抽象問題與真實情境相結合，讓學生的猜想有據可依，培養學生依據已有經驗或科學事實給出合理猜想的意識.并認識到猜想和假設能為其明確探究的方向，避免探究的盲目性.

實驗創新：傳統的實驗是將鉛筆芯接入電路中，但鉛筆芯在接入的過程中易折斷，而且市面上買到的鉛筆芯的長度和橫截面積規格比較單一，使實驗受到了限制.采用本節課中的方法進行演示，不受器材的限制，可以根據實際需求進行探究.

教學反思：以往的教學過程中重在教學器材的應用，拿到實驗器材首先介紹這是什么，用它能干什么，我們如何實現它的功能.在今后的教學中，我會更關注教會學生物理器材的選取，往往是以現實需求為基礎的.首先教師應該思考的是我的需求是什么，而后提出改進方案，這樣我們才能實現從“教教科書”到“用教科書”的轉變.

2.2 探究過程符合認知規律

學生在以下器材中選取自己感興趣的器材作為探究對象，設計實驗電路圖，并制定實驗方案.

實驗1組：選取的研究對象是不同規格的金屬絲，用小燈泡的明暗反映電路中電流的大小.

在實驗過程中，實驗2組中有個別小組選擇的測量工具是電流表，或是采用轉化法，用小燈泡的明暗反映電路中接入導體對電流的阻礙作用大小，即導體阻值的大小.實驗時發現小燈泡不發光，沒示數，因此需要優化測量工具，改用靈敏電流計進行實驗.

實驗2組在探究過程中還發現橡皮泥易變形，而且很難保證粗細相同，當學生遇到困難時，才注意到實驗器材中不同規格的吸管.學生可以將橡皮泥放入吸管中，保證同一個橡皮泥粗細均勻，即橫截面積相等.

圖5 食鹽水溶液模型

實驗3組遇到的困難是食鹽水溶液沒有固定的形態，它的長度及橫截面積該如何測量？教師將食鹽水溶液抽象成如圖5所示的模型，學生就很容易理解兩電極的間距等效于長度，極板浸入食鹽水的深度等效于橫截面積，食鹽水的濃度等效于材料.

設計意圖：在探究過程中除了讓學生掌握和理解知識，掌握探究方法，培養學生解決問題的能力同樣重要.學生在探究影響導體電阻大小的因素過程中，能有意識的控制變量，體會構建物理模型的必要性，學會根據實驗目的制定探究計劃，并選取適當的實驗器材進行實驗.在學習“電壓”一節時，給學生滲透了利用、和二極管可以判斷水果電池的正負極，同時也介紹了不能用判別的原因.由于有前面學習的基礎，這里給學生提供更寬松的探究環境和自主選擇實驗器材的機會.

教學反思：教師對初中階段的科學探究要有整體的思考和把握，在《義務教育物理課程標準(2011年版)》中，為了教學與評估，共列出了20個學生必做的實驗項目，其中9項是探究性實驗，因此教師要規劃好在什么階段培養孩子哪方面的能力，最終學生能通過以“自主、探究、合作”為特征的學習方式，對教學內容中的主要知識點進行自主學習.

2.3 探究結果學以致用

學生實驗：學生分別對金屬絲、食鹽水、橡皮泥、鉛筆芯等器材加熱，觀察小燈泡明暗變化.學生發現給金屬絲加熱時電流表示數變小，即金屬絲阻值隨溫度升高增大；加熱食鹽水、橡皮泥和鉛筆芯等器材時，電流表示數變大，即它們的阻值隨溫度的升高減小.

教師：教科書上所說的“通常情況下，導體的電阻隨溫度的升高而增大”，這里的導體指的是金屬導體.科學家于1911年發現一種導體在極低溫度下電阻消失，即超導體，除此之外科學家還研制出了熱敏電阻，超導體和熱敏電阻在生產生活以及軍事領域都有著廣泛的應用.

教師演示：我們在講電壓時為大家介紹了一種有趣的電池——“水果電池”，水果電池所用的電極為鋅片和銅片，用電壓測量水果電池兩端的電壓為2.8 V，把靈敏檢流計直接連在水果電池兩端，電路中沒有用電器，靈敏檢流計為什么沒有超量程？當兩電極間距減小時，觀察到靈敏檢流計示數增大；當電極插入深度增加時，觀察到靈敏檢流計示數增大.請學生根據今天所學的內容闡述原因.

教學反思：我們在進行教學設計時，應該考慮兩個問題，一是本節課學生的知識起點在哪里，二是本節課學生的認知儲備如何.這兩個問題直接影響教師設計的探究式教學的主體框架與教育內核，進而影響學生對本次探究教學內容的掌握與核心素養的提升.

2.4 探究過程保護學生的求知欲

起初本節課在學生探究環節提供的研究對象是涂機讀卡所用的鉛筆芯和0.7 mm的自動鉛筆芯，但在實驗過程中自動鉛筆芯極其容易折斷，給實驗的開展造成了困難.實驗過程中學生不斷更換鉛筆芯，迫使我去思考如何幫助學生解決這個困難，才有本節課伊始的演示實驗，小小的改變給學生帶來了驚喜.師生間思想上的碰撞擦出了火花，學生同樣也給我帶來了驚喜，以下是學生在探究過程中提出的值得深入思考的問題.

學生1：在探究食鹽水的電阻大小時發現電極周圍有氣泡.

教師：食鹽水通電后會電解，與銅片發生化學反應有新物質生成，所以開關不能長時間閉合.課后可以和化學老師一起討論這個跨學科問題，同時還可以給學生拋出問題，如何把這個裝置改造成電池.

教師：探究影響導體電阻大小的因素是定性實驗，學生在實驗過程中發現了定量的關系，鼓勵學生再探究導體電阻阻值與橫截面積的定量關系.

學生3：樓道里的燈是聲敏電阻嗎?

教師：如果是聲敏電阻，白天有人走動，樓道里的燈也會發光，但實際上樓道里的燈只有天色暗下來的時候，有人走動才會發光，燈亮要同時滿足兩個條件.可以鼓勵學生設計一個電路，模擬樓道中燈的發光情況.

教學反思：學生在探究過程中又有了新的發現和思考，教師課前應預先思考課堂上學生會出現什么“意外”，并事先做好預案.在把預案轉化為實際教學的過程中，師生之間的互動通常會生成一些新的教學資源.因此教師要及時抓住求知欲外顯的時機，并進行有效的觸發.教師在平時的教學過程中應關注如何激發學生的求知欲，并保護學生求知欲的突現，學生的求知欲正是教育效果外顯的源泉.

2.5 課堂小結

在學習過程中應注重讓學生回顧反思，可以以思維導圖的方式幫助學生系統地了解概念建立和科學探究的全過程.思維導圖以濃縮的方式表征知識的內在聯系，幫助學生形成整體意識和全局意識，便于學生理解知識之間的層次關系，可以增強學生的認知遷移.同時它也能夠體現出繪圖者的想法和觀點，正是思考過程的外部體現，我們可以借此指導學生如何思考，并最終激發學生思維，促進學生自主思考.本節課探究環節的思維導圖如圖6所示.

圖6 探究環節思維導圖

3 在核心素養的視角下對探究式教學的思考

在教學中我們經常會有“教你一招”和“錦囊妙計”等環節，這看似是在“危難之際救學生于水火之中”，實則是希望學生按照我們的設計意圖進行探究.雖然課堂進展得很順利，卻會造成探究不徹底掩蓋了學生的問題，抹滅了學生的創造力.探究的樂趣就在于面對困難時，經過團隊協作，大家一起交流討論，冷靜分析，利用有限的資源解決問題.教師給學生創設真實的探究情境，在學生實驗過程中適當地給予引導和指導，既不能“包辦”，也不能“放羊”，要允許學生犯錯誤并進行嘗試，使其在錯誤和嘗試中提升核心素養.

初三的學生經過一年的物理學習，已經具備一定的科學素養，大部分同學已經知道科學探究的七個要素，但很多學生存有的疑惑是該如何提出科學問題，教師可以給出一些方法指導學生如何提出科學問題.指導學生可以從各種情境中發現和提出問題，如生活情境、實驗情境以及體驗情景等等.還可以運用科學思維方法發現和提出問題，或者采用5W2H分析法和運用逆向思維等等.我們可以根據學生的情況，適當的將思考過程顯化，并在教學過程中及時點評，鼓勵學生積極思考的同時，提供價值指導，讓學生明確什么樣的問題更有價值.

在猜想環節也有學生會感到力不從心，教師可以創設真實的情境讓學生的猜想有據可依，本節課將導體的電阻與水管類比，有助于幫助學生做出猜想.除此之外學生觀看演示實驗后運用歸納推理法，提出合理的猜想.教師還可以給學生提供更多的猜想方法，如類比推理、歸納演繹、逆向思維等方法，都是提出和建立科學假說的重要方法.

學生間的思維更具相似性，教師創造機會讓學生展示自己解決問題的思維過程，有助于全體學生科學素養的提升.與此同時和學生建立良好的師生關系有利于提升學習物理的興趣，亦師亦友，教學相長，教師也可以不斷地從學生身上汲取營養，緊跟時代步伐，了解時代變革給學生核心素養的養成帶來的影響，幫助學生培養適應個人終身發展和社會需要的必備品格和關鍵能力.