江蘇省清江中學(xué)(223001) 丁 松 鄭宏偉

1 引言

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科.高三二輪復(fù)習(xí)是一輪復(fù)習(xí)的綜合，要求課堂容量大、知識(shí)綜合性強(qiáng)、復(fù)習(xí)時(shí)間緊。如果二輪復(fù)習(xí)的實(shí)驗(yàn)專題課還是要求每個(gè)學(xué)生都到實(shí)驗(yàn)室去做實(shí)驗(yàn)，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。那么如何抓住實(shí)驗(yàn)的“靈魂”——科學(xué)探究，讓實(shí)驗(yàn)專題課堂和二輪復(fù)習(xí)課堂有機(jī)結(jié)合呢？本文以2018年江蘇省高考試題為例，闡述如何在二輪復(fù)習(xí)課堂中培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)之科學(xué)探究能力。

2 高考試題

(2018年江蘇省高考第10題)一同學(xué)測(cè)量某干電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻。

(1)如圖1所示是該同學(xué)正準(zhǔn)備接入最后一根導(dǎo)線(圖中虛線所示)時(shí)的實(shí)驗(yàn)電路。請(qǐng)指出圖中在器材操作上存在的兩個(gè)不妥之處。

圖1 實(shí)驗(yàn)電路

(2)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電阻箱阻值R和電流表示數(shù)I，以及計(jì)算的1/I數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，在答題卡的方格紙上作出如圖2所示的R-(1/I)關(guān)系圖像。由圖像可計(jì)算出該干電池的電動(dòng)勢(shì)為________V；內(nèi)阻為________Ω。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖關(guān)系圖像

(3)為了得到更準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果，在測(cè)出上述數(shù)據(jù)后，該同學(xué)將一只量程為100 mV電壓表并聯(lián)在電流表兩端。調(diào)節(jié)電阻箱，當(dāng)電流表的示數(shù)為0.33 A時(shí)，電壓表的指針位置如圖3所示，則該干電池電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為____V；內(nèi)阻應(yīng)為____Ω。

圖3 電壓表示數(shù)

題目分析：“測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”是《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》要求必做的實(shí)驗(yàn)之一。由于本實(shí)驗(yàn)方案的多樣性、數(shù)據(jù)處理方法的典型性——一次函數(shù)圖像處理數(shù)據(jù)，江蘇高考的電學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)常以“測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”來命題。如2010年、2015年、2018年江蘇高考實(shí)驗(yàn)題的第10題，分別用伏阻法、伏安法、安阻法來考查學(xué)生對(duì)“測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”實(shí)驗(yàn)的掌握情況。本文高考題分別從方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)器材操作與讀數(shù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)誤差分析等角度，引導(dǎo)中學(xué)物理教師一定要讓學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，親自動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)器材，真正把培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力落實(shí)到課堂中來。

科學(xué)探究的層次一般分為4個(gè)等級(jí)：1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)(見表2)。

表2 科學(xué)探究的層次劃分

高三物理二輪復(fù)習(xí)期間由于時(shí)間的緊迫性，很多教師都選擇了1級(jí)或2級(jí)的實(shí)驗(yàn)探究。直接告訴學(xué)生實(shí)驗(yàn)的目的、方案、結(jié)論。讓學(xué)生背誦實(shí)驗(yàn)相關(guān)注意點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理的方法和結(jié)論答案，緊接著以題目鞏固。這樣實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法可能短期成效快，學(xué)生考試成績提升迅速，但是這種“顧眼前，輕未來；重記憶，輕探究”的教學(xué)方法對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)是不利的。即使從應(yīng)試角度來考慮，這種只注重短期效果，強(qiáng)調(diào)學(xué)生死記硬背的教學(xué)，在高考這種注重核心素養(yǎng)考查的高質(zhì)量、高水平的考試中注定會(huì)以失敗告終。由于第4等級(jí)的探究要求“實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹本哂虚_放性，這是最高層次的探究，也是我們培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的理想目標(biāo)——學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問題并設(shè)計(jì)方案去解決問題。但是在高三二輪復(fù)習(xí)的物理課堂中，要求實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡拈_放性，教師和學(xué)生都很難完成這樣的探究，畢竟在浩瀚的生活現(xiàn)象中去發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的問題需要深厚的學(xué)科素養(yǎng)?；诖斯P者在高三物理復(fù)習(xí)課堂中一般選擇第3等級(jí)的探究方式——實(shí)驗(yàn)?zāi)康拿鞔_，但是實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)論需要學(xué)生們自己去設(shè)計(jì)。

筆者以“測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”實(shí)驗(yàn)為例，闡述自己在高三二輪復(fù)習(xí)期間，如何在時(shí)間緊張的課堂上抓住物理實(shí)驗(yàn)“靈魂”，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。

3 磁吸式實(shí)驗(yàn)器材“開場(chǎng)”，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情

實(shí)驗(yàn)器材如圖4、圖5所示。利用磁吸式實(shí)驗(yàn)器材引起學(xué)生的興趣，避免了復(fù)習(xí)課中常用的“黑板實(shí)驗(yàn)”。如果實(shí)驗(yàn)室沒有磁吸式器材，可以自己在實(shí)驗(yàn)器材背面用雙面膠固定一塊片狀磁鐵即可，如圖6所示。此實(shí)驗(yàn)器材優(yōu)點(diǎn)：第一，看到實(shí)驗(yàn)器材，給學(xué)生耳目一新的體驗(yàn)，學(xué)生親眼目睹器材，也可以了解到器材連線時(shí)應(yīng)該注意的細(xì)節(jié)；第二，放在黑板的左側(cè)部分，不會(huì)影響到本節(jié)課的板書，由于是磁吸式器材，可以自由搭配和取放，如伏安法測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，在黑板上就只需要保留電流表、電壓表、開關(guān)、1節(jié)干電池、導(dǎo)線若干，其他器材可以取下，等到需要用的時(shí)候再放到黑板上；第三，電路實(shí)物連接時(shí)，操作可視化程度高，便于課堂問題的講解，實(shí)現(xiàn)課堂的高效。

圖4 磁吸式電學(xué)演示箱

圖5 實(shí)驗(yàn)器材

圖6 自制磁吸式實(shí)驗(yàn)器材

3.1 伏安法測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻

3.1.1 問題1

同學(xué)們，實(shí)驗(yàn)器材中電阻箱臨時(shí)壞了，只有電流表、電壓表、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)、1節(jié)干電池、導(dǎo)線若干，如圖7所示。那么如何設(shè)計(jì)方案來測(cè)量出電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻呢？

圖7 伏安法實(shí)驗(yàn)器材

3.1.2 問題1設(shè)計(jì)緣由解析

設(shè)計(jì)的問題要具有開放性，從而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，但是又不能開放到讓學(xué)生幾分鐘內(nèi)都摸不到思緒，畢竟高三二模復(fù)習(xí)課堂還要兼顧知識(shí)容量。所以在不影響培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力和學(xué)科核心素養(yǎng)的前提下，問題1中直接指定了實(shí)驗(yàn)器材，沒有讓學(xué)生自己漫無目的地去選擇實(shí)驗(yàn)器材。

3.1.3 設(shè)計(jì)方案

學(xué)生展示交流問題1的設(shè)計(jì)方案(見表3)。

表3 問題1的設(shè)計(jì)方案

3.1.4 教師點(diǎn)評(píng)學(xué)生展示的方案

數(shù)據(jù)處理時(shí)有兩種方案。方案1的計(jì)算法，由于存在計(jì)算量大、結(jié)果繁雜、誤差相對(duì)較大等缺點(diǎn)，所以一般選擇方案2的圖像法。一次函數(shù)是數(shù)學(xué)中最簡單的函數(shù)，其圖像具有直觀、簡潔且解析式易獲取等優(yōu)點(diǎn)。用一次函數(shù)圖像來處理物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方便快捷且誤差較低。所以測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)中，我們優(yōu)先選用一次函數(shù)圖像法來處理數(shù)據(jù)。

3.2 安阻法測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻

3.2.1 問題2

同學(xué)們，剛剛的電阻箱被修好，但是電壓表、滑動(dòng)變阻器又壞了。現(xiàn)在黑板上只有電流表、電阻箱、開關(guān)、1節(jié)干電池、導(dǎo)線若干，如圖8所示。那么同學(xué)們?nèi)绾卫眠@些器材設(shè)計(jì)方案，測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻呢？

圖8 安阻法實(shí)驗(yàn)器材

3.2.2 問題2設(shè)計(jì)緣由解析

有了設(shè)計(jì)方案1的基礎(chǔ)，同學(xué)們需要把所學(xué)的知識(shí)內(nèi)化。在沒有其他人幫忙和小組討論的情況下，要能獨(dú)立完成相關(guān)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)原理方程的書寫、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等必要技能。如果班級(jí)還有個(gè)別同學(xué)方案設(shè)計(jì)存在困難，這時(shí)老師可以單獨(dú)引導(dǎo)。

3.2.3 設(shè)計(jì)方案

學(xué)生展示交流問題2的設(shè)計(jì)方案(見表4)。

表4 問題2的設(shè)計(jì)方案

3.2.4 教師點(diǎn)評(píng)學(xué)生展示的方案

圖函數(shù)圖像

3.3 伏阻法測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻

3.3.1 問題3

剛剛壞掉的電壓表修好了，但是電流表被用壞了。那么同學(xué)們?nèi)绾卫萌鐖D10所示黑板上的實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)方案來測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻呢？

圖10 伏阻法實(shí)驗(yàn)器材

3.3.2 問題3設(shè)計(jì)緣由解析

讓學(xué)生理解探究一個(gè)問題，方案的設(shè)計(jì)具有多樣性，同學(xué)們要以開放的、創(chuàng)新的思維來看待我們生活的問題，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)中的一次函數(shù)圖像在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)的重要性。

3.3.3 設(shè)計(jì)方案

學(xué)生展示交流問題3的設(shè)計(jì)方案(見表5)。

表5 問題3的設(shè)計(jì)方案

3.3.4 教師點(diǎn)評(píng)學(xué)生展示的方案

同學(xué)們腦海中已經(jīng)初步形成實(shí)驗(yàn)探究的基本框架。在問題出現(xiàn)后，學(xué)會(huì)獨(dú)立思考設(shè)計(jì)方案，收集數(shù)據(jù)并靈活地應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)來處理數(shù)據(jù)。在用一次函數(shù)圖像處理數(shù)據(jù)時(shí)，不論是解析式還是圖像都處理得非常棒。相信同學(xué)們?cè)谝院蟮膶?shí)驗(yàn)探究中一定可以靈活地掌握這種用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問題的方法。

4 總結(jié)與反思

2010年、2015年、2018年江蘇高考實(shí)驗(yàn)題的第10題分別用伏安法、安阻法、伏阻法測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻。主要考查：①實(shí)驗(yàn)操作的細(xì)節(jié)，教學(xué)中應(yīng)盡可能讓學(xué)生接觸實(shí)驗(yàn)器材；②應(yīng)用數(shù)學(xué)方法來解決物理問題，即會(huì)靈活應(yīng)用一次函數(shù)圖像法來處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；③誤差分析，在課堂上注重培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

教師在課堂安排上難易度的控制要恰當(dāng)。如果學(xué)生基礎(chǔ)一般，在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，可提示學(xué)生以什么物理量為橫坐標(biāo)，哪一個(gè)物理量為縱坐標(biāo)。這樣學(xué)生把原理方程強(qiáng)行寫成一次函數(shù)解析式時(shí)就有了目標(biāo)。

因?yàn)槭嵌啅?fù)習(xí)，所以學(xué)案上的3個(gè)高考題，可以提前讓學(xué)生完成前兩題。讓學(xué)生了解測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的相關(guān)注意事項(xiàng)，這樣聽課更有目的性。這節(jié)課的主要目的是讓學(xué)生更加深入地理解科學(xué)探究的一般步驟以及應(yīng)用一次函數(shù)圖像法來處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而不是讓學(xué)生做題。