高中物理分組合作實驗教學的課例實踐探索

摘 要：高中物理新課程標準積極提倡分組合作實驗教學。創設分組合作實驗教學，能增進小組成員之間的情感和了解，提升各組學生的合作探索實驗能力。本文通過選取魯科版高中物理必修3“電池電動勢和內阻的測量”一節實驗課，分析、把握教材和學生學情，探討如何在物理教學中有效實施分組合作實驗活動，讓每個學生真正體驗上豐富有趣的實驗新課堂。

關鍵詞：高中物理；實驗教學；分組合作實驗；課例實踐

在高中物理實驗教學中，教師應積極貼近學生的“最近發展區”，重視科學組建學生小組，通過合理配置組員、引導合作實驗、施以恰當的輔導和檢測、布置實驗作業、實施實驗評價等合作實驗教學過程，充分激發學生探索學習物理科學的興趣，促使各小組學生都能學有所得，圓滿完成實驗探究任務，在盡情合作實驗中獲得自由全面的發展。

一、物理分組合作實驗教學概述

物理分組合作實驗教學是教師根據高中物理新課程標準的要求，結合各層次學生的實際學情，將優秀生、中等生、后進生等層次的學生進行優化組合，創建成合作實驗小組，并通過設置具有差異化的實驗操作要求，引領各小組學生齊心協力開展合作實驗探究實踐的過程。在物理分組合作實驗中，注重以各小組學生動手操作為主，并在教師的有效指導下完成小組實驗活動目標。但在實際的實驗教學中，高中生開展物理分組合作實驗往往存在著“淺合作”“假合作”等問題。因此，教師結合具體課例，探索研究分組合作實驗教學、培養學生物理綜合能力和素養具有鮮明的現實意義[1]。

二、高中物理分組合作實驗教學的課例實踐

下文結合魯科版高中物理必修3“電池電動勢和內阻的測量”一節實驗教學，從分析教材要求、設置實驗目標、設計實驗進程、選定實驗方案、合作開展實操、做好課堂總結等方面，開展課例實踐探討。

（一）分析教材要求，把握學情特點

在必修3“電池電動勢和內阻的測量”實驗教學中提出，要求學生通過探究電源兩端的電壓和電流的關系，學會測量電源的電動勢和內阻。本節實驗在思路設計、物理量的測量、數據分析、參考案例、訓練和應用等活動環節設置中都密切關注學生已有的學科基礎，重視通過實驗探究加強電學問題的探索研究和閉合電路歐姆定律的應用，契合高中生的認知規律，能有效達成科學探究和科學思維等核心素養的培育。

學生經過以往的電學學習，他們已形成一定的電源知識和生活經驗，了解了干電池兩極間的電壓是1.5v，初步掌握了電源工作原理；能利用歐姆定律來列式求解路端電壓與負載的關系，以及U-I圖像，具備了從事“電源電動勢和內阻的測量”的實驗條件。學生已初步形成了發現、探究、解決物理問題的能力，但他們平時對電學實驗訓練較少，分析電路問題和處理實驗數據等能力亟須進一步

提升。

（二）優設實驗目標，明確實驗重難點

針對“電源電動勢和內阻的測量”實驗要求，著重培養學生的能量觀念、科學思維能力、科學探究能力、科學態度與責任等素養，教師可以從以下方面進行實驗目標設計。

1.使學生發展形成完整的能量觀念：（1）引導學生通過實驗過程，進行電路的選擇推理，了解電動勢和內阻存在的意義；（2）能根據能量守恒，知道非靜電力做功等于電流做的功，增進理解歐姆定律的內容，發展起完整的能量觀念；（3）學會運用所學的物理術語撰寫實驗報告，能運用公式法和圖像法求出電源電動勢和內阻。

2.促進學生的科學思維能力發展：（1）引導學生經歷“提出問題—猜想與假設—制訂實驗計劃—實施實驗與收集證據—得出結論”的過程，深入感受科學探究的方法；（2）學會針對不同觀點和結論提出自己的疑問和批判，并進行實驗驗證；（3）通過參與實際操作，學會使用簡單、直接的證據來表達自己的觀點，具有積極創新設計實驗方案的良好意識。

3.促進學生的科學探究能力發展：（1）能在教師的指導下合作制訂實驗方案，精選實驗器材，實施實驗探究，獲取實驗數據；（2）學會運用圖像處理實驗數據，可以利用圖像獲得結論；（3）學會剖析實驗中存在的誤差，提出減小誤差的有效方

法；（4）學會根據實驗證據、歸納總結和邏輯推理，發表自己的獨立意見和見解。

4.促進學生培養形成對科學本質的認識，以及嚴謹求實的科學態度與責任：引導學生經過實驗探究，培育起嚴謹細致、尊重科學事實、樂于合作、共享學習成果的科學態度。

本節實驗課教學的重難點主要體現在：（1）重

點，測量方案和實驗數據處理。因為測量方案的不同會造成誤差的不同，也會影響到電路的連接和實驗器材的選擇。這些都是高考電學實驗的熱點，利用圖像法處理實驗數據是常見的實驗方法，也是高考的高頻考點。（2）難點，圖像法應用和誤差分析。學生結合所獲取的實驗數據得出結論之后，要進行判斷圖像的斜率和截距等意義，進一步理解實驗思路，學會列式和變形，借助對比數學方程得出結論；同時，學生需要具備一定的分析推理能力，來分析電流表的內外接法造成的誤差。學生在這兩方面往往存在較大的困難。

（三）設計實驗進程，分組合作探究

1.設計演示情境，引入合作實驗主題

教師先設計“用一節用過的干電池和一個西紅柿電池分別與相同的小燈泡串聯，并用電壓表來測兩個電路的路端電壓”演示活動，指引學生觀察演示實驗現象，順利引出了本節課的合作實驗主題，促使學生融入問題解決中，探索電學規律與生活的密切關系，促進學生學會從演示實驗情境中提取信息，加深對電源“供電”原理的理解，有效增強了能量觀念。

2.創設問題情境，分組合作設計實驗方案

（1）小組一方案：應用電壓表、歐姆表直接測電源電動勢E和內阻r。

教師先展示常見的電學實驗器材，呈現問題：如果需要測出一個電池的電動勢和內阻，你要選擇哪些測量儀器？采用什么方法？于是，各組學生紛紛發表自己的觀點和見解。第一小組提出可以選用電壓表直接測量電源電動勢，選用歐姆表直接測量內阻。接著，教師啟發各組學生對該小組方案進行討論、分析，發現有部分學生不善于聯系已學知識，對伏安法測電阻、閉合電路歐姆定律等概念不甚理解。為此，教師適時加以點撥，引導學生進一步對電動勢和路端電壓等概念加深理解，應用電壓表測量出的是路端電壓，而歐姆表只能測無源電阻，所以方案一顯然是不可行的。

（2）小組二方案：應用電壓表、電流表測電源電動勢E和內阻r。

教師先展示議題：如何利用一個電源和一個電阻串聯，將電池接入電路，通過已學知識間接測量，構建一個最簡單的電路，并提出兩個問題：①電

路中的哪些電學物理量能直接測量？②如何減小測量中的偶然誤差呢？

第二小組學生一起討論、解決問題，對于問題①，學生回答電路中的路端電壓、干路電流可以直接測量。對于問題②，學生開展了合作討論，提出用圖像法（誤差大的點可以舍去）來減小偶然誤差；當遇到無法測量多組數據時，可以在實驗電路中接入電壓表和電流表，進行改進實驗，接著根據測出的U、I值，作出U-I圖像，并將定值電阻換成滑動變阻器，最后討論、確定改進后的實驗電路圖。

在此，通過引導小組參與合作改進實驗環節，學生主動對實驗方案提出富有創造性的見解，極大促進了他們的物理觀念的形成和科學推理素質的發展，培養了他們的批判性思維和科學探究能力[2]。

（3）小組三方案：應用電壓表、電阻箱測電動勢E和內電阻r。

教師提出問題：①若所給的器材中只有電壓表，沒有電流表，無法直接測出電流怎么辦？②滑動變阻器的阻值無法被讀出如何解決？

第三小組學生進行討論解決方案，將電池與滑動變阻器接入電路，由歐姆定律I=U/R，

U=-rI+E得1/U=r/E·1/R+1/E，測得兩組數據即可計算出E、r，或是作1/U-1/R圖像，斜率即是r/E，縱截距即是1/E。小組學生繼續思考，得出將滑動變阻器換成電阻箱的方案。

（4）小組四方案：應用電流表、電阻箱測電動勢E和內電阻r。

教師提出問題：①若所給的器材中只有電流表，沒有電壓表，無法直接測出電壓怎么辦？②滑動變阻器的阻值無法被讀出怎么解決？

第四小組學生經過合作討論，得出將滑動變阻器換成電阻箱的方案。利用方案的對比分析，有效激發了學生的創新意識，實現了運用知識深入發現、分析和解決問題等能力的遷移和發展。

（5）各小組交流評價實驗方案

教師引導各小組學生結合如下問題進行討論交流：①小組二、三、四這三種方案的數據哪個最豐富？②三種方案的數據處理方法哪個最簡便？

③應用圖像法處理數據哪個精確度最高？借助問題，各小組針對這三種實驗方案進行相互評價，指出其中的特點和優勢，分享探究成果。其中，第二組方案測出路端電壓U和電路電流i，所應用的是滑動變阻器，阻值能連續變化，獲取的數據更為豐富，更便于借助作圖來處理數據，因此，在本課中選擇該方案來測量，課后再分析第三組方案和第四組方案。

通過引導各小組進行交流評價實驗方案，使學生明確把握了實驗任務，為實驗思考和探究指明了方向；尤其是各小組加強討論、交流、評價、分享實驗方案，促使學生在合作探索實驗問題的過程中盡情體味協作實驗操作的無限樂趣，掌握更多更便捷的數據處理方法，鞏固學過的物理概念和規律。

（四）選定實驗方案，合作分析誤差

師生最終選定以第二組實驗方案來測量電路。首先，明確實驗任務。本節進行測量舊干電池的電動勢和內阻，干電池的規格是電動勢約為1.5V，內電阻為幾歐。

其次，利用問題引領，激發學生的科學思維。教師提出問題：（1）電流表（0/0.6A/3A）、電壓表（0/3V/15V）、滑動變阻器（10Ω/50Ω/100Ω），請問需選什么規格的？（2）本實驗活動的研究對象是什么？第二組方案的甲乙兩個電路圖中電表的讀數是否存在誤差？如果有，是什么原因造成的？（3）假設電表是理想電表，電壓表的測量值U與電流表的測量值I之間的關系是U=E-Ir，那么，你是否可以畫出U-I圖像？并指出U軸截距、圖像斜率絕對值、軸截距等的物理意義。于是，針對問題（1），學生小組思考后認為，實驗中的電壓表量程應選用0～3V，電流表量程應選用0～0.6A，滑動變阻器應選用50Q規格。針對問題（2），學生小組討論后提出，甲乙兩個電路圖中的測量方式都可能帶來誤差，圖甲的誤差來自電壓表的分流作用，圖乙的誤差來自電流表的分壓作用。針對問題（3），學生順利畫出U-I圖像，明確了U軸截距表示電源電動勢E，圖像斜率的絕對值表示電源內阻R，l軸截距表示電源的短路電流I短=E/r。

再次，師生合作分析誤差。基于第二組方案，圖甲測量中的誤差來自電壓表的分流作用，誤差ΔI=U/Rv，則U減小，ΔI減小；當U=0時，ΔI=0，I軸上交點（短路電流）重合；對于某個U值，I真比I大ΔI，可以找出其他點，由此可對電路圖進行改進，畫出U真-I真圖。同時，基于第二組方案中的圖乙的誤差來自電流表的分壓作用，誤差ΔU=I·RA，當I=0，ΔU=0，U軸上交點（電源電動勢）重合；對于某個I值，U真比U大ΔU，可以找出其他點，由此可對電路圖進行修正，畫出U真-I真圖。

最后，師生一起進行總結。教師繼續指引學生結合測量值的表達式進行討論交流，可得出當r較小時，第二組方案圖乙電路圖中分壓作用明顯，誤差較大；圖甲電路圖誤差較小，適用于內阻較小的干電池，圖乙電路圖適用于內阻較大的水果電池。

可見，分析測量誤差是本節課的教學難點。在教學中，教師應引導學生采取圖像法和邏輯思維相結合的處理方法，加強討論，提高學生的使用證據獲得物理結論的能力，增強學生的表現自我意識和自我認同感，培養形成合作探索研究、科學思維等素養。

（五）合作開展實操，收集實驗證據

教師繼續鼓勵學生開展合作實驗操作。首先，引導各小組結合第二組方案圖甲，選取干電池、滑動變阻器、開關、電壓表、電流表和導線若干等實驗器材。其次，實施分組實操訓練。各組學生通過合作擬訂實驗操作步驟，設計實驗表格，循序進行連線、采集數據、應用公式法和圖像法處理數據、討論實驗結果、得出實驗結論、分析論證、整理實驗器材等操作步驟。在實操過程中，學生們一起參與探索、討論和解決問題，進行分享交流和相互評價，積極利用數學手段來研究解決物理問題，增強了數形結合意識，提升了科學思維素養[3]。

（六）做好課堂總結，布置課后實驗

教師帶領學生一起對本節實驗課的總體情況進行系統小結，然后給學生布置了課后合作實驗作業：課堂中選取了系統誤差偏小的電路圖開展實驗，但是電壓表和電流表還會對實驗造成誤差，想一想是否可以找到更優化的方法，使實驗測量的結果不會受到兩電表內阻的影響呢？（課后會適時開放實驗室，要求學生選擇恰當的時機，準備所需的器材進行合作實驗）

通過設置這樣的課后拓展實驗作業，可以啟發學生繼續深入思考、合作探索課中仍待解決的實驗問題，讓學生帶著問題走出教室、融入生活，探究改進實驗，不斷進行科學思維和推理訓練，培養起優異的物理核心素養。

結束語

在高中物理實驗教學中，由于各個學生和小組的學情不同，造成他們掌握物理知識和實驗技能的程度與效度存在鮮明的差異性。教師必須堅持創新設計分組合作實驗教學，重視引領學生一起探究實驗，施加有效的實驗指導，提升和發展學生的實驗綜合能力和素質。

參考文獻

[1]葉秋艷.新課程背景下高中物理實驗教學優化策略[J].數理化解題研究，2022（15）：77-79.

[2]唐月有，張琪.高中物理實驗小組合作學習的策略研究[J].新課程研究，2021（35）：67-68.

[3]蔡青.聚焦物理實驗教學，指向小組合作學習[J].新課程，2021（36）：130.