淺談科學探究能力的測量與培養*

馬云夢 徐金保

(北京市廣渠門中學 北京 100062)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》指出：“科學探究”是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并做出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力.“科學探究”主要包括“問題”“證據”“解釋”“交流”4個要素[1].

對于“科學探究”《課程標準》明確指出：通過高中物理課程的學習，學生具有科學探究意識，能在觀察和實驗中發現問題、提出合理的猜想與假設，具有設計探究方案和獲取證據方案，使用不同方法和手段分析、處理信息，描述并解釋探究結果和變化趨勢；具有交流的意愿與能力，能準確表述、評估和反思探究過程與證據的能力，能正確實施探究過程與結果.由此可見，科學探究是物理學科核心素養之一，是學生通過學科學習而逐步形成的關鍵能力.

1 問題的提出 如何測量“科學探究”能力

1.1 一道測量“科學探究”素養的高考題

2019年高考北京理綜物理試題第23題，以課本“做一做：用傳感器觀察電容器的充電和放電”為背景，側重考查了學生的“科學探究”能力.

【例題】(2019年高考北京理綜卷第23題)電容器作為儲能器件，在生產生活中有廣泛的應用.對給定電容值為C的電容器充電，無論采用何種充電方式，其兩極間的電勢差u隨電荷量q的變化圖像都相同.

(1)請在圖1中畫出上述u-q圖像.類比直線運動中由v-t圖像求位移的方法，求兩極間電壓為U時電容器所儲存的電能Ep.

圖1 u-q坐標軸

(2)在如圖2所示的充電電路中，R表示電阻，E表示電源(忽略內阻).通過改變電路中元件的參數對同一電容器進行兩次充電，對應的q-t曲線如圖3中①、②所示.

圖2 充電電路

圖3 q-t曲線

a．①、②兩條曲線不同是______(選填E或R)的改變造成的；

b．電容器有時需要快速充電，有時需要均勻充電.依據a中的結論，說明實現這兩種充電方式的途徑.

(3)設想使用理想的“恒流源”替換(2)中的電源對電容器充電，可實現電容器電荷量隨時間均勻增加的目的.請思考使用“恒流源”和(2)中電源對電容器的充電過程，填寫表1(選填“增大”“減小”或“不變”).

表1 對比實驗現象

1.2 從“四要素”出發觀察“科學探究”能力的測量

科學探究主要有4個要素組成，即“問題”“證據”“解釋”“交流”.

文獻[2]采用構成要素頻次統計的方法，對美國、加拿大等國家的科學課程文件中科學探究能力進行分析，歸納出科學探究能力的構成體系.表2是筆者對科學探究能力構成體系重組.

表2 科學探究能力的構成體系

2 從四要素角度觀察對“科學探究”核心素養的測量

下面從“問題”“證據”“解釋”“交流”科學探究四要素的角度對2019年高考北京理綜卷第23題進行分析，分析結果如表3所示.

表3 科學探究四要素角度的試題分析

2.1 有價值的“科學探究”的問題是基于真實的觀察和實驗

本題完全源自課本，課本這樣描述：“先使開關S與1端相連，電源向電容器充電，這個過程可在瞬間完成.然后把開關S擲向2端，電容器通過電阻R放電，傳感器將電流信息傳入計算機，屏幕上顯示出電流隨時間變化的i-t曲線. ” 善于觀察的學生，很快發現問題：充電“瞬間完成”，放電時間大于6 s，同一個電容器的充電、放電過程時間為什么有這么大的差別？有沒有什么因素影響充電時間？其實還有一個問題，如何觀察充、放電過程？q-t變化過程不能直接觀察，需要轉化.電容器所帶電荷量的變化情況可以用電容器兩端電壓的變化表示.課本采用i-t來表示電容器充電過程是一個很值得去探究的問題.基于真實的電容器充、放電實驗，還可以生成一些物理意義明確的、中學生可以回答的、有探究意義的問題.筆者對課本實驗做了進一步實驗探究補充.

表4 實驗參數

提出的主要問題有：(1)電容器的充電過程如何觀察？(2)電容器的充電時間跟哪些因素有關？

2.2 堅持以學生為主體的“證據”形成過程

RC電路中，電容器上的電壓不會瞬間躍變，當供電電壓從零躍變到E，或由E躍變到零時，電容器兩端電壓、電路中電流開始發生變化到逐漸趨于穩定，可以視為暫態過程.暫態過程延續一定時間，變化不快，可以看成是準恒的，因此歐姆定律可以繼續適用.

學生對于部分電路歐姆定律已經很熟悉，對于含有電容器的電路比較陌生.學生對于充電過程通過電阻的電流變化情況，可以提出合理的猜想和假設.把探究方案交給學生去思考、去設計.而不是簡單演示給學生看，把學生當成觀眾，甚至把學生的注意力引導到傳感器的“酷炫”上，或者單純從傳統應試角度出發，把主要精力放在i-t圖像處理上.

對于(2)a問，基于歐姆定律，考查學生能否恰當收集相關信息，對“問題”進行假設、分析，再進一步尋找“證據”.

2.3 科學探究的解釋要基于“證據” 要體現物理主干規律和方法的應用

試題(2)b問“依據a中的結論，說明實現這兩種充電方式的途徑”，考查基于證據的相關問題解釋.

由歐姆定律可知

該式是電荷量q一階常系數微分方程，結合初始條件，得到充電時

若Ut=0.63E,此時充電時間t=RC；若Ut=0.95E

此時充電時間t=3RC；若Ut=0.99E，此時充電時間t=5RC.令τ=RC,若R=1 kΩ,C=1 μF,則τ=1 ms，在電容器不太大的情況下，教材中描述“充電過程瞬間就完成”是可以的.取Δt→0,則

可見在電源電動勢E一定(即電容器充電結束后電荷量一定)的情況下，電阻R越大，充電電流i越小，充電時間t越長.

圖4是不同電阻的充電實驗數據.電容器儲存的電荷量q=uC,實驗中用u-t圖像替代q-t圖像.

圖4 不同電阻對應的u-t圖像

2.4 科學探究的“交流”要以新生成信息輸出為特征

考慮到干電池的標準電壓與其工作電壓之間存在較大差異，電池本身的性能與其內阻也會對實驗結果造成一定影響，故本次實驗分別采用了KORAD KD 3003D信號發生器作為恒壓源，它可以更準確地控制該電路的工作電壓.恒壓輸出3 V或6 V，R=2 000 Ω，R=1 000 Ω，R=333 Ω，C=3×10-3F的電容器充電過程中電容兩端電壓隨時間的變化規律如圖5所示.

圖5 信號發生器代替干電池后的u-t圖像

以信號發生器3 V-100 s采樣數據為例，計算過程Logger pro計算數據如圖6所示.

圖6 Logger pro計算數據

其余得到不同條件下，電流變化的離散程度的方法與上述方法相同.具體數據如表5所示.

表5 不同條件下，電流變化的離散程度σ

根據數據結果，在電源電動勢E不變的情況下，可以比對出隨著電阻的增大，電路中電流減小，且電流的離散程度較低，即更趨于“均勻充電”的恒流模式.因此可以驗證(2)b問：隨著電阻的增大，電路中電流越小，更趨于“均勻充電”的恒流模式，選擇圖線②；若想實現快速充電，則可以采取減小電阻的方式以增大電流，故選擇圖線①.

3 教學建議

從“四要素”角度分析北京理綜卷第23題，科學探究教學也應該從“四要素角度”思考：有價值的“科學探究”的問題是基于真實的觀察和實驗；要堅持以學生為主體的“證據”形成過程；科學探究的解釋要基于“證據”,要體現物理主干規律、方法的應用；科學探究的“交流”要以新生成信息輸出為特征.