譚國鋒

(杭州第二中學(xué) 浙江 杭州 315009)

新一輪課程改革中物理學(xué)科的核心素養(yǎng)由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面構(gòu)成.基于對(duì)知識(shí)序、認(rèn)知序和教學(xué)序的理解和考慮，筆者以為這四者之間的關(guān)系應(yīng)是以“科學(xué)探究”為載體，以“科學(xué)思維”為主線，讓學(xué)生經(jīng)歷和體驗(yàn)物理學(xué)習(xí)的過程，并基于這些體驗(yàn)和經(jīng)歷樹立“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“物理觀念”的建立.因此學(xué)生“科學(xué)探究”能力的培育對(duì)于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的習(xí)得是尤為重要的.

“科學(xué)探究”是指提出科學(xué)問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力.主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流與合作等要素.遺憾的是很多教師眼中的科學(xué)探究課堂是費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、出不了成績的作秀課；聽到的很多探究式教學(xué)的公開課上，教師過多的關(guān)注于自己的教，并沒有從學(xué)生出發(fā)，去關(guān)注學(xué)生的學(xué)，程序式的探究的流程，漠視學(xué)生為什么要探究，怎么進(jìn)行科學(xué)探究，探究的結(jié)論有什么積極的作用.如何在核心素養(yǎng)的指導(dǎo)下，真正從學(xué)生出發(fā)，優(yōu)化科學(xué)探究的過程，筆者有一些粗淺的思考，下面以人教版《物理·選修3-1》“導(dǎo)體的電阻”這一節(jié)典型的規(guī)律課為案例，談?wù)勛约簩?duì)核心素養(yǎng)下優(yōu)化科學(xué)探究過程的認(rèn)識(shí).

1 教學(xué)分析

1.1 教材分析

導(dǎo)體的電阻是本章內(nèi)容中第六節(jié)內(nèi)容，既是對(duì)前面所學(xué)幾節(jié)知識(shí)的應(yīng)用，又是通過本節(jié)的學(xué)習(xí)，嘗試用伏安法測(cè)量電阻，體驗(yàn)科學(xué)探究的基本方法，讓學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的得出過程有最直觀的體驗(yàn).

1.2 學(xué)情分析

學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)習(xí)了導(dǎo)體電阻和哪些因素相關(guān)的定性概念，但是對(duì)定量的關(guān)系，仍然沒有理論上的高度認(rèn)識(shí)，在前面幾節(jié)的學(xué)習(xí)中，也掌握了伏安法等基本的電阻測(cè)量方法，也具有了一定的實(shí)驗(yàn)探究基礎(chǔ).

但是，本節(jié)教材對(duì)于導(dǎo)體的電阻的規(guī)律，照本宣科很難引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.教學(xué)中只給出了理論的推導(dǎo)和一組定性判斷電阻與長度關(guān)系的演示實(shí)驗(yàn)，沒有科學(xué)的探究過程，學(xué)生的核心素養(yǎng)很難在課堂上得到提升.

思考：教材分析中我們總是從物理學(xué)角度判斷該部分內(nèi)容很重要、從“考”的動(dòng)機(jī)上“確定”該內(nèi)容的“核心”要素，總是線性地思考學(xué)生已經(jīng)掌握了什么、應(yīng)該具有什么能力.核心素養(yǎng)的視角下教師對(duì)教材定位時(shí)要多一些立足學(xué)生的自問：學(xué)生對(duì)“規(guī)律”類的問題是否感興趣、對(duì)影響電阻大小的因素有何種層次的理解(是記憶公式還是有科學(xué)思考)、對(duì)“問題與探究”有怎樣的期待等問題.

2 教學(xué)目標(biāo)

核心素養(yǎng)下“導(dǎo)體的電阻”教學(xué)目標(biāo)如表1所示.

表1 核心素養(yǎng)下“導(dǎo)體的電阻”教學(xué)目標(biāo)

思考：用基于核心素養(yǎng)發(fā)展的課堂教學(xué)目標(biāo)體系為指導(dǎo)，能夠讓課堂教學(xué)緊扣清晰的核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)來開展，可以讓學(xué)生充分地參與到課堂和科學(xué)探究中，在經(jīng)歷科學(xué)探究的過程中，各維度都得到發(fā)展，真正做到課堂以學(xué)生為主體，有著比傳統(tǒng)三維教學(xué)目標(biāo)更好的指引性.

3 教學(xué)過程

3.1 問題情境引入

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，我們經(jīng)常能夠聽到某個(gè)工廠的火災(zāi)新聞，其中很多的火災(zāi)現(xiàn)象都來源于電器內(nèi)部.

演示實(shí)驗(yàn)如圖1所示.將一張葫蘆狀的錫紙(來源于香煙殼，不同地方粗細(xì)不同)與滑動(dòng)變阻器一起串聯(lián)接入7 V的交變電路上,問學(xué)生：會(huì)發(fā)生什么？一個(gè)學(xué)生上臺(tái)閉合電路，完成實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)火苗從最細(xì)的中間燒起來.

圖1 演示實(shí)驗(yàn)

提問：為什么是最細(xì)的位置燒起來？導(dǎo)體的電阻與何因素有關(guān)？

思考：引入的問題情境的價(jià)值在于激發(fā)學(xué)生的問題意識(shí)，彰顯探究的意義，在于調(diào)動(dòng)學(xué)生的探究興趣.聯(lián)系課堂的發(fā)展方向，來源于生活的情景和實(shí)驗(yàn)引入，能夠讓學(xué)生有較強(qiáng)的科學(xué)態(tài)度和熱情，能夠?yàn)楹罄m(xù)的科學(xué)探究順利開展蓄勢(shì).

3.2 科學(xué)猜想的誕生

(1)猜想的啟發(fā)

首先讓我們看看不同型號(hào)的電阻,如圖2所示.現(xiàn)在的汽車頭燈一個(gè)燈泡中有兩根鎢絲可調(diào)遠(yuǎn)近光，如圖3所示，看看這些電阻的大小，可能和哪些因素有關(guān)系？

圖2 不同型號(hào)的電阻 圖3 汽車頭燈中的鎢絲

(2)猜想的引導(dǎo)

立足于思考有以下幾種猜想.

學(xué)生甲：由滑動(dòng)變阻器可以知道，電阻與導(dǎo)體的長度有關(guān)；

學(xué)生乙：燈絲粗細(xì)不同，電阻不同，電阻與導(dǎo)體的橫截面積有關(guān)；

學(xué)生丙：質(zhì)量、密度不同，電阻也不同，電阻與導(dǎo)體的質(zhì)量、密度有關(guān);

學(xué)生?。簻囟炔煌?，電阻也不一定相同，可能和溫度有關(guān).

溫度、質(zhì)量和密度，都與導(dǎo)體的材料有關(guān)，歸類到材料當(dāng)中.

思考：猜想不是任學(xué)生“天馬行空”般的胡思亂想，也不是留于形式的假猜想.學(xué)生的猜想是一個(gè)從懵懂逐步走向成熟的過程.教師需要有充分的預(yù)設(shè)，高屋建瓴地引領(lǐng)學(xué)生思考的方向，肯定并鼓勵(lì)學(xué)生的各種猜想，并能提取合理的進(jìn)行整合和歸類，引導(dǎo)到課堂探究的主線上.

3.3 科學(xué)探究的步步深入

(1)實(shí)驗(yàn)探究R與L，S的關(guān)系

1)方案設(shè)計(jì)的引導(dǎo).

問題1：當(dāng)研究的物理量與兩個(gè)及以上的量有關(guān)系時(shí)，怎么辦？具體如何控制？

問題2：如何去測(cè)量這些物理量？

2)小組合作，控制材料與S相同，研究R與L的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)器材如圖4所示.

西門子MP277觸摸屏采用WinCC flexible軟件組態(tài)操作界面，用以監(jiān)視變頻器的參數(shù)與狀態(tài)信息、顯示重要參數(shù)的歷史趨勢(shì)、給出故障處理建議、計(jì)算節(jié)能等功能。PLC將用戶的控制指令通過RS-485通訊發(fā)送給指定變頻器，變頻器做出對(duì)應(yīng)的應(yīng)答信息。系統(tǒng)主從設(shè)備之間嚴(yán)格的控制與應(yīng)答請(qǐng)求，確保了整個(gè)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、安全性和可靠性。

圖4 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)探究，數(shù)據(jù)處理，根據(jù)圖像得出R與L成正比.

3)師生合作，測(cè)量5根長度相同，橫截面積逐倍增加的鎳鉻合金的電阻，并作出圖像如圖5所示，分析如下.

圖5 橫截面積S/S0與電阻R的關(guān)系曲線

問題3：該圖像分析結(jié)果能否說明R與S成反比？需要如何處理？總結(jié)化曲為直的思想，改變縱坐標(biāo)，再重新作圖分析,如圖6所示.

圖6 橫截面積S/S0與電阻倒數(shù)的關(guān)系曲線

(2)理論探究R與L,S的關(guān)系

1)引導(dǎo)學(xué)生建立問題模型

假設(shè)原電阻為R0，當(dāng)它的S0不變，長度變?yōu)閚倍時(shí)，若能找到R變成幾倍，就能找到R與L的關(guān)系；同理若L不變，面積變成原來n倍時(shí)，若能找到R變成幾倍，就能找到R與S的關(guān)系,問題模型如圖7所示.

圖7 問題模型

2)邏輯推理得出問題結(jié)論

(3)定性探究R與材料的關(guān)系

1)控制變量，對(duì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，找尋導(dǎo)體的電阻R隨材料不同會(huì)發(fā)生變化,如表2所示.

表2 R與材料的關(guān)系

2)演示實(shí)驗(yàn)，感受R與溫度有關(guān)

將小燈泡與日光燈管的燈絲串聯(lián)接入3 V直流電路,如圖8所示，讓同學(xué)上臺(tái)對(duì)準(zhǔn)日光燈管的燈絲吹氣，觀察會(huì)有什么現(xiàn)象產(chǎn)生？

圖8 演示實(shí)驗(yàn)：R與溫度的關(guān)系

學(xué)生上臺(tái)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)吹氣時(shí)，小燈泡變亮.吹氣時(shí)燈絲溫度的降低，改變了燈絲的電阻大小.

3)理論推導(dǎo)，引出電阻率相關(guān)教學(xué)

從成正比到等式，需要加一個(gè)比例系數(shù)，這個(gè)比例系數(shù)與導(dǎo)體的材料有關(guān)，需要引入新的物理量，即電阻率，完成電阻率相關(guān)內(nèi)容的教學(xué).

3.4 探究成果回歸生產(chǎn)和生活

生活應(yīng)用一：北京質(zhì)監(jiān)局對(duì)電線電纜進(jìn)行檢測(cè)，大部分存在電阻不合格問題，主要是銅材質(zhì)量不合格，是通過什么原理進(jìn)行的檢測(cè)？

學(xué)生活動(dòng)：如圖9所示，通過電線產(chǎn)品合格證上顯示的信息，對(duì)導(dǎo)線的電阻進(jìn)行計(jì)算，再用多用電表測(cè)試實(shí)際的導(dǎo)線電阻大小，判斷是否合格.

圖9 電線產(chǎn)品合格證

由產(chǎn)品合格證的信息推算，若是純銅導(dǎo)線，電阻大小

用數(shù)字電壓表測(cè)得實(shí)際導(dǎo)線的電阻大小為1.26 Ω，說明該銅質(zhì)導(dǎo)線摻有雜質(zhì).

生活應(yīng)用二：展示電腦的發(fā)展過程，現(xiàn)在的電腦很難看到電阻的影子，電阻微型化是基于什么原理？

學(xué)生活動(dòng)：

(1)理論推導(dǎo).高相同，底面邊長不同的正方體電阻大小相同.

(2)實(shí)驗(yàn).大小不同的兩張正方形導(dǎo)電紙，如圖10所示，用數(shù)字多用電表測(cè)其電阻，測(cè)得電阻大小幾乎相同.

思考：學(xué)生本節(jié)課對(duì)影響電阻大小的因素的學(xué)習(xí)和認(rèn)知來源于生活，通過科學(xué)探究得出的結(jié)論又能反過來應(yīng)用于生活，這個(gè)體驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生在原生態(tài)地理解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)的基礎(chǔ)上，逐漸形成對(duì)科學(xué)和技術(shù)緊密聯(lián)系的正確態(tài)度以及責(zé)任感，落實(shí)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的核心素養(yǎng)培養(yǎng).

圖10 大小不同的正方形導(dǎo)電紙

3.5 課堂小結(jié)中的品味與展望

品味：總結(jié)本節(jié)課研究過程中的科學(xué)探究方法和物理思想.

(1)總結(jié)科學(xué)探究方法：問題→猜想→設(shè)計(jì)方案→理論、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→結(jié)論→應(yīng)用

(2)總結(jié)物理思想：控制變量、類比、間接測(cè)量、化曲為直、建立模型

展望：

(1)若溫度不斷降低，電阻是否可以取向零，變成超導(dǎo)，會(huì)對(duì)我們的社會(huì)產(chǎn)生什么影響？

(2)電阻可以做到微型化，由此啟發(fā)，電阻是否做得越小越好？

思考：當(dāng)前看到課堂小結(jié)多半是“走過場(chǎng)”式，幾乎是照著板書從頭到尾的念一遍.小結(jié)是對(duì)整個(gè)課堂從核心素養(yǎng)目標(biāo)角度的一個(gè)新認(rèn)識(shí)，特別是對(duì)于科學(xué)探究的過程和方法、學(xué)習(xí)的情感體驗(yàn)應(yīng)該有“品味”的態(tài)度.小結(jié)不代表通過一節(jié)課，對(duì)所探究的問題畫上一個(gè)句號(hào)，應(yīng)該是對(duì)探究問題的更多關(guān)注畫上一個(gè)問號(hào)，讓學(xué)生飽有科學(xué)探究的熱情和責(zé)任感.

4 教學(xué)反思

本節(jié)課的鮮明特色是以核心素養(yǎng)為指導(dǎo)，從教學(xué)目標(biāo)的制定到探究過程的開展都基于核心素養(yǎng)的4個(gè)維度進(jìn)行設(shè)計(jì).整節(jié)課下來，無論從學(xué)生的反應(yīng)還是從自己教學(xué)體會(huì)來看，都充滿著生命力，緊盯主題問題情境和循序漸進(jìn)的問題鋪墊，讓探究內(nèi)容在 “期待”中生成；理性的科學(xué)探究與感性的合作交流相交融，讓物理研究的課堂體現(xiàn)著“一花一世界、一葉一菩提”的韻味.學(xué)生通過課堂經(jīng)歷了科學(xué)探究的過程，發(fā)展了科學(xué)思維，體驗(yàn)了科學(xué)的奇妙與艱辛，培養(yǎng)了科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感，落實(shí)了物理課堂核心素養(yǎng)的培養(yǎng).