基于核心素養下高考中“電池電動勢和內阻測量”實驗的思考

于佳琪　劉高福

摘? ?要：物理實驗教學具有實踐性、直觀性、實證性、操作性和創新性等特點，能夠有效幫助學生理解和應用物理知識，培養科學研究和實驗操作能力。通過實驗操作和直接觀察物理現象，可以幫助學生更深入地理解和記憶理論知識，并通過實際測量和數據分析，直接獲得結果，提高對物理概念的直觀理解。同時，鼓勵學生在實驗中發揮創新性，利用自身的想象力設計實驗方案，妥善處理實驗過程中遇到的問題，并提出自己的觀察和結論，促進學生創新思維的形成。以高考題目“電池電動勢和內阻測量”為切入點，幫助學生理解和應用物理知識，培養科學研究和實驗操作能力。

關鍵詞：實驗教學；核心素養；高考物理

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2024）6-0046-5

物理學包括實驗和理論研究。物理學探究自然界中物質和能量的基本運動規律和特性，以及它們相互作用的規律和現象。通過物理學的研究，人們可以更深入地了解自然界的本質和內在規律。而物理實驗不僅是解答物理問題的有效途徑與根本方法，也是高中物理教學的重要手段，對于學生探究能力、邏輯能力、思考能力的增強具有重要的促進作用［１-２］。黨的十九大報告強調，堅持立德樹人的根本任務，深入落實黨的教育理念，推動學生的均衡發展，培養德智體美勞協同發展的優秀人才，為社會主義建設輸送新鮮血液，是我國教育事業的根本任務。高中物理課標中提出物理學科核心素養，使物理教學有落腳點。本文結合高考實驗真題，以電學實驗中經典案例“電池電動勢和內阻測量”為例，對電學實驗的教學展開思考［３］。

１? ? 高考的電學實驗真題分析

１．１? ? 電學實驗在高考中的地位

高中物理的物理觀念主要包括物質觀念、能量觀念以及運動與相互作用觀念三個組成部分。在高中物理教學中，電學有著非常重要的地位，電學實驗的學習更是可以幫助學生認識、理解物質運動過程中能量變化的重要途徑。高中教材中，電學實驗共有三部分，分別為導體電阻率的測量、練習使用多用電表、電池電動勢和內阻測量，其中電池電動勢和內阻測量在高考試卷中多次出現，考查多以實驗題呈現，考查內容豐富，考查要點覆蓋面廣。電學實驗在高中物理課堂教學和高考題目中都占據著重要地位［３-４］。作為一名一線教師應該更加注重實驗教學的重要性，以幫助學生掌握相關物理概念，培養科學思維和科學探究能力，而不僅僅是為了教學和考試而教學。在實驗教學過程中，教師要組織學生開展實驗，提出問題和思考，激發他們的興趣和好奇心。同時，教師還可以引導學生進行實驗設計和數據分析等，促進學生分析能力、創新能力的提升。

１．２? ? 高考電學實驗真題及分析

（２０２１年全國乙卷第１０題） 一實驗小組利用圖1（ａ）所示的電路測量一電池的電動勢Ｅ（約1.5 V）和內阻ｒ（小于2 Ω）。圖中電壓表量程為1 V，內阻RV=380.0 Ω；定值電阻R0=20.0 Ω；電阻箱Ｒ，最大阻值為999.9 Ω；開關Ｓ。按電路圖連接電路。完成下列填空：

本題為電路原理圖設計，旨在能從減小誤差的角度對電路進行設計，并計算出相應的結果，對于學生的探究能力以及數據分析、處理能力有著比較高的要求。本題的核心為理解閉合電路歐姆定律，考查學生對圖像數據的觀察能力和數據處理能力，引導學生通過電路原理圖厘清電壓表示數Ｕ及電阻箱示數Ｒ之間的關系，從而計算電源電動勢Ｅ和內阻ｒ。

針對本題，對其所考查內容的物理核心素養水平進行劃分（表１）。可見，高考將物理核心素養作為關注的重點，主要表現為對物理知識的理解和應用、實驗設計、數據處理以及誤差分析等方面的綜合能力考查。而這些實驗往往出自教材，且有所改編，所以在對物理電學實驗部分進行教學時，要注重引導學生樹立正確的物理觀念、科學思維，感受到物理學科的魅力，并全身心地投入教學活動中。

２? ? 電學實驗考查形式及要點

基于以上分析，筆者發現電學知識以實驗考查的方式出現在高考試題中，設問形式也較為簡單，一般是在實驗探究背景下，考查學生對電學器件的選擇、實驗步驟的設計、電路故障分析、數據收集與處理以及誤差分析；主要評估的是學生設計實驗的能力以及邏輯思維能力，對物理問題的探究能力，對具體器材的操作能力，符合新課程改革對物理核心素養的培養要求以及高考學業水平的劃分要求［５］。

電學實驗的考查題目大體分為兩大類：第一類為三個實驗（即導體電阻率的測量、多用途電表的使用、電池電動勢和內阻測量）的原型或稍微改編的實驗；第二類為在此基礎上的創新性實驗，例如，２０２２年廣東省高考試卷中“判斷彈性導電繩電阻和拉伸后繩長之間的相互關系”，２０２２年河北省高考試卷中“將廢棄電飯鍋利用起來，制作一個能夠實現煮飯功能的簡易電飯鍋”，但總體考查內容不變，仍為上述考點。題目設置也并不難，即使是改編實驗或創新性實驗，也都在學生平常學習的范圍內，學生可以在所學知識基礎之上解決問題，這實際上考查的是學生將所學知識應用于實踐的能力。

３? ? 實驗探究

實際教學過程中，教師應注重對實驗教學的應用和處理，通過實驗的方式來推動學生主動思考，不能在已有的知識上止步不前，要善于思考，并進行解決，以幫助學生思維能力的發展、探究能力的提升、動手能力的培養。基于此，可以設置一些實驗環境為學生探究問題提供方向。本次實驗的探究內容是：探究兩節電池串聯后電源電動勢、內阻與兩電池的關系。

通過本實驗，幫助學生加深對閉合電路歐姆定律的認識，使學生感受假設猜想、設計實驗、數據收集及處理的完整實驗過程，逐漸樹立正確的物理觀念，培養出科學思維，體會在實驗過程中的團隊協作精神，體驗實事求是的科學態度。

３．１? ? 實驗原理

“電池電動勢和內阻測量”的實驗原理是閉合電路歐姆定律（E=U+Ir）。借助電壓表、電流表進行測量，得到路端電壓Ｕ以及通過電源的電流Ｉ，在此基礎之上，基于閉合電路歐姆定律計算出電源的電動勢Ｅ、內電阻ｒ。為了消除偶然誤差的負面影響，可以測量多組Ｕ、Ｉ的值，并計算出與之相對的Ｅ、ｒ，最后計算出平均值。這一測量過程會導致實驗數據處理繁瑣，所以在處理數據的過程中，往往會選擇作圖法。通過實驗的方式測算多組Ｕ、Ｉ的值，繪制Ｉ－Ｕ圖像，然后借助縱截距、斜率的絕對值分別計算出電源電動勢Ｅ和內電阻ｒ，這種方法的操作難度較低，且圖像直觀［５］。

為了使學生對閉合電路歐姆定律理解透徹，將本實驗進行升級。本次實驗目的為探究豐藍１號電池及南孚電池串聯后的電源電動勢與二者的電動勢之間的關系，引導學生思考并深刻體會本實驗的操作步驟和實驗原理［６］。

３．２? ? 實驗步驟

ａ.確定實驗目的，設計實驗步驟；

ｂ.作出實驗電路圖（圖２），明確所需測量的物理量；

ｃ.準備實驗器材，根據電路圖連接電路實物圖；

ｄ.連接好以豐藍１號電池為舊電池的電路（圖３），進行實驗；

ｅ.移動滑動變阻器的滑片，測量出５組實驗數據；

ｆ.更換電源，分別為南孚電池及兩電池串聯（豐藍１號電池和南孚電池），電池是舊電池（圖４、圖５），重復上述實驗，并對實驗數據進行記錄、處理。

３．３? ? 實驗數據

根據上述實驗步驟，進行實際的實驗環節及數據測量，得到以下實驗數據和圖像。表２是豐藍１號電池實驗的Ｉ－Ｕ數據，圖６是豐藍１號電池的Ｉ－Ｕ圖像，可見電流隨著電壓的減小而減小；表３是南孚電池實驗的Ｉ－Ｕ數據，圖７是南孚電池的Ｉ－Ｕ圖像，同理其電流隨著電壓的減小而減小；表４是豐藍１號電池與南孚電池串聯實驗的Ｉ－Ｕ數據，圖８是豐藍１號電池與南孚電池串聯的Ｉ－Ｕ圖像，其電流隨著電壓的減小依舊減小。

３．４? ? 基于核心素養的實驗分析

在實驗前，學生已經學習了閉合電路歐姆定律，并有了一定程度的理解，具備相應的物理觀念，且可以根據串聯電路的特點對“兩電池串聯后電動勢及內阻的關系”進行猜測。因此，可以充分發揮學生的物理思維，在設計實驗及實驗操作過程中結合已有物理觀念及物理思維對物理探究能力進行培養。對實驗數據進行處理時，幫助學生理解Ｉ－Ｕ圖像的物理意義及其直觀性，培養學生的科學探究意識［７］。同時，利用三組實驗驗證串聯電源電動勢及內阻之間的關系，即當兩電池串聯時，所測得電源電動勢為豐藍１號電池與南孚電池電動勢之和，內阻同理，即Ｅ＝Ｅ１＋Ｅ２，ｒ＝ｒ１＋ｒ２。

雖然對實驗進行了正確的猜想及假設，但通過完整的物理實驗步驟對猜想及假設進行驗證，可使物理實驗完成閉環，讓學生意識到物理學科的嚴謹性，從而達到培養學生核心素養的目的。

４? ? 教學啟示

在上述實驗中，實驗步驟簡單，操作起來容易，但這種簡單的實驗教學卻為學生提供了深入思考的空間。學生可以思考關于電池并聯測量數據的關系，以及為什么在測量中要使用舊電池，使用多久的舊電池測量效果最好，電池的供電壽命等問題。通過測量的實驗數據來判斷這些問題，可以讓學生直觀地解決遇到的疑問。同時，可以改進實驗器材，提高高中物理實驗的準確性；對電路設計提出改進，如電流表的內接與外接、滑動變阻器的分壓式接入與限流式接入對實驗誤差的影響等［８］。這些問題可以以實驗為基礎引導學生進行實際探究，并根據已有的實驗進行創新性實驗的設計和驗證。通過解決學生疑問激發他們的學習熱情，使學生學習物理具有積極性和動力。通過物理實驗培養學生的科學思維，他們在面對陌生的題目時能夠擁有獨立的思維空間，學習是為了解決問題，而不是為了考試。

正確的物理觀念是學習物理的基礎。在物理教學中，不僅需要學生掌握物理概念的定義和表達式，更需要通過物理實驗教學來深刻理解和體會物理概念的含義。同時，應該引導學生發揚質疑精神，挑戰前人的智慧，并通過實驗探究來加深理解，真正掌握物理知識。在教學過程中，教師要將學生思維能力的提升作為關注的重點，引導他們在實驗過程中思考問題、發現規律、提出問題并解決問題，從而促進其創新思維、科學精神的形成。通過這樣的實驗教學，學生不僅可以掌握物理知識，還能夠發展自己的科學思維和創新能力，為后續科學研究以及實驗活動奠定堅實的基礎。

參考文獻：

［１］張惠作．高中物理教學邏輯的設計策略［Ｊ］．中學物理教學參考，２０１５，44（１５）：２－５．

［２］任夢玥．基于邏輯的物理探究課教學設計研究［Ｄ］．蘇州：蘇州大學，２０１６．

［３］單天穎．運用學歷案提升探究式實驗課堂品質——以“測量電源電動勢與內阻”為例［Ｊ］．中學物理教學參考，２０２２，51（５）：２２－２４．

［４］呂國通．充分創設問題情境培養實驗探究能力——以“測定電源電動勢和內電阻”的復習為例［Ｊ］．實驗教學與儀器，２０２２，39（５）：８－１１，２０．

［５］吳昊，沈文炳．“測繪小燈泡的伏安特性曲線”的教學思考［J］．湖南中學物理，２０２２（５）：４６－４８．

［６］肖劍，周長覺，向敏龍．基于探索情境鏈的自助餐式實驗教學設計——以“測電源電動勢和內阻”為例［Ｊ］．湖南中學物理，２０２２（９）：６９－７１．

［７］馬和明．小燈泡伏安特性曲線實驗中的幾個問題［J］．實驗教學與儀器，２０２２，39（５）：３６－３７．

［８］張金龍，程會琴．“安安法”“伏伏法”在測量電源電動勢和內阻實驗中的應用分析［Ｊ］．教學考試，２０２２（２２）：３４－３７．

（欄目編輯? ? 陳? ?潔）

收稿日期：2024-01-04

基金項目：貴州師范學院與貴州師范大學聯合培養教育碩士專業學位研究生專項科研基金項目“基于核心素養下高中物理探究實驗的應用研究”（２０２２ＹＪＳ０６）；２０２２ 年貴州省本科教學質量與教學改革工程項目“基于課程思政的大學物理實驗教學模式改革與實踐研究”。

作者簡介：于佳琪（１９９８－），女，貴州師范學院與貴州師范大學聯合培養研究生，主要從事學科教學物理研究。

*通信作者：劉高福（１９８０-），男，貴州師范學院物理與電子科學學院教授，主要從事物理教學論和凝聚態物理研究。