基于創新實驗的初中物理復習教學①
——以“電學實驗復習”為例

張 莎

(西安交通大學蘇州附屬初級中學,江蘇 蘇州 215128)

1 引言

初中電學學習時間跨度較長,實驗較多,對學生的思維能力要求較高。為了對已學的尚不成體系的物理知識、實驗進行系統的鞏固和提升,同時為下階段的學習打下基礎,需要組織學生開展階段性單元復習。傳統的電學實驗復習主要有兩種方式:一是采用最多的習題教學,教師會從各地區中考物理試卷中精選試題形成學案,然后在課堂上按部就班地開展復習教學。這種方式雖能在一定程度上鞏固知識、提高考試成績,但存在“三重三輕”的問題,即:重知識、輕能力,重結論、輕思維,重成績、輕素養。二是實驗教學,教師雖然認識到實驗在復習課中的重要作用,但課堂教學不過是將原來新授課的實驗再次重復,強調一些注意要點,這樣既調動不了學生的積極性,更不能激活學生的思維。

以培養學生物理學科核心素養為目標的復習教學,除了關注知識以外,還應培養學生的思維能力、實踐能力和問題解決能力。[1]如何才能達成以上目標?在復習課中引入創新實驗是一種行之有效的方法,本文以“運用伏安法的電學實驗”單元復習為例,闡述創新實驗在復習課中起到的重要作用。

新授課中運用伏安法的電學實驗有以下三個:測未知電阻、測小燈泡電阻和測小燈泡電功率。為了在常規復習的基礎上達成核心素養的培養目標,筆者開展了三個創新實驗,精心創設問題,以任務為驅動,讓學生在實際操作中發現、分析和解決問題,實驗和復習目標如表1。

表1

2 以創新任務為驅動,培養學生的科學探究意識和能力

情境引入:小明在商店發現鉛筆不僅有2B型號,還有3B、4B、5B、6B等型號,他想知道不同型號鉛筆芯的阻值是否相同,你能否幫他完成測量?

問題設置:(1) 運用伏安法測量鉛筆芯電阻的原理是什么?如何實現多次測量?多次測量的目的是什么?

(2) 觀察不同型號鉛筆芯電阻的大小,你發現了什么規律?

(3) 影響鉛筆芯電阻大小的因素有哪些?請通過觀察鉛筆芯的粗細和在紙上畫出痕跡的深淺提出猜想。

課前準備:為每組分發長度相同的2B、4B、6B鉛筆各一支。

實驗過程:每組選擇一種型號的鉛筆進行多次測量,并求出電阻平均值,圖1為學生連接的電路。教師將不同小組的測量結果進行匯總(表2)。

圖1

表2

對于運用伏安法測未知電阻的實驗,傳統的復習方法是讓學生畫出電路圖,然后回憶實驗原理、步驟,最后總結滑動變阻器的作用、多次實驗的目的等知識點,以識記為主,而本實驗將學生身邊熟悉的鉛筆芯作為測量對象,將講實驗轉變為做實驗。學生通過動手實驗,自然會將相關知識應用于實際,學以致用,培養了學生的實際問題解決能力,同時也提高了他們的學習興趣。

學生探究意識和能力的培養是初中物理教學的重點,本實驗借助測量結果,引導學生發現:不同鉛筆芯的電阻不同,且具有規律,進而引導學生提出問題:鉛筆芯電阻大小與什么因素有關?學生經過觀察、思考、小組討論后形成有依據的猜想,如與鉛筆芯的粗細和含碳量有關,培養了學生的探究能力。

3 以創新學具為抓手,培養學生的問題解決能力

教師在每組器材中設置了小燈泡短路或斷路的故障,提出任務:現有一只額定電壓為2.5 V、額定電流未知的小燈泡,請用實驗測量其額定功率。

問題設置:(1) 運用伏安法測量小燈泡額定功率的原理是什么?實驗步驟是什么?

(2) 你在實驗過程中遇到了什么困難?

(3) 分析、排除電路故障的一般步驟有哪些?

(4) 移動滑動變阻器的滑片,若電流表有示數,電壓表示數為零,則哪個元件出現了故障?是什么故障?

(5) 若電流表示數為零,電壓表有示數,又是哪個元件出現了故障?是什么故障?

課前準備:使小燈泡短路的方法為:用螺絲刀把小燈泡底座后面的兩個螺絲擰松,用一段鐵絲繞在兩個螺絲之間,然后將螺絲擰緊。使小燈泡斷路的方法如下:用四節干電池串聯,將小燈泡接入電路后將燈絲燒斷。

實驗過程:圖2是學生連接好的電路,現象是:小燈泡不亮,電流表有示數,電壓表示數為零;另一種是小燈泡斷路的情況。在實驗中有些小組會重接電路、改變電表量程;有小組認為是電表壞了,要求更換電表;還有小組認為小燈泡壞了,但沒有指出小燈泡的具體故障。

圖2

通過電路故障分析綜合考查了學生分析電路的能力,這是初中電學的難點。為了突破這一難點,傳統的方法是故障題型分類講解、提煉分析故障的技巧等。[2]雖然在一定程度上提高了學生分析問題的能力,但因缺乏實驗現象的直觀呈現,學生沒有經歷實際操作過程,導致學生對電路故障的認識不夠深刻,不能實現知識遷移,更談不上學以致用。

本實驗利用現有實驗資源,預設了小燈泡斷路和短路故障,在真實的情境中為學生搭建認知橋梁。通過問題鏈的設置,引導學生通過現象(小燈泡亮度、電表示數)發現問題,分析電表示數,交流、討論解決問題的方法,最終排除電路故障。學生經歷這樣完整的探究過程,不僅強化了對電路故障的認識和理解,還培養了解決實際問題的能力。

學生排除電路故障之后,再去測量小燈泡的額定電流,進而計算額定功率,任務的完成會變得簡單。

4 以理論和實驗相結合的教學方式,訓練學生的科學思維

圖3

問題設置:(1)I-U圖線與坐標軸圍成的面積代表什么?能否通過這種方式判斷出P1和P2的大小?

(2) 能否通過實驗測量出P1和P2,再比較兩者的大小?設計實驗并完成測量。

(3) 請根據圖4思考:若是定值電阻,P2和P1的大小如何?為什么小燈泡會出現P1>P2的情況?

圖4

表3是學生設計的實驗和測量結果。

表3

在電功率這一節中,對于實際功率和額定功率的理解是難點。一是學生容易混淆。二是學生對實際功率的理解不深刻,不清楚具體情況下的“實際”是什么含義。為了突破這一難點,有的教師會安排大量的習題進行訓練,很少有實驗配合,學生缺少感性認識,這就導致思維能力較弱的學生一直攻克不了這個難點。

在本次實驗前,先通過理論分析,引導學生理解I-U圖線與U軸圍成的面積對應實際功率,培養學生的圖像分析能力。在進行實驗時,學生通過自己設計對比實驗,完成實驗后得出結論,不僅強化了對小燈泡實際功率和額定功率的認識,而且以理論和實驗相結合的方式,為學生搭建思維階梯,加深學生對小燈泡I-U特性曲線的理解,提高學生分析問題的能力。

5 依托實驗建構知識結構,幫助學生實現知識體系化

通過復習幫助學生建構知識結構是高效復習的措施之一。學生通過第一個實驗,可以回憶起運用伏安法測未知電阻的相關知識點。學生通過填寫表4內容,對三個相關實驗進行對比、分析,能很快發現運用伏安法測未知電阻、小燈泡的電阻和電功率這三個實驗的相同點和不同點。通過三個實驗的對比和總結,在學生頭腦中有關“伏安法”測量實驗的信息就不再是零碎的、雜亂的,而是系統的、結構化的。學生通過自主總結,可培養他們的歸納總結能力,加深對各個實驗的理解。

表4

6 結語

創新實驗設計可以激活課堂教學,突出學生的主體地位,提高復習課的效率。但是,創新理念要真正走進復習課堂也有一定難度,一是相對習題解答式教學,創新實驗的設計和組織要花費更多的時間和精力,二是課堂時間有限,學生已經習慣通過練習鞏固知識。在教育理念不斷更新的背景下,教師更要走在時代發展的前沿,突出物理課堂實驗的重要性,實現學科育人功能,提升學生的核心素養。