吳 政

(1. 江蘇省昆山震川高級中學(xué),江蘇 昆山 215300； 2. 江蘇省昆山陸家高級中學(xué)，江蘇 昆山 215300)

1 實驗異常與核心素養(yǎng)

在學(xué)生探究實驗中,有時會出現(xiàn)與一些與預(yù)設(shè)不同甚至相反的實驗現(xiàn)象,尤其是排除了偶然因素,分析了各種系統(tǒng)誤差之后,還是得出相反的結(jié)論,本文將這種現(xiàn)象稱為實驗異常．此時如果教師不加以科學(xué)引導(dǎo),積極鼓勵,適當(dāng)幫助,一方面,可能會讓學(xué)生產(chǎn)生失敗感,失去學(xué)習(xí)的自信;另一方面,對實驗在科學(xué)探究中所起的作用會產(chǎn)生懷疑,進(jìn)而不相信實驗或者失去做實驗的興趣．

其實,實驗異?，F(xiàn)象是學(xué)生在實驗中探究所得,是真實體驗,是一次寶貴的實踐體會,也是激發(fā)興趣的一個機(jī)會,更是培養(yǎng)學(xué)生真正實驗探究能力的一個契機(jī)．2017版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的中心是凝練學(xué)科核心素養(yǎng),它包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個方面．物理是實驗學(xué)科,實驗對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)所起的作用是非常關(guān)鍵的,課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出,我們在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究方面要達(dá)到的目標(biāo)是:“具有使用科學(xué)證據(jù)的意識和評估科學(xué)證據(jù)的能力,能運(yùn)用證據(jù)對研究的問題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測;具有評判性思維的意識,能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑,從不同角度思考問題,追求科技創(chuàng)新．”[1]在科學(xué)態(tài)度與責(zé)任方面要達(dá)到的目標(biāo)是:“逐漸形成探索自然的內(nèi)在動力,嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度．”因此,當(dāng)有違常理的實驗現(xiàn)象出現(xiàn)時,我們要引導(dǎo)學(xué)生去思考與分析:發(fā)生的現(xiàn)象是不是實驗異常?發(fā)生的原因是什么?怎樣糾正或改善?在探究的過程中,伴隨著這些問題的解決,學(xué)生的實驗?zāi)芰玫秸嬲奶岣?科學(xué)素養(yǎng)自然而然生成．下面以2個實驗異常案例為例來加以闡述．

2 實驗異常二例

2.1 色環(huán)定值電阻測量

如圖1是我校實驗室用市售色環(huán)金屬膜電阻(5 W)自制的定值電阻,以下是一個學(xué)習(xí)小組(4人)的測量探究過程．

(1) 不知阻值的大約值,故電流表接法用試觸法:由于高中階段對色環(huán)阻值讀數(shù)方法不作要求,故師生均不了解具體阻值是多少,故在電流表內(nèi)接與外接的選擇時,學(xué)生討論用圖2所示的試觸法,發(fā)現(xiàn)電壓表讀數(shù)變化比電流表讀數(shù)變化大,判斷為一個較小電阻,故用電流表外接法,測得數(shù)據(jù)如表:

圖1

表1

根據(jù)數(shù)據(jù)作出U-I圖線(略)并由圖線斜率求出R=31 Ω．根據(jù)電流表外接法的性質(zhì),學(xué)生在誤差分析時理所當(dāng)然地認(rèn)為該測量值偏小,教師也認(rèn)為實驗探究基本完成．

(2) 學(xué)生“較真”讀色環(huán)值,實驗結(jié)論現(xiàn)異常:有一個學(xué)生出于好奇,上網(wǎng)查找了色環(huán)電阻阻值讀數(shù)方法,該電阻為四色環(huán)電阻,第一環(huán)紅色表示2,第二環(huán)紫色表示7,第三環(huán)黑色表示乘以10的零次方(黑表示0),第四環(huán)金色表示誤差僅為5%,故阻值為27 Ω.上面的測量值偏大!根據(jù)外接法的系統(tǒng)誤差分析,只會偏小不會偏大,如果給出電壓表內(nèi)阻求真實值,只會比其更大．再次實驗數(shù)據(jù)依然差不多,這樣就帶來了實驗異常．

圖3

(3) 發(fā)動討論究原因,“誤差”來自接觸電阻:既然出現(xiàn)了異常,教師就讓他們討論尋找,開始大家還是歸結(jié)為是實驗誤差(主要是實在找不到原因),但矛盾擺在那,講不通．反復(fù)檢查線路與器材,一個學(xué)生無意中將裝色環(huán)電阻底座給碰翻了個身,發(fā)現(xiàn)固定電阻的螺絲雖然絲毫未松動,但螺母處銹濁不堪(圖3),懷疑接觸不良造成數(shù)據(jù)偏大．果斷拆下螺母,用砂紙打磨清潔,重新測量數(shù)據(jù)如下(教師過后指出第一組數(shù)據(jù)略超額定功率):

表2 數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)作出U-I圖線,并由圖線斜率求出R=26 Ω,略偏小,實驗結(jié)論正常了．

(4) 探究后的收獲: ① 實驗后學(xué)生認(rèn)識到這是接觸不良,是故障而不是誤差．雖然接觸不良的原理很簡單同學(xué)也容易理解,但在實際應(yīng)用中接觸不良是電路中非常常見但又很不易判斷的一種故障．本探究過程有很好的實踐意義,鍛煉了學(xué)生的電路分析能力和操作能力．② 有些學(xué)生通過這次實驗,開始有了質(zhì)疑與思考的習(xí)慣．比如后來就有學(xué)生就提出,如果這是一個大阻值電阻,采用電流表內(nèi)接法,測量值本來就偏大,即使有接觸不良情況,也被掩蓋了,所以碰到誤差很大時一定要考慮其它故障的可能性；③ 物理實驗要實事求是,不能都以“誤差”二字來搪塞,每一個異常背后往往都有不易發(fā)現(xiàn)的原因,只有通過嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的排查分析,才能真正找到異常的原因,這樣才是真正的科學(xué)探究．

2.2 探究平行板電容器電容大小影響因素

圖4

如同4是教材上的探究平行板電容器電容大小影響因素的演示實驗裝置圖．我校把它改成了課前分組探究實驗(每組6人在科技活動課上開展預(yù)習(xí)性探究),以下是一組的探究過程．

(1) 板間距離隨意變化,發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)論異常．在首先探究電容大小C與板間距離d的關(guān)系時就發(fā)生了矛盾,由于實驗前教師并沒有強(qiáng)調(diào)間距d的取值限制,手握活動板的同學(xué)一開始就把d取得較大,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著d的增大,電勢差計的張角反而減小,再不斷拉大,張角變成幾乎恒定不動．無奈之下,只好向教師求助,老師建議他們上網(wǎng)查找相關(guān)的知識．

圖5

(3) 嘗試改進(jìn)實驗．查找網(wǎng)上該實驗的改進(jìn)資料,發(fā)現(xiàn)大多用亞克力或有機(jī)玻璃板做帶槽方形支架,采用平行板插入不同槽的辦法來改變間距[3],制作比較復(fù)雜,且由于實驗中由于d取值很小(不超過3 cm),抽出板時易觸碰另一板而造成短路放電．有沒有簡單易行的方法?經(jīng)過討論分析,大家找來一段水電工用的PPR(無規(guī)共聚聚丙烯)6分管(內(nèi)徑16 mm),水平夾持在鐵架臺上(如圖5),將要移動平板的中央絕緣桿套入PPR管中(視松緊程度可適當(dāng)纏幾層透明膠帶),將另一平板也固定于另一鐵架臺上,調(diào)整鐵架臺位置,使PPR管充當(dāng)限位作用,使二板在移動時的間距不超過3 cm．實驗時為防止二板觸碰短路,可在右板邊緣分散滴幾滴石蠟．如此改進(jìn)以后,實驗取得了正常的效果．

(4) 探究后的收獲:實驗后學(xué)生對電容器的外形有了進(jìn)一步的認(rèn)識,認(rèn)識到除了平行板電容器,生活中還有許許多多不同形式的電容器(兩根導(dǎo)線間的電容、驗電器的電容);意識到許多定性的分析也需要定量的物理規(guī)律來支撐,反映了物理探究的復(fù)雜性;對教材實驗裝置進(jìn)行了改進(jìn),效果良好,學(xué)生有一種小小的成功感．

3 幾點思考

3.1 實驗異常時的建議

(1) 珍惜異常．每一次的實驗異常,都是學(xué)生探究中的真實經(jīng)歷,是一次寶貴的能力鍛煉與生成機(jī)會,不要因為影響正常教學(xué)計劃、浪費(fèi)時間而人為忽略,或者以誤差為由一帶而過,要珍惜“異?！睅淼慕虒W(xué)契機(jī),實在時間有限,可以安排適當(dāng)?shù)恼n外探究來完成．

(2) 教師的順勢引導(dǎo)．由于學(xué)生的認(rèn)知局限,當(dāng)出現(xiàn)實驗異常時,以學(xué)生的知識與能力可能無法完成探究任務(wù),這時教師就要有所引導(dǎo),既不包辦,也不漫無目的地放任自究,適當(dāng)指點方向,再自我完成．

(3) 倡導(dǎo)學(xué)生間的合作探究．小組合作形式的實驗方式有助于學(xué)生間的互動討論與取長補(bǔ)短,尤其在碰到異常情況時,可以充分發(fā)揮學(xué)生的個性特長,有的擅長動手制作,有的擅長資料查找與分析,合作探究大大增加了實驗成功的可能性．

3.2 開展實驗異常探究的意義

(1) 有利于培養(yǎng)質(zhì)疑與創(chuàng)新精神．雖然中學(xué)里的實驗異常現(xiàn)象一般都不太復(fù)雜,其背后也不會蘊(yùn)含太高深的理論,相應(yīng)的實驗改進(jìn)也都基于簡單方便的原則,符合中學(xué)生的認(rèn)知水平．但重視實驗異常,并開展對實驗異常的探究,有利于培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑習(xí)慣與批判精神,更可以為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)打下良好的基礎(chǔ)．

(2) 實驗異常探究是核心素養(yǎng)培養(yǎng)的有效途徑．物理學(xué)科是實驗學(xué)科,在高中階段,實驗探究又是科學(xué)探究的主要形式之一,雖然它只是物理學(xué)科核心素養(yǎng)4個方面中的一個,但實驗探究離不開物理觀念的正確運(yùn)用,也離不開科學(xué)的思維與分析,離不開科學(xué)觀的培養(yǎng),所以它與另外3個素養(yǎng)的關(guān)系不是各自獨立的,而是相互交融與關(guān)聯(lián)的．實驗異常探究的過程,就是生成實驗?zāi)芰?形成科學(xué)思維與科學(xué)觀的過程．從這個意義上來說,實驗異常的探究,就是核心素養(yǎng)培養(yǎng)的一個有效途徑．

3.3 品質(zhì)的培養(yǎng)是無痕的

核心素養(yǎng)是由關(guān)鍵能力與優(yōu)秀品質(zhì)二個方面構(gòu)成的．物理是一門自然學(xué)科,相較于人文學(xué)科,在核心素養(yǎng)的培養(yǎng)中,是不是需要專門強(qiáng)調(diào)品質(zhì)教育呢?筆者認(rèn)為,大部分情況下物理學(xué)科的品質(zhì)教育是有機(jī)融合在能力培養(yǎng)過程中的,無需專門大講特講．如在實驗探究中,品質(zhì)教育是融合在實驗關(guān)鍵能力培養(yǎng)過程中的,不是刻意單獨進(jìn)行的,它與能力的培養(yǎng)是相伴相生的,或者說,一次實驗探究過程正是一次無痕的品質(zhì)培養(yǎng)過程(品質(zhì)是無痕生成的)．比如實驗結(jié)論來自于真實的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象(不能造假),來自于細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程,對誤差要分析來源,出現(xiàn)異常時要尋找原因,不輕信盲從,不輕易放棄,要勇于質(zhì)疑,敢于創(chuàng)新等等,這些就是正確的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神、科學(xué)責(zé)任,就是我們所要培養(yǎng)的優(yōu)秀品質(zhì)．因此,實驗探究中關(guān)鍵能力的生成,標(biāo)志著核心素養(yǎng)的養(yǎng)成．