李安發(fā)

(廣東省廣州市花都區(qū)秀雅學(xué)校,廣東 廣州 510800)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生在接受物理教育的過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的關(guān)鍵能力和必備品格，主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面構(gòu)成。培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)是當(dāng)下物理教學(xué)的使命和行動(dòng)準(zhǔn)則，物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要方式，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該在體現(xiàn)物理觀念的基礎(chǔ)上，發(fā)展學(xué)生的推理和論證等思維能力，使學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)猜想和探究、得出科學(xué)結(jié)論且能應(yīng)用于解決實(shí)際問題，還要在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任。筆者以“探究影響電阻大小的因素”的教學(xué)為例，探討在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的策略。

1 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生猜想的靈感

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》指出：科學(xué)探究涉及提出科學(xué)問題、猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、分析與論證、評(píng)估、交流與合作等要素。實(shí)驗(yàn)探究的第一環(huán)節(jié)就是提出科學(xué)問題，形成合理猜想。學(xué)生的猜想不是無花之果，無本之木，學(xué)生猜想的靈感主要源于實(shí)驗(yàn)等。在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究前，教師要設(shè)計(jì)新穎的引導(dǎo)方案，吸引學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，通過操作體驗(yàn)和現(xiàn)象觀察，讓學(xué)生進(jìn)行合理猜想。在“探究影響電阻大小的因素”的實(shí)驗(yàn)中，為了讓學(xué)生對(duì)影響電阻大小的因素做出科學(xué)合理的猜想，筆者設(shè)計(jì)了新穎的石墨電路。如圖1所示，在白紙上用鉛筆畫兩段導(dǎo)線，代替金屬導(dǎo)線接入電路，接上電源和LED燈，讓學(xué)生試試看，這個(gè)畫出來的電路是否也能讓LED燈發(fā)光。這對(duì)學(xué)生來說是一個(gè)新奇的嘗試，學(xué)生都躍躍欲試。

圖1

教師把電路圖貼在黑板上，讓學(xué)生從身邊找物品把兩段石墨線條連起來。有的學(xué)生用塑料尺、鉛筆的木頭外殼、扎頭發(fā)的橡皮筋接上去，結(jié)果燈不亮；有的學(xué)生用鑰匙、圓規(guī)接上去，結(jié)果燈亮了；還有學(xué)生把自己接入電路中，用兩個(gè)手指分別把兩段電路連接來(圖2)，燈也亮了。看到他把自己接入電路讓燈發(fā)光了，同學(xué)們都很興奮，表示要上來試一試。一會(huì)兒就上來了十幾個(gè)學(xué)生，老師建議同學(xué)們手拉手一起來實(shí)驗(yàn)，結(jié)果燈也亮了，但比單獨(dú)一個(gè)人的時(shí)候要暗。

圖2

實(shí)驗(yàn)證明畫出來的石墨線條也能導(dǎo)電，既然畫出來的石墨線條能導(dǎo)電，那不如直接用鉛筆畫線，把兩段電路連起來，看看燈亮不亮。然后教師在兩段石墨線條之間用鉛筆畫了一根線，電路連起來了，燈卻不見發(fā)光。怎么辦呢？有學(xué)生提醒老師，繼續(xù)畫。于是老師又用鉛筆把線越畫越粗，這時(shí)燈逐漸亮起來(圖3)。

圖3

實(shí)驗(yàn)把學(xué)生猜想的靈感激發(fā)起來了，學(xué)生分析道：(1)用塑料尺、鉛筆木殼、橡皮筋等連入電路，燈不亮，說明它們的電阻大；用鑰匙、圓規(guī)、人體把電路連起來，燈亮了，說明它們的電阻較小。這些現(xiàn)象說明：電阻的大小可能跟接入的材料有關(guān)。(2)多人手拉手接入電路也能讓燈發(fā)光，但燈的亮度比一個(gè)人接入電路時(shí)要弱些，說明電阻大小可能與導(dǎo)體的長(zhǎng)度有關(guān)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，電阻越大。(3)老師在用鉛筆畫線連接電路時(shí)，只畫一根線的時(shí)候，雖然電路連起來了，但燈不亮，說明此時(shí)電阻較大，當(dāng)導(dǎo)線越畫越粗，燈逐漸亮起來了，說明電阻逐漸變小了，猜想電阻可能與導(dǎo)體的橫截面積有關(guān)。這樣，學(xué)生就根據(jù)親身參與的實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)，提出了合理的猜想。接下來，要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)這些猜想進(jìn)行驗(yàn)證。

2 掌握科學(xué)方法，開展實(shí)驗(yàn)探究

在組織學(xué)生開展探究實(shí)驗(yàn)時(shí)要注重實(shí)驗(yàn)方法的運(yùn)用，關(guān)于影響電阻大小的因素有多個(gè)猜想，要學(xué)會(huì)運(yùn)用控制變量法。在實(shí)驗(yàn)中，只有想要探究的那個(gè)因素需要改變，其他因素都應(yīng)保持不變。如要探究電阻與長(zhǎng)度的關(guān)系，就應(yīng)選兩根材料都是鎳鉻合金的導(dǎo)線，其橫截面積也要相同。

在實(shí)驗(yàn)中，除了用到控制變量法，還需要運(yùn)用轉(zhuǎn)換法。電阻是一種抽象的概念，我們要用與電阻有關(guān)的現(xiàn)象來反映電阻大小的變化，比如我們可以用燈泡的亮度來反映，當(dāng)所加電壓一定時(shí)，燈越亮說明電阻越小，當(dāng)燈的亮度變化用肉眼難以察覺時(shí)，我們還可以用電流表來測(cè)量電路的電流，用電流的大小變化來反映電阻的變化。控制變量法和轉(zhuǎn)換法是物理實(shí)驗(yàn)中常用的方法，本實(shí)驗(yàn)很好地運(yùn)用和鞏固了這些方法。

3 創(chuàng)設(shè)合理的問題情境，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力

科學(xué)論證是科學(xué)思維的要素之一，在實(shí)驗(yàn)探究中必須要注重學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)，在得出結(jié)論之后，教師可以創(chuàng)設(shè)合理的問題情境，為學(xué)生的思維搭建平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力。本實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生正確得出了影響電阻大小的因素，教師可提出如下問題：(1)兩個(gè)電阻串聯(lián)后的總電阻比原來的每個(gè)電阻都大，還是都小，或是介于兩者之間？你如何解釋？(2)兩個(gè)電阻并聯(lián)后的總電阻比原來的每個(gè)電阻都大，還是都小，或是介于兩者之間？你如何解釋？

可以引導(dǎo)學(xué)生通過畫圖的方式，將等效電阻畫出來。電阻串聯(lián)本質(zhì)上就是導(dǎo)體的長(zhǎng)度變長(zhǎng)，所以總電阻比任何一個(gè)分電阻都要大；電阻并聯(lián)本質(zhì)上就是導(dǎo)體的橫截面積變大，所以總電阻比任何一個(gè)分電阻都要小。

4 創(chuàng)設(shè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力

為了探究金屬電阻與溫度的關(guān)系，教師把從日光燈上取下的燈絲與小燈泡、電流表串聯(lián)在電路中(圖4)，用打火機(jī)加熱金屬燈絲，隨著燈絲的溫度升高，與該燈絲串聯(lián)的小燈泡逐漸變暗，說明燈絲溫度越高，電阻越大。為了探究溫度降低時(shí)電阻的變化，先連接電路，此時(shí)燈比較暗，然后將電阻絲放入極低溫的液氮中，與燈絲串聯(lián)的另一燈泡變得非常明亮(圖5)，這說明燈絲溫度越低，電阻越小。引導(dǎo)學(xué)生推理：當(dāng)溫度繼續(xù)降低，燈絲的電阻也將繼續(xù)變小，當(dāng)溫度降到某一足夠低的溫度時(shí)，導(dǎo)體的電阻將變?yōu)榱?。我們把低溫下?dǎo)體電阻為零的現(xiàn)象叫超導(dǎo)現(xiàn)象，將電阻為零的導(dǎo)體叫做超導(dǎo)體。學(xué)生在被精彩的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象震撼的同時(shí)，科學(xué)推理能力也得到了升華，而且很自然地引出了超導(dǎo)現(xiàn)象和超導(dǎo)體的概念，水到渠成。

圖4

圖5

5 運(yùn)用實(shí)驗(yàn)培育學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，既承載了構(gòu)建物理觀念的功能，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的重要途徑，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要適時(shí)、合理地推進(jìn)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感的形成。比如在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，針對(duì)超導(dǎo)體的內(nèi)容，可以介紹其重要的科學(xué)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)還要說明：目前的超導(dǎo)現(xiàn)象都是發(fā)生在極低的溫度下，實(shí)際應(yīng)用尚不成熟，如果能制造出常溫超導(dǎo)體，其應(yīng)用價(jià)值將無與倫比。例如把超導(dǎo)體應(yīng)用在輸電導(dǎo)線中，可以避免由于導(dǎo)線發(fā)熱而造成的電能損失；把超導(dǎo)體用在手機(jī)、電腦等電器中，將沒有發(fā)熱現(xiàn)象，會(huì)延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命。常溫下的超導(dǎo)體的研究有賴于同學(xué)們的努力，希望大家以后在這些方面取得突破，為社會(huì)、為國家、為人類造福。