學習進階視域下的高中物理實驗復習

王國園

摘 要：物理實驗不僅是重要的教學方式，同時也是高中物理的重點和難點。物理學習進階是在一定的教學影響下，學生的某一知識和素養(yǎng)隨時間不斷提升的過程。本文在分析進階起點、預設進階目標、診斷進階障礙的基礎上，探究學習進階視域下的電學實驗一輪復習的教學路徑，以提高復習效率，不斷增強物理實驗意識，促進學生理解物理學科的科學本質，提升物理學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：學習進階;電學實驗;實驗能力;物理思維

一、問題緣起

物理實驗不僅是重要的教學方式和手段，同時也是高中物理的重點和難點。通過自主探究和合作實驗，可以激發(fā)學生的學習興趣，不斷增強物理實驗意識，多角度地將實驗和知識相結合，理解物理學科的科學本質，提升物理學科核心素養(yǎng)。高考也非常重視對物理實驗的考查，近年高考不僅增多了實驗試題的數(shù)量和分量，而且考查方式多樣、靈活、新穎，更側重于通過思維推導來考查學生對實驗思想和方法的理解[1]。實驗考查內容趨于多元化、生活化，不再是單純地考查某一個實驗，而是將多個實驗交叉和組合[2]。

近年來，學習進階理論逐漸應用到學科教學中[3]。將學習進階理論應用于物理教學，物理學習進階是在一定的教學影響下，學生的某一知識和素養(yǎng)隨時間不斷提升的過程。根據(jù)學習進階理論，筆者將高中物理實驗學習進行分段，分析新課教學、一輪復習、二輪復習、三輪復習中的學習情境和學習目標。新授課階段，大多問題都是簡單的物理情境，學生要能夠認識基本的電學實驗儀器，對每個具體實驗的原理也要有一定程度的理解，能夠簡單分析實驗現(xiàn)象和推理實驗結論。但大部分學生在新課教學中往往只關注單個實驗的理解，對電學實驗的基本方法和原理缺乏橫向聯(lián)系和整體的認識。一輪復習是溫故知新的過程，重在打破教材原有章節(jié)的界限，在逐步深入的過程中生成新的知識，這樣可以讓學生認識到各個實驗之間是有聯(lián)系的，激發(fā)學生思考事物內在聯(lián)系的意識。一輪復習課既要創(chuàng)設綜合的物理情境，也要創(chuàng)設簡單的現(xiàn)實情境，在情境中引導學生重組和建構實驗原理和方法，使用證據(jù)從不同角度表達結論，以此來提升學生的綜合分析能力。電學知識內容較多，綜合性較強，所以還要有二輪復習和三輪復習。二輪復習過程中不能再局限于教材實驗，需要循序漸進地引入一些學生熟悉的現(xiàn)實情境，學生運用基本實驗知識處理熟悉的實際問題，引導學生能夠對已有結論提出有依據(jù)的質疑，培養(yǎng)學生遷移與運用實驗原理和方法的能力。三輪復習課需要分析近年高考動態(tài)以進一步拓展延伸，創(chuàng)設綜合的、新穎的現(xiàn)實情境，在真實情境中將不同階段的同一核心概念循序漸進地有機整合，強化學生對實驗原理和方法的理解。

二、學習進階視域下的電學實驗一輪復習課教學分析

在高一高二的學習中，教師和學生往往關注各個基本知識點的建構和運用，知識呈現(xiàn)碎片化。一旦綜合考查電學的實驗，便出現(xiàn)五花八門的錯誤。為了突破這個局限，根據(jù)課標要求，筆者嘗試將“學習進階”理論應用于電學實驗一輪復習，尋找合適的學習進階路徑，設置適合學生認知發(fā)展規(guī)律的“腳踏點”，引領學生實現(xiàn)概念重構和知識聯(lián)結。

（一）進階起點分析

電學實驗內容較多，涉及歐姆定律、電流表和電壓表、滑動變阻器等的深刻理解，還有儀器儀表讀數(shù)問題、圖像轉換、相關變式等，所涉及的實驗方法和儀器組合的方式較多，并且各個實驗儀器的選擇和實驗原理之間的關系錯綜復雜，考查情境變化多樣，綜合性較強。并且雖然近年高考電學實驗仍然是以中學物理基本知識和實驗方法為基礎考查，但為了防止學生背題套題，都是考查“新實驗”，這就要求學生要有較高的分析能力和知識遷移能力，但高三學生知識遷移能力較弱，常常需要教師通過不斷總結和拓展來引導學生理解。

（二）進階目標預設

依據(jù)課程標準和學習進階理論，結合近年高考電學實驗的特點，把教學目標分解成多個層級，在教學中逐步進階，達到進階終點。

一級目標：識別并了解常見電路元器件及其在電路中的作用，掌握常用儀器的讀數(shù)方法，能夠選擇合適的實驗儀器和電路完成實驗，培養(yǎng)學生的實驗操作能力;

二級目標：以教材中經(jīng)典的基礎實驗為原型，理解各個實驗原理，掌握各個實驗的測量步驟和操作方法，能夠用文字、公式簡單表達實驗結果，培養(yǎng)學生分析處理數(shù)據(jù)的能力;

三級目標：能夠綜合考慮實驗原則來設計實驗方案，掌握利用圖像、公式等來表達實驗數(shù)據(jù)的方法，發(fā)展學生應用數(shù)學知識處理問題的能力。

（三）進階障礙診斷

根據(jù)以上分析，學生可能存在以下困難：1.難以選擇儀器和量程。大多數(shù)學生都知道儀器和量程的選擇要考慮安全、誤差、便捷等因素，但在實際問題中，如何運用這些原則準確選擇呢？2.如何接入電流表，內接？外接？有哪些區(qū)別？不少同學只是知道“大內偏大，小外偏小”，而不知道它的來龍去脈，在具體問題中不能正確做出選擇。3.如何正確選擇滑動變阻器，分壓還是限流如何接入？4.實驗數(shù)據(jù)的處理和誤差的分析對大多數(shù)學生來說更是不知所措。

三、教學實踐過程——以“伏安法測電阻實驗”為例

梳理歷年高考電學實驗，發(fā)現(xiàn)所占比例最大的就是應用各種方法測電阻的探究性實驗[4]。電阻雖然有很多種測量方法，但都是對伏安法的拓展。“儀器的選擇”和“電路的設計”是測電阻實驗的兩個基本問題。筆者擬從伏安法測電阻入手，把涉及的知識點和實驗方法為主線串聯(lián)起來，將類似的實驗歸納總結，先提煉各個實驗的主要思想方法和實驗原理的共性，再分析每個實驗的具體方法和特點，分別梳理個性問題，并進行適當比較。通過微專題的方式，以教材中的典型實驗作鋪墊，以思維發(fā)展為前提，設置多個中間層級，由淺入深地實現(xiàn)認知和思維的進階。

（一）進階一級：厘清概念，完善認知

這一階段主要是識記和理解的低階思維，重在復習和落實基本實驗知識和方法，厘清不同實驗電路和實驗儀器的區(qū)別，這部分知識是后續(xù)各個電學實驗的必備知識，聯(lián)系著實驗的誤差分析，是后續(xù)進階的基礎。

在教學中，首先，帶領學生重返實驗室，在實驗室經(jīng)歷各個實驗的操作過程，學習電學實驗基礎，以設計者、實驗者的身份真正參與一系列探究活動和思考活動，在不斷操作、糾錯、補漏、交流的過程中，加深理解各個實驗儀器和原理，訓練各項實驗技能，掌握基本實驗的方法和思想。學生要正確讀出電表、螺旋測微器、游標卡尺等示數(shù)，理解電壓表和電流表的由來和“同一性”。緊接著，讓學生做實驗基礎知識的思維導圖，小組討論，教師分模塊補充和總結。

電流表的內外接法一直是教學難點，即使高三學生也是屢做屢錯，是這一進階過程的重點。準確把握學生的認知起點和思維障礙，結合原型實驗，選擇典型實例，以具體問題情境為載體，擊破學習難點。

例1：現(xiàn)想測一個電阻的準確阻值（約為10Ω），器材有電壓表V（量程為3V，內阻約為1kΩ）;電流表A（量程為300mA，內阻為1Ω）。

問題1：如何接入電流表？這個問題跟我們之前遇到的有什么不同？

大多數(shù)同學會思維定式地從“大內小外”的角度，直接選擇外接法。由此反映出學生只是記住了“大內小外”的結論，而沒有理解本質。

在復習伊始，先通過具體的實驗儀器喚醒學生對電流表相關知識的記憶，然后以這一典型例題為載體來引起學生的認知沖突，再結合改裝原理說明電流表的本質，以及其分壓的原因，幫助學生真正理解和領會電流表的內外接法的原因和選擇原則，引導學生感悟誤差分析的方法，一步步擊破學習難點。

問題2：如果電流表的準確內阻已知，就要內接法接入電流表。如果電壓表和電流表的準確內阻都已知，那如何接入電流表？測量結果偏大還是偏小？

在學生理解了電流表本質的基礎上，教師進一步提出問題2，引發(fā)學生深度思考，深化學生對電流表和電壓表的認識，培養(yǎng)學生的知識遷移能力。

（二）尋階而上：分析現(xiàn)象，串聯(lián)知識

在掌握和整合各個實驗器材原理和方法的基礎上，對比教材四種實驗方案，學生要能夠準確選擇器材和量程，正確連接電路圖和實物圖，這需要學生的分析和推理能力。

問題1：測電阻的課本實驗方案有哪些？每個電路的優(yōu)缺點有哪些？適用于哪些情況？

從學生的“已知區(qū)”出發(fā)，挖掘教材實驗，通過提示實驗原理和給定較符合的實驗器材來簡單化，讓學生在熟悉的器材環(huán)境中進行實驗。先引入例2較簡單的物理情境，學生自主選擇器材，設計電路圖，分小組在實驗室完成操作。

例2：現(xiàn)要測定電阻Rx的阻值（約為100Ω），有滑動變阻器R（最大阻值為10Ω），電流表（A1量程300mA，內阻約為5Ω;A2量程50mA，內阻約為1Ω），電壓表（量程3V，內阻約為3kΩ;量程15V，內阻約為5kΩ），電源（電動勢10V）

問題2：如何選擇電表和量程？如何設計電路圖？該實驗有沒有系統(tǒng)誤差？偏大？偏小？如何分析？

在具體操作過程中，教師還要幫助學生排查電路故障、規(guī)范實驗操作、進行錯誤糾正等。在實驗的最后，帶領學生通過公式和圖表簡單分析實驗數(shù)據(jù)和誤差，喚醒學生誤差分析的意識。

新課標要求學生不僅能夠給現(xiàn)有情境制訂出合適的實驗方案，而且自己要從不同角度提出可探究的問題，并根據(jù)實驗室現(xiàn)有器材設計和調整實驗方案，完成實驗過程，并獲取、分析數(shù)據(jù)和誤差。在例2的基礎上，改造實驗情境，換器材，減器材，讓學生根據(jù)實際條件調整方案，重新設計電路。實現(xiàn)學生的“已知區(qū)”到“認知發(fā)展區(qū)”的進階。

變式1：在例2的基礎上，減掉兩個電壓表，增加電流表（A2量程250mA，內阻為5Ω）

問題3：改變例2的實驗器材，只有兩個電流表，缺少電壓表，如何選擇儀器和量程？如何設計電路？

問題4：金屬絲的電阻為？該實驗有沒有系統(tǒng)誤差呢？如何分析？該實驗方案存在哪些缺陷？你將如何改進？

問題5：繼續(xù)改變器材，拿掉電流表，只有兩個電壓表，試著按照變式1的思路設計實驗方案。

以例2為鋪墊，通過加、減、換器材的方式來拓展和改造實驗情境，根據(jù)已知條件和內在邏輯設置問題鏈，引導學生根據(jù)實際條件一步步分析，尋找更精確的實驗方案和測量方法。

讀出電表示數(shù)之后，還需根據(jù)電路和電表的具體內阻來計算金屬絲的電流和電壓，進而求出金屬絲的阻值，并分析可能的系統(tǒng)誤差和偶然誤差，這是一個難點。分析和結束數(shù)據(jù)需要很強的處理信息能力與邏輯推理能力，思維跨度較大，這一過程不可能一蹴而就，需要教師的一步步引導。該層級主要是強化學生實驗誤差分析和實驗方案評價的意識，這些能力的進一步提高還要在之后的進階過程中“小碎步”推進。

（三）逐級深化：深化拓展，融會貫通

除了教材中原有的學生實驗外，高考還會以演示實驗、拓展學習和“科學漫步”等為背景，結合時事熱點，設計綜合、新穎的情境，來考查學生的知識遷移能力、思維推理能力和實驗探究能力。

例3：待測電壓表（量程為3V，刻度清晰，數(shù)字模糊，內阻約為5kΩ）;電流表（量程為1mA）;變阻箱R0（0～9999.9Ω）;滑動變阻器（R1最大阻值為20Ω，額定電流為1A;R2最大阻值為500Ω，額定電流為0.5mA）;電源（電動勢為9V，內阻約為1Ω）;開關一個，導線若干。

這是綜合設計性實驗，體現(xiàn)了實驗探究的全過程。這一問題不再是學生常見的實驗，而是綜合設計性實驗，體現(xiàn)了實驗探究的全過程。電壓表的刻度清晰，但是數(shù)字模糊，無法直接讀數(shù)，只能直接得到變阻箱接入電路的阻值和電流表的示數(shù)。如何設計電路才能由R、I得到電壓表的內阻RV，需要學生有較強的推理能力和創(chuàng)新思維。教師可以在簡單分析實驗器材的基礎上，直接給出實驗電路圖，再讓學生選擇需要的滑動變阻器，這樣既降低了思考難度，又可以促進對電路的理解。

根據(jù)多組實驗所測的數(shù)據(jù)選擇橫縱坐標繪制圖像，運用相關的物理關系寫圖像的函數(shù)關系式，分析處理實驗數(shù)據(jù)，得出正確的實驗結論，是實驗探究的重要環(huán)節(jié)，也是近年高考的熱點。這一過程體現(xiàn)著學生的數(shù)據(jù)處理能力和信息加工能力，是高階思維能力，需要逐步培養(yǎng)。教師可以先引導學生推理得出含有R、I、RV的函數(shù)關系式，再選擇合適的橫縱坐標將其轉化為圖像。

問題2：如果在例3中，電流表的刻度清晰但數(shù)字模糊不清，該如何設計電路？如何設計實驗方案？從實驗原理的角度又存在哪些誤差？

改造例3，改為測電流表的內阻，經(jīng)歷相似的探究過程，通過對比來加深學生的理解。由于有上一階段的探究為基礎，這一過程將以學生自主設計和小組討論相結合的方式得出實驗方案，使得學生的真實思維過程充分展現(xiàn)，突出了教學的開放性、研究性。最后，教師應用同屏技術展示和點評。

結束語

根據(jù)學習進階理論，結合物理思維發(fā)展的需要，抓住學生的認知起點和思維障礙，以專題和微專題的形式整體規(guī)劃電學實驗復習，設置合理的進階層級。在這些大“階”的基礎上，通過“問題鏈”鋪路搭橋，層層遞進，逐步深入，交互式地不斷推進著學生的思考和教學的發(fā)生，引領學生實現(xiàn)概念重構和知識聯(lián)結，逐步培養(yǎng)物理實驗能力。

參考文獻

[1]王麗，張軍朋.穩(wěn)中有變變中求新有跡可循：恢復高考以來高考物理全國卷實驗試題統(tǒng)計分析[J].物理教師，2020（41）：4，81-84.

[2]楊清源.試談北京高考物理實驗試題的新變化[J].物理教學，2020（42）：4，28-31，20.

[3]翟小銘，郭玉英.十年來國際物理教育研究熱點分析及啟示[J].全球教育展望，2015（44）：5，108-117，124.