籍金艷 徐立鵬

(北京交通大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100081)

(北京教育學(xué)院 北京 100120)

實(shí)驗(yàn)探究類問(wèn)題的解題思路非常明確，學(xué)生的問(wèn)題也很明顯，主要是分不清自變量、因變量和控制變量，所以在做題時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題.針對(duì)學(xué)生的問(wèn)題，教師需要給學(xué)生搭好臺(tái)階，每一步臺(tái)階都要讓學(xué)生踏踏實(shí)實(shí)掌握，才能幫助學(xué)生順利解決問(wèn)題.“教師在中學(xué)物理教學(xué)中落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)需要具體、有效的途徑.”[1]本文中將會(huì)具體介紹解決實(shí)驗(yàn)探究題的有效途徑.不管哪種類型的實(shí)驗(yàn)探究題，都要從真正理解3個(gè)變量開(kāi)始.“科學(xué)家們通常把原因變量叫做自變量，就是你在實(shí)驗(yàn)中有目的地控制和改變的變量.”“結(jié)果變量叫因變量，就是你在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的變量，因變量的變化依賴于你所改變的變量(自變量)的變化.”“控制變量(又稱無(wú)關(guān)變量)是指在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要保持不變的物理量.”[2]接下來(lái)將分別介紹3種類型的實(shí)驗(yàn)探究題的解題思路.

1 提出可探究的科學(xué)問(wèn)題的解題思路

以2021年北京中考物理試卷第18題為例.

【例1】小麗在中國(guó)科技館“會(huì)發(fā)電的衣服”的展臺(tái)區(qū)，進(jìn)行了如下探究實(shí)驗(yàn)：用腳踩動(dòng)踏步機(jī)踏板，帶動(dòng)發(fā)電纖維抖動(dòng)，LED燈被點(diǎn)亮；增大踩動(dòng)踏板的速度，發(fā)現(xiàn)被點(diǎn)亮的LED燈的數(shù)目增多.請(qǐng)你根據(jù)小麗的實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象，寫出她所探究的問(wèn)題.

“一個(gè)可探究的科學(xué)問(wèn)題可以有不同的陳述方式，常見(jiàn)的陳述方式有下列3種.方式一：某個(gè)變量影響另一個(gè)變量嗎？方式二：如果改變某個(gè)變量，另一個(gè)變量會(huì)怎樣變化？方式三：一個(gè)變量跟另一個(gè)變量有關(guān)嗎？”[3]秦曉文老師的書中已經(jīng)對(duì)這類問(wèn)題講解得非常詳細(xì)了.但實(shí)際上，作為教師，如果僅僅強(qiáng)調(diào)以上3種提問(wèn)方式，學(xué)生可能會(huì)記住形式，但是通常還會(huì)把自變量和因變量弄混淆，或者根本不會(huì)區(qū)分哪個(gè)是自變量，哪個(gè)是因變量.即使對(duì)初二的學(xué)生不斷強(qiáng)調(diào)自變量影響因變量，他們?cè)诰唧w做題時(shí)，還是會(huì)經(jīng)常出錯(cuò).所以，要幫助學(xué)生順利解決這類問(wèn)題，可以分步驟講解.

(1)讓學(xué)生真正理解3個(gè)變量的意義

突出自變量是原因，是要改變的物理量，這種改變是人為的、主觀的改變.因變量是結(jié)果，是由自變量的變化引起的，這個(gè)結(jié)果量是要通過(guò)測(cè)量來(lái)比較的，要不斷跟學(xué)生強(qiáng)調(diào)其中的邏輯關(guān)系.“概念規(guī)律革新過(guò)程中大量的事例能夠生動(dòng)說(shuō)明模型建構(gòu)、邏輯推理、解釋論證等科學(xué)思維特質(zhì)，教學(xué)時(shí)可結(jié)合概念規(guī)律的革新過(guò)程使學(xué)生提升科學(xué)思維.”[4]所以，還需要多舉一些例子讓學(xué)生明白這種邏輯關(guān)系.我們經(jīng)常舉的例子就是：“小明的心情與天氣有關(guān)”，或“天氣越好，小明的心情越好”.沒(méi)有人會(huì)說(shuō)：“天氣與小明的心情有關(guān)” ，在這一例子中，顯然天氣是原因，小明的心情是結(jié)果.可能這個(gè)例子不是很恰當(dāng)，但是可以幫助學(xué)生迅速明白其中的邏輯關(guān)系.這樣，學(xué)生對(duì)于自變量和因變量的認(rèn)知就會(huì)深入一些.在具體問(wèn)題的解決中還需要一再?gòu)?qiáng)調(diào)原因變量是誰(shuí)，結(jié)果變量是誰(shuí)，不斷給學(xué)生強(qiáng)化這種邏輯關(guān)系.還可以告訴學(xué)生：“改變”的那個(gè)量就是自變量，“改變”體現(xiàn)在題中通常是“改變”“增大”“減小”等字眼.這樣學(xué)生通過(guò)讀題，就能迅速發(fā)現(xiàn)“踩動(dòng)踏板的速度”是原因，是自變量；“點(diǎn)亮的LED燈的數(shù)目”是結(jié)果，是因變量.還可以找到題中“增大踩動(dòng)踏板的速度”這個(gè)信息，迅速定位“增大”后邊的量 “踩動(dòng)踏板的速度”是自變量，因變量就是“被點(diǎn)亮的LED燈的數(shù)目”.

(2)轉(zhuǎn)變提問(wèn)形式

3種提問(wèn)形式分別轉(zhuǎn)變?yōu)椋孩僮宰兞坑绊懸蜃兞繂?？②如果改變自變量，因變量?huì)怎樣變化？③因變量跟自變量有關(guān)嗎？

(3)根據(jù)找到的自變量和因變量，套進(jìn)3種提問(wèn)方式即可

上述可探究的科學(xué)問(wèn)題可以有3種問(wèn)法：①踩動(dòng)踏板的速度影響被點(diǎn)亮的LED燈的數(shù)目嗎？②如果改變踩動(dòng)踏板的速度，被點(diǎn)亮的LED燈的數(shù)目會(huì)改變嗎？③被點(diǎn)亮的LED燈的數(shù)目跟踩動(dòng)踏板的速度有關(guān)嗎？

對(duì)于初中的學(xué)生而言，教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生在識(shí)別以上不同提問(wèn)方式的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)落實(shí)第3種提問(wèn)的方式.如果沒(méi)有側(cè)重，落實(shí)各種方式的表述，容易引起學(xué)生的思維或表達(dá)混亂.在日常教學(xué)中，我們反復(fù)給學(xué)生強(qiáng)化以上解題思路，使學(xué)生更容易分清楚自變量和因變量的區(qū)別以及準(zhǔn)確提出可探究的科學(xué)問(wèn)題.

2 評(píng)估類實(shí)驗(yàn)解題思路

2.1 例題展示

以2021年北京中考物理試卷第22題為例.

【例2】小圓想探究通過(guò)導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體的電阻之間的關(guān)系，他利用干電池、電流表、電壓表、多個(gè)阻值不同且已知的定值電阻、開(kāi)關(guān)及導(dǎo)線，設(shè)計(jì)了如圖1所示的電路.實(shí)驗(yàn)中，他將定值電阻R接入電路中，讀出相應(yīng)的電流表的示數(shù)并觀察電壓表的示數(shù)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).將R換為不同阻值的另一個(gè)電阻后，小圓觀察到電壓表的示數(shù)增大了.小圓意識(shí)到自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不能實(shí)現(xiàn)探究目的.

圖1 探究I與R關(guān)系的電路圖

(1)請(qǐng)你寫出小圓的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不能實(shí)現(xiàn)探究目的的原因：____________；

(2)請(qǐng)你畫出能夠?qū)崿F(xiàn)探究目的的電路圖(可以添加適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)器材)；

(3)依據(jù)你設(shè)計(jì)的電路圖，針對(duì)小圓不能實(shí)現(xiàn)探究目的的原因，寫出操作的方法.

2.2 解題思路

(1)明確探究問(wèn)題

本題中探究的是通過(guò)導(dǎo)體的電流I與導(dǎo)體的電阻R的關(guān)系.

(2)確定3個(gè)變量

在探究問(wèn)題中，明確尋找自變量、因變量的一般方法.探究A與B的關(guān)系時(shí)，A是因變量，B是自變量.也可以認(rèn)為“與”字后邊是自變量，“與”字前邊是因變量.本題中自變量為電阻R，即實(shí)驗(yàn)中要改變的物理量.如何改變呢？——換不同阻值的電阻.因變量為電流I，可能會(huì)隨著自變量的改變而改變(電流表測(cè)量).控制變量為電阻兩端的電壓U，是實(shí)驗(yàn)中需要控制不變的物理量.如何控制不變？——用電壓恒定的電源或調(diào)節(jié)與之串聯(lián)的滑動(dòng)變阻器.

(3)結(jié)合3個(gè)變量的特點(diǎn)去題中找對(duì)應(yīng)的信息

通常評(píng)估類實(shí)驗(yàn)問(wèn)題出在兩方面：①該改變的自變量沒(méi)有改變；②該控制的控制變量沒(méi)有控制不變.再結(jié)合各變量的特點(diǎn)去找對(duì)應(yīng)信息.具體分析如下.

自變量R是否改變.題中明確指出“將R換為不同阻值的另一個(gè)電阻”，所以，自變量改變了，正確.找到問(wèn)題之后，剩下的問(wèn)題就迎刃而解了.

控制變量為電壓U，是否控制不變.本次中并沒(méi)有強(qiáng)調(diào)恒壓電源，干電池的電壓是會(huì)改變的，所以問(wèn)題就找到了.小圓的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不能實(shí)現(xiàn)探究目的的原因就是：沒(méi)有控制電阻兩端電壓不變.

2.3 例2答案

2.1中例2答案為：

(1)不能控制電阻兩端的電壓不變；

(2)畫出電路圖如圖2所示.

圖2 設(shè)計(jì)正確的電路圖

(3)更換不同阻值的電阻后，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片P，使電壓表的示數(shù)與上次示數(shù)相等.

評(píng)估類實(shí)驗(yàn)要跟學(xué)生強(qiáng)調(diào)從兩個(gè)方面來(lái)考慮：自變量是否改變和控制變量是否控制不變，通常存在的問(wèn)題都在這里.所以還是要不斷地跟學(xué)生強(qiáng)化自變量和因變量的區(qū)分，只有讓學(xué)生從根本上理解這些變量的特點(diǎn)，才能幫助他們熟練解決問(wèn)題.在學(xué)生掌握了解題方法后，再給他們提供對(duì)應(yīng)的題型多加練習(xí)，慢慢就能讓學(xué)生熟練掌握.

3 設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)解題思路

3.1 設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)例題展示

對(duì)于設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)題，我們通常會(huì)給學(xué)生搭臺(tái)階，從填寫關(guān)鍵步驟，逐步過(guò)渡到學(xué)生自主完成所有實(shí)驗(yàn)步驟，一步步引導(dǎo)學(xué)生按照正確的解題思路思考問(wèn)題和解決問(wèn)題.具體設(shè)計(jì)如下.

【例3】實(shí)驗(yàn)桌上有如下器材：符合實(shí)驗(yàn)要求的電源一個(gè)、電流表和電壓表各一只、滑動(dòng)變阻器一個(gè)、阻值已知的定值電阻一個(gè)、開(kāi)關(guān)一個(gè)、導(dǎo)線若干.請(qǐng)選用上述器材，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明：“當(dāng)電阻保持不變時(shí)，該電阻消耗的電功率與通過(guò)該電阻電流的平方成正比.”

(1)請(qǐng)?jiān)谔摼€框內(nèi)畫出實(shí)驗(yàn)電路圖.

(2)將實(shí)驗(yàn)步驟補(bǔ)充完整.

①將電壓表、電流表________，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S，按________，將滑動(dòng)變阻器滑片調(diào)至阻值______位置.

②閉合開(kāi)關(guān)S，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片到適當(dāng)位置，用電壓表、電流表分別測(cè)出定值電阻兩端的電壓U和通過(guò)該電阻的電流I，將U和I的數(shù)據(jù)記錄在表格中；

③________________________

④仿照步驟③再做4次實(shí)驗(yàn)，每次改變滑動(dòng)變阻器滑片P的位置，用電壓表、電流表分別測(cè)出定值電阻兩端的電壓U和通過(guò)該電阻的電流I，將U和I的數(shù)據(jù)記錄在表格中；

⑤計(jì)算出各次電流的平方值________，利用公式________分別計(jì)算出定值電阻消耗的功率P，將I2和P的數(shù)據(jù)記錄在表格中.

(3)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格.

3.2 解題思路

(1)明確探究問(wèn)題

當(dāng)電阻R保持不變時(shí)，該電阻消耗的電功率P與通過(guò)該電阻電流的平方I2成正比.在這里可以要求學(xué)生把對(duì)應(yīng)的物理量符號(hào)寫出來(lái)，更加簡(jiǎn)潔明了.

(2)確定3個(gè)變量

自變量(“與”字后邊的物理量)：電流的平方I2(電流表測(cè)量I，再計(jì)算得到I2)；因變量：電功率P(根據(jù)P=UI得到，需要用電壓表和電流表分別測(cè)出U和I)；控制變量：電阻R(用定值電阻R0)結(jié)合以上分析，明確電路圖如圖3所示.

圖3 探究P與I2關(guān)系的電路圖

(3)具體分析

自變量電流的平方I2要改變，控制變量電阻R又不能改變，所以要通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來(lái)改變電流I，從而改變自變量I2.實(shí)驗(yàn)步驟中要體現(xiàn)出來(lái).

3.3 例3答案

(1)實(shí)驗(yàn)電路圖如圖3所示;

(2) 實(shí)驗(yàn)步驟.①調(diào)零；電路圖連接電路;最大.②將所測(cè)U和I填入表格中.③調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片到另一位置，用電壓表、電流表分別測(cè)出定值電阻兩端的電壓U和通過(guò)該電阻的電流I，將U和I的數(shù)據(jù)記錄在表格中.④仿照步驟③再做4次測(cè)量，每次改變滑片位置.⑤I2；P=UI;

(3)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表格如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

老師帶領(lǐng)學(xué)生完成第一題后，可以讓學(xué)生參照以上做題步驟，自主完成以下題目.

【例4】小夢(mèng)在初三總復(fù)習(xí)時(shí)認(rèn)識(shí)到，水吸收的熱量可以定量測(cè)量了，于是她想重新設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明，水吸收熱量的多少與水升高的溫度有關(guān).圖4是小夢(mèng)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的電路，其中保溫杯中裝有質(zhì)量一定的水、阻值為5 Ω的電阻絲R和數(shù)字溫度計(jì)的測(cè)溫探頭，請(qǐng)利用該電路及秒表，幫助小夢(mèng)完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).請(qǐng)你寫出主要實(shí)驗(yàn)步驟，做出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表.

(1)明確探究問(wèn)題.

(2)確定3個(gè)變量.

自變量：

因變量：

控制變量：

圖4 探究 Q吸與ΔT關(guān)系的實(shí)物圖

學(xué)生經(jīng)過(guò)分析很快就能確定探究問(wèn)題為“水吸收熱量的多少Q(mào)吸與水升高的溫度ΔT有關(guān)”，接著確定3個(gè)變量：自變量為水升高的溫度ΔT，怎么得到呢？要用兩次溫度計(jì)示數(shù)的差值表示，所以還需要測(cè)量初溫T初和末溫T末；因變量為水吸收熱量的多少Q(mào)吸，怎么測(cè)量呢？沒(méi)辦法直接測(cè)量，所以轉(zhuǎn)換為電阻絲產(chǎn)生電熱的多少Q(mào)放，而電熱Q放同樣沒(méi)辦法直接測(cè)量，根據(jù)公式Q放=I2Rt，保證電流和電阻不變，就可以繼續(xù)轉(zhuǎn)換為加熱時(shí)間t的長(zhǎng)短，具體分析思路如下：

電熱Q放←Q吸與ΔT有關(guān)

↓ ↓

Q放=I2RtΔT=T末-T初

分析后就很容易得到答案：

①閉合開(kāi)關(guān)，測(cè)出電流I，并記錄R和I的數(shù)據(jù).

②設(shè)定水的初溫T初為26.0 ℃，并記錄.當(dāng)溫度計(jì)示數(shù)為26.0 ℃時(shí)，啟動(dòng)秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)水溫分別達(dá)到28.0 ℃,30.0 ℃時(shí)，分別記錄水的溫度T末及相應(yīng)的加熱時(shí)間t.利用ΔT=T末-T初計(jì)算水升高的溫度ΔT，并記錄.

③利用Q吸=Q放=I2Rt計(jì)算水吸收的熱量Q吸，并記錄.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表如表2 所示.

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

綜上所述，幾乎所有的探究實(shí)驗(yàn)類問(wèn)題都可以通過(guò)分析探究問(wèn)題、找準(zhǔn)3個(gè)變量、具體分析從而解決問(wèn)題.解題的思路非常清晰，但是要學(xué)生迅速理解并掌握，還需要教師不斷地解釋3個(gè)變量的特點(diǎn)，反復(fù)地訓(xùn)練學(xué)生識(shí)別3個(gè)變量，提供明確的解題思路，并且需要學(xué)生進(jìn)行大量的練習(xí)才能熟練掌握.這種教學(xué)方法也符合物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的教學(xué)中心任務(wù).由“懂”到“會(huì)”到“熟”,最后到“巧”，分別對(duì)應(yīng)著“表象思維”“機(jī)械思維”“抽象思維”和“創(chuàng)造思維”[5].從而幫助學(xué)生一步步攀登更高的階梯，最終順利解決對(duì)應(yīng)的問(wèn)題.