抓住實驗“靈魂”促進學生深度學習——2018年江蘇省高考試題引發的思考

江蘇省清江中學(223001) 丁 松 鄭宏偉

1 引言

物理是一門以實驗為基礎的學科.高三二輪復習是一輪復習的綜合，要求課堂容量大、知識綜合性強、復習時間緊。如果二輪復習的實驗專題課還是要求每個學生都到實驗室去做實驗，這顯然是不現實的。那么如何抓住實驗的“靈魂”——科學探究，讓實驗專題課堂和二輪復習課堂有機結合呢？本文以2018年江蘇省高考試題為例，闡述如何在二輪復習課堂中培養學生核心素養之科學探究能力。

2 高考試題

(2018年江蘇省高考第10題)一同學測量某干電池的電動勢和內阻。

(1)如圖1所示是該同學正準備接入最后一根導線(圖中虛線所示)時的實驗電路。請指出圖中在器材操作上存在的兩個不妥之處。

圖1 實驗電路

(2)實驗測得的電阻箱阻值R和電流表示數I，以及計算的1/I數據見表1。根據表中數據，在答題卡的方格紙上作出如圖2所示的R-(1/I)關系圖像。由圖像可計算出該干電池的電動勢為________V；內阻為________Ω。

表1 實驗數據

圖關系圖像

(3)為了得到更準確測量結果，在測出上述數據后，該同學將一只量程為100 mV電壓表并聯在電流表兩端。調節電阻箱，當電流表的示數為0.33 A時，電壓表的指針位置如圖3所示，則該干電池電動勢應為____V；內阻應為____Ω。

圖3 電壓表示數

題目分析：“測量電源的電動勢和內阻”是《普通高中物理課程標準(2017年版)》要求必做的實驗之一。由于本實驗方案的多樣性、數據處理方法的典型性——一次函數圖像處理數據，江蘇高考的電學實驗經常以“測量電源的電動勢和內阻”來命題。如2010年、2015年、2018年江蘇高考實驗題的第10題，分別用伏阻法、伏安法、安阻法來考查學生對“測電源電動勢和內阻”實驗的掌握情況。本文高考題分別從方案設計、實驗器材操作與讀數、實驗數據處理、實驗誤差分析等角度，引導中學物理教師一定要讓學生走進實驗室，親自動手操作實驗器材，真正把培養學生的科學探究能力落實到課堂中來。

科學探究的層次一般分為4個等級：1級、2級、3級、4級(見表2)。

表2 科學探究的層次劃分

高三物理二輪復習期間由于時間的緊迫性，很多教師都選擇了1級或2級的實驗探究。直接告訴學生實驗的目的、方案、結論。讓學生背誦實驗相關注意點、數據處理的方法和結論答案，緊接著以題目鞏固。這樣實驗教學方法可能短期成效快，學生考試成績提升迅速，但是這種“顧眼前，輕未來；重記憶，輕探究”的教學方法對學生科學探究能力的培養是不利的。即使從應試角度來考慮，這種只注重短期效果，強調學生死記硬背的教學，在高考這種注重核心素養考查的高質量、高水平的考試中注定會以失敗告終。由于第4等級的探究要求“實驗目的”具有開放性，這是最高層次的探究，也是我們培養學生科學探究能力的理想目標——學會發現問題并設計方案去解決問題。但是在高三二輪復習的物理課堂中，要求實驗目的的開放性，教師和學生都很難完成這樣的探究，畢竟在浩瀚的生活現象中去發現有價值的問題需要深厚的學科素養。基于此筆者在高三物理復習課堂中一般選擇第3等級的探究方式——實驗目的明確，但是實驗方案和實驗結論需要學生們自己去設計。

筆者以“測量電源的電動勢和內阻”實驗為例，闡述自己在高三二輪復習期間，如何在時間緊張的課堂上抓住物理實驗“靈魂”，培養學生的科學探究能力，促進學生核心素養的提升。

3 磁吸式實驗器材“開場”，提升學生的學習熱情

實驗器材如圖4、圖5所示。利用磁吸式實驗器材引起學生的興趣，避免了復習課中常用的“黑板實驗”。如果實驗室沒有磁吸式器材，可以自己在實驗器材背面用雙面膠固定一塊片狀磁鐵即可，如圖6所示。此實驗器材優點：第一，看到實驗器材，給學生耳目一新的體驗，學生親眼目睹器材，也可以了解到器材連線時應該注意的細節；第二，放在黑板的左側部分，不會影響到本節課的板書，由于是磁吸式器材，可以自由搭配和取放，如伏安法測電源電動勢和內阻，在黑板上就只需要保留電流表、電壓表、開關、1節干電池、導線若干，其他器材可以取下，等到需要用的時候再放到黑板上；第三，電路實物連接時，操作可視化程度高，便于課堂問題的講解，實現課堂的高效。

圖4 磁吸式電學演示箱

圖5 實驗器材

圖6 自制磁吸式實驗器材

3.1 伏安法測電源電動勢和內阻

3.1.1 問題1

同學們，實驗器材中電阻箱臨時壞了，只有電流表、電壓表、滑動變阻器、開關、1節干電池、導線若干，如圖7所示。那么如何設計方案來測量出電源的電動勢和內阻呢？

圖7 伏安法實驗器材

3.1.2 問題1設計緣由解析

設計的問題要具有開放性，從而培養學生創新能力，但是又不能開放到讓學生幾分鐘內都摸不到思緒，畢竟高三二模復習課堂還要兼顧知識容量。所以在不影響培養學生科學探究能力和學科核心素養的前提下，問題1中直接指定了實驗器材，沒有讓學生自己漫無目的地去選擇實驗器材。

3.1.3 設計方案

學生展示交流問題1的設計方案(見表3)。

表3 問題1的設計方案

3.1.4 教師點評學生展示的方案

數據處理時有兩種方案。方案1的計算法，由于存在計算量大、結果繁雜、誤差相對較大等缺點，所以一般選擇方案2的圖像法。一次函數是數學中最簡單的函數，其圖像具有直觀、簡潔且解析式易獲取等優點。用一次函數圖像來處理物理實驗數據方便快捷且誤差較低。所以測量電源電動勢和內阻的實驗中，我們優先選用一次函數圖像法來處理數據。

3.2 安阻法測電源電動勢和內阻

3.2.1 問題2

同學們，剛剛的電阻箱被修好，但是電壓表、滑動變阻器又壞了。現在黑板上只有電流表、電阻箱、開關、1節干電池、導線若干，如圖8所示。那么同學們如何利用這些器材設計方案，測量電源電動勢和內阻呢？

圖8 安阻法實驗器材

3.2.2 問題2設計緣由解析

有了設計方案1的基礎，同學們需要把所學的知識內化。在沒有其他人幫忙和小組討論的情況下，要能獨立完成相關方案的設計、實驗原理方程的書寫、實驗數據的處理等必要技能。如果班級還有個別同學方案設計存在困難，這時老師可以單獨引導。

3.2.3 設計方案

學生展示交流問題2的設計方案(見表4)。

表4 問題2的設計方案

3.2.4 教師點評學生展示的方案

圖函數圖像

3.3 伏阻法測電源電動勢和內阻

3.3.1 問題3

剛剛壞掉的電壓表修好了，但是電流表被用壞了。那么同學們如何利用如圖10所示黑板上的實驗器材，設計方案來測量電源的電動勢和內阻呢？

圖10 伏阻法實驗器材

3.3.2 問題3設計緣由解析

讓學生理解探究一個問題，方案的設計具有多樣性，同學們要以開放的、創新的思維來看待我們生活的問題，進一步強調數學中的一次函數圖像在處理實驗數據時的重要性。

3.3.3 設計方案

學生展示交流問題3的設計方案(見表5)。

表5 問題3的設計方案

3.3.4 教師點評學生展示的方案

同學們腦海中已經初步形成實驗探究的基本框架。在問題出現后，學會獨立思考設計方案，收集數據并靈活地應用數學知識來處理數據。在用一次函數圖像處理數據時，不論是解析式還是圖像都處理得非常棒。相信同學們在以后的實驗探究中一定可以靈活地掌握這種用數學知識解決物理問題的方法。

4 總結與反思

2010年、2015年、2018年江蘇高考實驗題的第10題分別用伏安法、安阻法、伏阻法測電源電動勢和內阻。主要考查：①實驗操作的細節，教學中應盡可能讓學生接觸實驗器材；②應用數學方法來解決物理問題，即會靈活應用一次函數圖像法來處理實驗數據；③誤差分析，在課堂上注重培養學生嚴謹的科學態度。

教師在課堂安排上難易度的控制要恰當。如果學生基礎一般，在數據處理環節，可提示學生以什么物理量為橫坐標，哪一個物理量為縱坐標。這樣學生把原理方程強行寫成一次函數解析式時就有了目標。

因為是二輪復習，所以學案上的3個高考題，可以提前讓學生完成前兩題。讓學生了解測量電源電動勢和內阻的相關注意事項，這樣聽課更有目的性。這節課的主要目的是讓學生更加深入地理解科學探究的一般步驟以及應用一次函數圖像法來處理實驗數據，而不是讓學生做題。