關(guān)健波，張菊艷

(1.昆明市第十四中學(xué)，云南 昆明 650106；2.石林彝族自治縣第一中學(xué)，云南 鹿阜 652200)

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)習(xí)而逐漸形成的正確觀念、必備品格和關(guān)鍵能力. 物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括4個(gè)方面[1]：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任與態(tài)度. 測(cè)定電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻是高中物理中重要的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)核心素養(yǎng)的養(yǎng)成具有非常重要的作用. 經(jīng)過統(tǒng)計(jì)和分析[2-9],發(fā)現(xiàn)大部分的研究以誤差分析展開，忽略了實(shí)驗(yàn)本身的價(jià)值和意義. 本文將從實(shí)驗(yàn)的基本原理出發(fā)，從核心素養(yǎng)的角度談?wù)勗趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中的一些思考.

1 從生活情景中建立物理觀念

物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)，是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉和升華，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)[1]. 從生活情景出發(fā)能更好地讓學(xué)生融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，拉近物理實(shí)驗(yàn)與生活實(shí)際的距離，幫助學(xué)生建立物理觀念，奠定從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ).

例如考慮為什么要測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，通過圖1的方案模擬生活情境，讓學(xué)生思考：為什么傍晚用電高峰燈光發(fā)暗，夜深人靜時(shí)燈光特別明亮？教師演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)開關(guān)閉合越多電壓表示數(shù)越小，該事例引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲.

圖1 模擬生活情境的電路圖

通過以上生活情景的引入，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有了基本的認(rèn)識(shí)，在頭腦中初步形成結(jié)論，同時(shí)也為測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ).

2 在實(shí)驗(yàn)原理的指引下培養(yǎng)科學(xué)思維

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象過程，是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用，是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，從而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格[1]. 在設(shè)計(jì)測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，從電壓表和電流表內(nèi)阻是確定值、估計(jì)值、未知值角度，可較好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.

通過圖1的方案，學(xué)生已經(jīng)具備閉合開關(guān)越多電壓表示數(shù)越小的觀念，同時(shí)也知道測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的必要性. 根據(jù)閉合電路的歐姆定律，學(xué)生很容易理解測(cè)量的原理. 這時(shí)可以設(shè)置小組討論：根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，畫出電路圖，目的是讓學(xué)生經(jīng)歷基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程，培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)模型的能力.

通過小組討論，學(xué)生可能設(shè)計(jì)出多種實(shí)驗(yàn)方案，例如：伏安法電流表外接(見圖2)、伏安法電流表內(nèi)接(見圖3)、安阻法、伏阻法、安安法、伏伏法等.

圖2 伏安法電流表外接電路

圖3 伏安法電流表內(nèi)接電路

首先從伏安法中電流表的2種接法進(jìn)行探討，即選擇圖2或圖3進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

圖2方案的原理為

(1)

圖3方案的原理為

E=I(RA+r)+U.

(2)

通過(1)和(2)式可以看出：

1)已知電表的內(nèi)阻情況下，由(1)式知電壓表的電阻時(shí)選擇電流表外接法(圖2)，由(2)式知電流表的內(nèi)阻時(shí)選擇電流表內(nèi)接法(圖3).

圖4 試觸法電路

以上的案例從物理學(xué)視角在閉合電路電流與電壓和電阻的內(nèi)在規(guī)律及相互聯(lián)系的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，通過學(xué)生小組討論，根據(jù)電流表的不同接法，抽象出2種不同的物理模型，再通過電壓表和電流表內(nèi)阻的不同情況，運(yùn)用分析和綜合、推理論證等方法，比較不同方案測(cè)量誤差的大小，從而培養(yǎng)學(xué)生選擇最佳方案的能力，并培養(yǎng)科學(xué)思維.

3 尋找“等效電源”，培養(yǎng)科學(xué)探究能力

科學(xué)探究是基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案、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[1]. 通過測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的2種不同方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲取多組數(shù)據(jù)并通過公式或U-I圖像進(jìn)行處理可以得出結(jié)論，再通過實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思，找到伏安法測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻誤差存在本質(zhì)原因.

例如，根據(jù)待測(cè)電源和電表的內(nèi)阻，選擇合適的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn). 首先，考慮有多組數(shù)據(jù)且不能損壞電源，所以電路中滑動(dòng)變阻器的阻值不能太大，測(cè)量時(shí)動(dòng)作要迅速. 下面對(duì)2種接法進(jìn)行探究.

選擇圖2方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄2組數(shù)據(jù)，得到：

(3)

(4)

由(3)和(4)式聯(lián)立得出電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻.

也可以利用圖像法分析. 若考慮到電壓表電阻的影響，則電壓表的讀數(shù)與電流表讀數(shù)的關(guān)系為

(5)

U=-rI+E,

(6)

根據(jù)(6)式可以作出圖5中的A圖線，可得|k|=r，b=E.

圖5 U-I關(guān)系圖1

圖6 等效電源1

選擇圖3方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄2組數(shù)據(jù),可以得到：

E=I1(RA+r)+U1,

(7)

E=I2(RA+r)+U2,

(8)

由(7)式和(8)式聯(lián)立，可以得出電源電動(dòng)勢(shì)以及內(nèi)阻.

也可以從圖像法來分析. 若考慮到電壓表電阻的影響，則電壓表的讀數(shù)與電流表讀數(shù)的關(guān)系為

U=-(r+RA)I+E.

(9)

根據(jù)(9)式可作出圖7中的D圖線，其斜率|k|=r+RA，截距b=E. 故可以將電源和電流表串聯(lián)起來視為“等效電源”，如圖8所示.

圖7 U-I關(guān)系圖2

圖8 等效電源2

若用電流表的讀數(shù)代替干路電流，則有(6)式成立，根據(jù)(6)式可以作出圖7中的C圖線，可得|k|=r，b=E.

2種方案在獲取和處理信息得出結(jié)論的基礎(chǔ)上，從圖像的角度分析數(shù)據(jù)，找到運(yùn)用“等效電源”的方法理解實(shí)驗(yàn)誤差，能較好地提升學(xué)生的科學(xué)探究能力.

4 修正實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，認(rèn)識(shí)科學(xué)技術(shù)社會(huì)環(huán)境的基礎(chǔ)上，逐漸形成的探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、事實(shí)求實(shí)和持之以恒的科學(xué)態(tài)度等[1]. 所以在科學(xué)探究得出結(jié)論后要引導(dǎo)學(xué)生思考：若用電壓表讀數(shù)代替路端電壓，用電流表讀數(shù)代替干路電流，如何改進(jìn)電流測(cè)量方案才能使測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確.

圖9 電流表內(nèi)外接法相結(jié)合的U-I關(guān)系圖

電流補(bǔ)償法可以解決電流表分壓作用的影響. 圖10中的左邊虛線部分為伏法測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻電流表內(nèi)接法，該方法的誤差來源為電流表的分壓作用，若電流表中的電流為0，可以避免電流表分壓的影響. 可以采用圖10右邊虛線中電路給予補(bǔ)償，只要調(diào)節(jié)R1，使電流表A的讀數(shù)為0，則A點(diǎn)的電勢(shì)和B點(diǎn)的電勢(shì)相等，此時(shí)，電壓表的電壓即為路端電壓，電流表A1的電流為干路電流，即滿足：U=-Ir+E. 故可以準(zhǔn)確測(cè)出電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻.

圖10 電流補(bǔ)償電路

以上的2個(gè)案例，運(yùn)用圖2和圖3方案得出結(jié)論，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行交流、評(píng)估和反思，找到2種方案的理解方法“等效電源”，最后再通過電流表內(nèi)外接法和電流補(bǔ)償法對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正，從而培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真和持之以恒的科學(xué)態(tài)度.

5 結(jié)束語

落實(shí)物理學(xué)科的核心素養(yǎng)既是時(shí)代發(fā)展的要求，也是物理教學(xué)的要求. 在物理教學(xué)中教師要把發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)作為教學(xué)目標(biāo)，也就是要把核心素養(yǎng)的內(nèi)容滲透到教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中. 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)中重要的部分，是提升學(xué)科的核心素養(yǎng)最佳的方式，讓學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)問題：為什么要做該實(shí)驗(yàn)；分析問題：根據(jù)原理如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；解決問題：如何對(duì)實(shí)驗(yàn)獲取的證據(jù)作出合理的解釋；反思問題：對(duì)于實(shí)驗(yàn)方案中的不足如何進(jìn)行修正，形成科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任. 因此物理實(shí)驗(yàn)既可以形成物理觀念，也可以培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任與態(tài)度，能較好地實(shí)現(xiàn)落實(shí)核心素養(yǎng)的目標(biāo).