物理探究式課堂教學(xué)中如何提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

黃包羅

【摘 要】高中生應(yīng)具有一定的科學(xué)素養(yǎng)，能運用實驗數(shù)據(jù)對研究的問題進行描述、解釋和預(yù)測;應(yīng)具有批判性思維的意識，能基于數(shù)據(jù)大膽質(zhì)疑，從不同角度思考問題。這就要求教師在探究式課堂教學(xué)中提高學(xué)生分析物理問題的能力，幫助學(xué)生學(xué)會主動學(xué)習(xí)，并形成追根究底的科學(xué)素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】科學(xué)素養(yǎng);高中物理;探究式課堂教學(xué)

物理實驗探究式課堂教學(xué)的本質(zhì)在于做實驗，并運用實驗數(shù)據(jù)發(fā)展和修正物理規(guī)律或結(jié)論。教師要重視培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)觀念，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。本文以實驗測電源電動勢及其內(nèi)阻為例，概述培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)意識的教學(xué)過程，詳細(xì)講解各過程中應(yīng)如何引導(dǎo)學(xué)生做出科學(xué)的猜想、開展實驗驗證和分析論證，從而培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)意識。

一、分析探究任務(wù)，確定學(xué)習(xí)目標(biāo)

實驗測電源電動勢及其內(nèi)阻是高中物理選修3-1的第二章第10節(jié)內(nèi)容。學(xué)生已經(jīng)知道電動勢和內(nèi)阻是反映電源性能的兩個重要參數(shù)，掌握了閉合電路歐姆定律，并且已有了從電路的內(nèi)、外電阻來分析電路的意識。本節(jié)課的探究任務(wù)是讓學(xué)生通過觀察電壓表反偏的現(xiàn)象，猜想引起電壓表反偏的原因，從而引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗測量電源電動勢及其內(nèi)阻，最終利用所得結(jié)論（數(shù)據(jù)）證明自己的猜想。由此，本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)如下。

（1）通過發(fā)現(xiàn)問題，引發(fā)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、用“數(shù)據(jù)”解決問題的能力。

（2）掌握利用儀器測量電源電動勢和內(nèi)阻的方法，并通過實際操作中的不斷解決問題，開闊思路，激發(fā)興趣，培養(yǎng)學(xué)生物理探究的“數(shù)據(jù)”意識。

（3）培養(yǎng)仔細(xì)觀察，真實記錄實驗數(shù)據(jù)的良好實驗習(xí)慣和實事求是、嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)品質(zhì)。

二、教學(xué)過程

（一）不可思議的反偏

教師介紹自制教學(xué)演示板（三節(jié)干電池與滑動變阻器串聯(lián)，電路圖見圖1），提醒學(xué)生觀察伏特表示數(shù)。

師：現(xiàn)在開關(guān)斷開狀態(tài)，伏特表V1、V2示數(shù)各為多少？

生：V1示數(shù)1.42V，V2示數(shù)153V，都接近1.5V。

師：開關(guān)閉合，伏特表V1、V2示數(shù)有何變化？

生：V1示數(shù)反偏了，V2示數(shù)稍微變小。

師：這個電路連接接觸良好，你覺得是什么導(dǎo)致伏特表V1示數(shù)不合常理的反偏？

（討論）

生：猜測與第一節(jié)電池有關(guān)。

師：到底是不是電池引起了電壓表的反偏呢？科學(xué)探究是實事求是的，容不得半點虛假，我們要用“數(shù)據(jù)”來說話。電源有電動勢也有內(nèi)阻，這是反映電源性能的兩個重要參數(shù)。今天這節(jié)課，咱們就用實驗來找“數(shù)據(jù)”，一起來設(shè)計實驗測量電源電動勢及其內(nèi)阻。

（二）搭建鏈接，追源（原理）溯本（設(shè)計實驗方案）

師：在我們所學(xué)知識中，哪個原理可以幫助我們求解電源電動勢和內(nèi)阻？

生：閉合電路的歐姆定律：E=U+Ir。

（在教師引導(dǎo)下進一步明確：U指路端電壓，I為通過電源的電流。）

師：為了測量電源的電動勢和內(nèi)阻，需要測量哪些物理量？分別用什么儀器？

生：電壓、電流;電壓表、電流表。

【方案一】

師：現(xiàn)有電壓表、電流表、滑動變阻器、開關(guān)各一只，導(dǎo)線若干，請你設(shè)計測量電源電動勢和內(nèi)阻的實驗電路圖。

（學(xué)生展示電路圖）

師：寫出電動勢E和內(nèi)阻r的關(guān)系式。

生：E=U+Ir。

師：為了測出電動勢E和內(nèi)阻r，至少要測量幾組數(shù)據(jù)？可以通過什么辦法實現(xiàn)？

生：兩組;移動滑動變阻器得到兩組I、U值。

【方案二】

師：若定值電阻的阻值為R，兩端電壓為U，則通過電阻的電流為多大？電壓表和定值電阻并聯(lián)，整體相當(dāng)于一只什么表？

生：I=U/R，整體相當(dāng)于一只電流表。

師：現(xiàn)有電壓表、電阻箱、開關(guān)各一只，導(dǎo)線若干，請你設(shè)計測量電源電動勢和內(nèi)阻的實驗電路圖。

（學(xué)生展示電路圖）

師：寫出這種電路圖對應(yīng)的電動勢E和內(nèi)阻r的關(guān)系式。這種設(shè)計如何測量電源電動勢和內(nèi)阻？

生： E=U+Ir=U+Ur/R ;改變電阻箱阻值，得到兩組不同的U、R值。

【方案三】

師：將一只阻值為R的定值電阻與電流表串聯(lián)，測得通過電阻的電流為I，則電阻兩端的電壓為多少？定值電阻與電流表串聯(lián)相當(dāng)于一只什么表？

生：U=IR;相當(dāng)于一只電流表。

師：現(xiàn)有電流表、電阻箱、開關(guān)各一只，導(dǎo)線若干，請你設(shè)計測量電源電動勢和內(nèi)阻的實驗電路圖。

（學(xué)生展示電路圖）

師：寫出這種電路圖對應(yīng)的電動勢E和內(nèi)阻r的關(guān)系式。這種設(shè)計如何測量電源電動勢和內(nèi)阻？

生： E=U+Ir=I（R+r）;改變電阻箱阻值，得到兩組不同的I，R值。

師生共同總結(jié)：這三種測量方案原理都是E=U+Ir，即測出電源兩端電壓（路端電壓）及通過電源的電流。

（三）究根問底，科學(xué)探究問題圖2

師：由于新電池電阻較小，為了得到較為明顯的電流、電壓變化數(shù)據(jù)，本次實驗選擇如圖2所示電路圖實驗。定值電阻R=5Ω，滑動變阻器最大阻值為20Ω，電源為兩節(jié)干電池。要測這兩節(jié)干電池的電動勢及內(nèi)阻，請小組討論實驗步驟，填入學(xué)案。

學(xué)生討論并歸納步驟。

（1）電流表用0.6 A量程，電壓表用3 V量程按圖連接好電路。

（2）把滑動變阻器滑片移到使電阻最大的一端。

（3）閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)變阻器，使電流表有明顯的示數(shù)，記錄一組數(shù)據(jù)（I，U），填入表格，用同樣的方法測量幾組I，U值，填入表格。

（4）斷開開關(guān)，整理好器材，處理數(shù)據(jù)。

師：實驗時我們要注意以下幾點。

（1）連接電路時，開關(guān)應(yīng)處于斷開狀態(tài)、實驗開始前滑動變阻器滑片應(yīng)移到阻值最大的位置（安全性原則）。

（2）為了減小偶然誤差，最好采用圖像法來測量電源電動勢和內(nèi)阻。

（3）描點作圖時，要盡可能多的點通過直線，其余各點均勻分布于直線兩側(cè)。個別偏離較大的點，說明這個數(shù)據(jù)是錯誤的，要舍棄。

（4）數(shù)據(jù)處理，尋找“反偏”原因。

（學(xué)生小組實驗，如實記錄實驗數(shù)據(jù)。教師實驗最快的一組數(shù)據(jù)填入Excel表格，并擬合直線，作出U-I圖線）

師：由擬合的直線函數(shù)關(guān)系，我們求出的這兩節(jié)電池的電動勢有多大？

生：大約3.05V（截距）。

師：這兩節(jié)電池的內(nèi)阻是不是6.55Ω？

生：不是，因為電源與R=5Ω定值電阻串聯(lián)，所以，本圖像中的斜率表示兩節(jié)電池與5Ω定值電阻的阻值之和，即這兩節(jié)電池的內(nèi)阻大約為1.55Ω。

師：現(xiàn)在大家實驗的電池是新電池，上課時的教學(xué)演示板上的電池其實是一節(jié)舊電池和兩節(jié)新電池，我們用電流和電壓傳感器來測量這三節(jié)電池的電動勢和內(nèi)阻。

（教師連接電路，學(xué)生配合移動滑動變阻器，教師采集數(shù)據(jù)。）

師：處理電壓和電流傳感器采集的數(shù)據(jù)，擬合直線圖，由圖像你能得到什么？

生：我們發(fā)現(xiàn)這三節(jié)電池的電動勢為4.33V，內(nèi)阻約為24.98Ω。

師：估算下這節(jié)舊電池的內(nèi)阻大約為多少？電動勢大約多少？

生：內(nèi)阻r=24.98Ω-1.55Ω=23.43Ω，電動勢E=4.33V-3.05V=1.28V。

師：由于這節(jié)舊電池內(nèi)阻很大，當(dāng)我們把演示板上的電路閉合時，舊電池內(nèi)阻上分得的內(nèi)電壓為多少？（假設(shè)滑動變阻器以最大阻值20Ω接入）你能解釋為什么會發(fā)生反偏嗎？

生：U內(nèi)=Ir=E總R總=（4.3324.98+20）×23.43≈2.26V。

由于舊電池內(nèi)阻上分得的內(nèi)電壓已經(jīng)大于了這節(jié)舊電池電動勢本身l.28V，所以電壓表示數(shù)發(fā)生了反偏。

師：通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，你覺得能把舊電池與新電池混用嗎？為什么？

生：不能，因為舊電池內(nèi)阻變大了，比新電池大得多;舊電池的電動勢也比新電池略小。

師：這節(jié)課，同學(xué)們帶著電壓表為什么反偏的疑問，進行了大膽的猜想，并且科學(xué)地設(shè)計實驗，最終用獲得的實驗數(shù)據(jù)，證明了自己的猜想。以事實為依據(jù)，以理論為基礎(chǔ)，“基于數(shù)據(jù)的科學(xué)探究”才是正確的科學(xué)探究的過程。

本節(jié)課用真實的實驗數(shù)據(jù)作為證據(jù)，解釋了伏特表反偏的原因，最終“解決了問題”，充分發(fā)揮了物理實驗教學(xué)在培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)方面的作用與價值。但由于時間關(guān)系，未能進一步理論分析舊電池內(nèi)阻滿足什么條件時，電壓表能發(fā)生反偏，何時不會發(fā)生反偏。

參考文獻：

[1]潘生國.淺談高中物理實驗教學(xué)[J].理科考試研究（高中版），2015（12）.