基于关键能力培养的初中物理实验教学——以“测量小灯泡电功率”为例

徐正黄

(吴中区石湖中学，江苏 苏州 215168)

1 缘起:核心素养催生关键能力

物理核心素养是指学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力,主要由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度和责任”4方面要素构成．关键能力最早由德国社会教育学家梅腾斯提出来的,梅腾斯认为,关键能力是那些与一定的专业实际技能不直接相关的知识、技能和能力,它是一种能在不同的新场合中做出评判和选择的能力,一种能胜任人生生涯中不可预见的变化的能力,20世纪90年代,关键能力主要表述为学习者为完成今后不断变化的学习任务而应具有的一种带有综合性质的能力,它与具体的技能和知识没有直接关系,是一种跨界性能力．

重视培养学生的能力,一直是我国基础教育改革与发展的重要目标．1999年《中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》明确提出“教育工作要转变教育观念,改革人才培养模式,重视培养学生收集处理信息的能力,获取新知识的能力,分析和解决问题的能力,语言文字表达能力以及团结协作和社会活动的能力”．“培养学生的能力”是素质教育的核心思想．2009年《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》提出,教育要“坚持能力为重,优化知识结构,丰富社会实践,强化能力培养,着力提高学生的学习能力,实践能力、创新能力”,并在考试招生制度改革中要求“深化考试内容和形式改革,着重考查综合素质和能力”．2017年中办、国办印发的《关于深化教育体制机制改革的意见》明确提出要培养支撑终身发展和适应时代的关键能力(认知能力、合作能力、创新能力、职业能力)．

物理学是一门实验科学, 其概念、定律是前人在实验的基础上,反复观察、实践、验证、提炼而形成的, 物理实验是运用规律解决实际问题,需要经历设计方案、实验操作、数据记录和分析、总结规律、修正结论等全思维链过程,因此实验教学可以起到培养学生物理关键能力的作用．

关于物理关键能力的培养,北京师范大学郭玉英教授认为要通过3种途径:(1) 引导学生整合关联所学知识,建构起相应的物理观念．(2) 让学生在实践活动中发展物理学科能力,在教学中,教师多创设真实的问题情境,引导学生运用所学物理模型、概念和规律进行解释,培养其科学推理的严谨性、连贯性以及表述的准确性．并基于证据对其解释进行评估和质疑,提出新模型,尝试更好的解释．在课堂中参与探究、建模、解释和论证,不仅能有效促进应用实践和创新迁移能力的发展,还有助于学生的科学态度与责任的培养．(3) 以系统评价促进学生能力发展．

江苏省中小学教学研究室叶兵老师带领的团队开展了“初中物理学科核心素养与关键能力”的相关研究,得出了初中物理核心素养和关键能力的框架,包含概括理解、实验探究、实践应用和求实创新4个方面,并制定了初中物理核心素养和关键能力的表现水平的描述量表．

无锡市教育科学研究院许帮正老师等则从中考评价的角度提出“加强实验设计和分析能力的培养,实验教学要有项目设计的意识”.

以上研究都指出了初中物理核心素养和关键能力的培养需要“做什么”,但关于“怎么做”的研究较少,下面以初中物理电学实验 “测量小灯泡电功率”为例,探讨培养物理关键能力的方式方法．

2 例谈:在亲身参与问题解决中提升关键能力

“测量小灯泡电功率”是初中20个学生必做实验的最后一个,有压轴地位．电功率是初中5个“理解”级别中的一个,测量小灯泡的电功率是测量性实验,目前教材的编写容易让学生成为“按方抓药”操作工:实验目的直接对号入座,依据原理一步到位,使用的器材附有实物照片,实验电路图画好了样图,实验步骤一一罗列,并代替学生绘制了表格．

如何让测量小灯泡电功率这个实验成为培养学生关键能力的机会呢?

笔者采取的策略是有机整合4环节和7要素,紧扣实验教学4环节:预习、操作、总结、反馈,突出实验探究7要素:明确实验目的,理解实验原理,设计制定方案,合理选择器材,合作进行实验,科学处理数据,评估交流过程结果．测量小灯泡电功率最基本的方法是用伏安法测量,学生有认知基础,组织难度不大,持之以恒可以形成关键能力．

2.1 预习阶段：培养元认知能力

预习是在明确目的、理解原理的基础上设计出实验方案．实施时,启发学生重温伏安法测量定值电阻阻值的实验,对比伏安法测量小灯泡的电阻跟伏安法测量小灯泡电功率的异同,有比较,才有鉴别．测量小灯泡的电功率跟测量小灯泡的电阻大同小异,后者测电功率是前者测电阻的继续和发展,寻找内在联系,根据表1,指导学生制定方案,至此,实验方案基本敲定,实验预习到位．

表1 测量小灯泡的电阻与电阻率的对比

2.2 操作阶段：培养合作能力

实验前要选好器材,本实验小灯泡的规格准备2.5 V、3.8 V两种,相应实验器材由学生合理选择．选好电路,排好顺序才可以开始操作,操作常规应训练有素,要关注一些苗头性的违规操作.例如,接线时,开关以及滑动变阻器滑片的处置,接线的顺序,测量时视线的焦点,拆线的先后顺序等等．根据往届学生的操作统计,有些违规操作呈周期性反复出现．例如,连接好最后一根线,小灯泡就亮了,甚至出现小灯泡太亮的实验现象；电路连接无误,闭合开关后,发现小灯泡不亮,电流表无示数,但电压表有示数,究竟是灯丝断了?还是小灯泡跟灯座没有旋紧?还是其他原因?电流表跟电压表错位了;闭合开关后,小灯泡不亮,电流表有示数,电压表无示数;也可能出现小灯泡不亮,两者均无示数,等等．现将教学过程中发现的两例摘录,见图1、图2,可先指导学生分析错在哪里,有什么现象发生,确认对仪器无损后,不妨将错就错操作,看看分析的结果对不对,再共商纠正的办法．

实验中要记录好数据,根据实验目的和原理,设计出合理的数据表是实验的核心工作,当然也是实验报告的重要组成部分.本实验测量小灯泡的电功率,同时要探究小灯泡的亮度跟实际功率之间的定性关系,所以实验表格要包括测量项、观察项以及计算项．其中计算项建议包括灯丝电阻和实际功率两项,以便于承前启后,表格中小灯泡的额定功率及正常发光时的灯丝阻值,宜应特别标注,实验次数安排3次,教材的表格可供参考．实验时还要分析异常现象的形成原因,排除电路故障．

图1 电压表接法有误

图2 电压表串联在电路

2.3 总结阶段：培养职业能力

总结阶段需要分析处理数据,对测量结果进行描述和解释,并作科学评估．同时关注测量过程中出现的新问题,提出改进方案,这些都是写好实验报告的基本要求,也是实验能力再提高的关键举措．实施时不必面面俱到,择要点睛,启发学生将实验报告写成一个科学作品,力求能把实验结果及过程科学呈现,不仅如此,还要教育学生尊重事实,一丝不苟,绝不允许为得一个好结果,不惜拼凑篡改数据,弄虚作假．这就是求真务实的科学精神．

本实验的分析论证和科学评估包括如下4个方面.

(1) 小灯泡的亮度决定于它的实际功率.

小灯泡的实际功率跟小灯泡两端的电压及通过它的电流均成正比,小灯泡的亮度随小灯泡的实际功率增大而增大．小灯泡的额定功率是指小灯泡在额定电压时的实际功率,此时小灯泡正常发光,这是一个令人关注的功率.为了安全用电,所有用电器工作时,加在其两端的电压不要超过它的额定电压．小灯泡的亮度增加,灯丝的温度升高,灯丝的电阻随着变大．小灯泡处于额定功率工作状态,此时灯丝电阻就是正常发光时的电阻．

(2) 对测量额定电压3.8 V小灯泡额定功率的问题开展讨论.

图3 电压表不超量程的方案

让两组学生用同一套器材先后重做实验,把他们所测定的额定功率值加以比较,定会发现差异较大,发动大家讨论其中的原因并思考改进意见．通过讨论和评价,最主要的问题是用量程0～15 V的电压表测量小灯泡的额定电压,由于电压表的分度值是0.5 V,所以测电压就不易准确,讨论改进方案,解决方法可用0～3 V量程将电压表跟滑动变阻器并联,如图3所示,方案定后,再实际操作一次,合上电键前,要考虑接通电源前滑片移在什么位置为宜．

(3) 利用测量小灯泡电功率的数据作小灯泡的I-U图线.

教材对小灯泡的I-U图线没有涉及,但是图像处理数据是未来趋势,近几年各地中考物理试卷中频现小灯泡的I-U图线,由于用实验数据作过这条I-U图线的学生不多,所以广大师生对小灯泡的I-U图线缺少感性认识．建议利用测量小灯泡电功率的数据,亲手绘制一次小灯泡的I-U图线,画它不过举手之劳,但可大大减少对它的神秘感．图4就是笔者实验所作的额定电压为2.5 V的小灯泡的I-U图线．

图4 小灯泡I-U图线

要正确作出小灯泡的I-U图线,需要注意的是,要多取3至4组数据,以电压低于2.5 V的数据为主,这时的数据表可简化成如表2所示．

表2

(4) 应用小灯泡的I-U图像比较不同状态下的功率和灯丝电阻．

在小灯泡的I-U图像,过某一坐标点,分别作平行于横轴和纵轴的直线,就是坐标点所处状态下的实际功率,该坐标点跟原点的连线和横轴之间夹角α的余切cotα就表示该状态下灯丝的电阻,图4中所示的矩形面积就是小灯泡的额定功率,cotα就是正常发光时的灯丝电阻(图4)．

2.4 反馈阶段：培养创新能力

测量小灯泡的功率虽然是测量性实验,主题仍是科学探究．《课标》指出“实验是科学探究的重要方式之一．除了学习知识、训练技能以外,物理实验还应在发展实验能力、提高科学素养方面发挥重要作用”,“旨在让学生经历与科学工作者进行相似的探究过程”．《课标》还多次强调“学校应充分利用已有的实验器材,努力开发适合本校情况的实验课程资源,尽可能让学生自己动手多做实验”．为此,笔者认为在完成伏安法测量小灯泡的功率的必做实验后,应有意识、有步骤地开设由学生自行设计并实地操作的非伏安法测量小灯泡额定功率的实践活动,不失时机地提升学生收集信息、处理信息、解释信息的能力．

非伏安法测量小灯泡的额定功率包括两个方面内容,一个是伏阻法,即用一个电压表一个阻值已知的定值电阻,另一个是安阻法,即用一个电流表一个阻值已知的定值电阻测量,现侧重介绍前者．

英国政府在财政开支极为紧张和“脱欧”可能导致获得欧盟科研经费锐减的情况下，承诺2016—2020年政府科学投入总额将达263亿英镑，并加强与产业界及社会各界的合作，推行最具国际竞争力的研发税收优惠政策，力争未来10年内使英国全社会研发投入增加800亿英镑，到2027年将研发投入占GDP的比例提高到2.4%（2015年为1.68%），最终实现3%的长期目标[5]。自2015年4月1日起，英国将企业研发支出税收抵扣率由10%提高到11%，2018年1月1日起又进一步提升至12%。

(1) 不加条件的伏阻法.

所谓“不加条件”即指电路连接不限,所用元件的规格均适当．

图5

(2) 要求电路只连接1次的伏阻法.

附加条件只增添“电路只连接一次”的要求．依据所用开关的不同,可以设计出图6和图7两种电路．

图6 伏阻法变形之一 图7 伏阻法变形之二

用图6电路简述主要操作步骤．闭合S1,S2接b,调节滑片P,使电压表示数为3.8 V．保持滑片P位置不变,闭合S1,S2接a,测出电压表示数为U．则小灯泡的额定功率为

P=[3.8×(U-3.8)]/R0.

(3) 前述限制条件外再加限电源电压U0=6 V,R0=10 Ω,小灯泡的最大电阻约为7.5 Ω条件下的伏阻法．(7.5 Ω是先行假定，具体要用3.8 V小灯泡大致测试其正常发光时电阻再定夺)

加限制条件后,图6或图7所示电路不能胜任．当闭合S1、S2时,即使滑片调至零值,小灯泡两端电压UL=6/(7.5+10)×7.5=2.6(V),小灯泡两端电压达不到3.8 V,测量其额定功率受阻．

如将设计电路改成图8那样,测量就柳暗花明了．

图8

主要步骤: ① 闭合S1，S2接b,调节滑片P,使电压表示数为3.8 V;② 保持滑片P位置不变,再将S2接a,记录电压表示数U2．

换算如下:由步骤 ② 可知滑动变阻器此时的阻值为

由步骤①可知小灯泡正常发光时的电流为

小灯泡的额定功率为

当然,如果仍要用图6电路测量,但需改动限制条件的数据．譬如,将电源电压增大,取U0=9 V,或者将定值电阻阻值减小,取R0=3 Ω,甚至将两者同时调整．

(4) 要求电路只连接一次的安阻法.

图9 安阻法

限制条件同(2),设计如图9电路所示．

主要步骤简述如下: ① 闭合S1，S2接a,调节滑片P,使电流表示数I1=3.8/R0;② 闭合S1，S2接b,滑片P位置不变,测出电流表示数为I2．则小灯泡的额定功率P=3.8×(I2-3.8/R0) W.

以上的种种变化,可以基于学情适当选用,不必面面俱到,让学生体会到这些变化就激发起了他们的创新欲望了．

3 启示:关键能力培养需要理念的转变

初中物理学习要求学生应该能形成正确的物理知识结构,具有基本的物理实验设计和分析能力,具有一定的构建物理模型能力,这是学生经历初中物理学习后具备的持续学习物理的能力．能力无法传递,不可能依靠教师从外部输入,需要学生在亲身解决问题中逐渐形成,故要以问题来引导,形成能力,必须有内在动机和自我驱动力,需要有对话和交流,信息技术环境下,还需要学习环境与学习资源的支持,重视学习体验和学习成就感,并取得美好的情感体验,这是基于关键能力培养的初中物理教学理念．

“小灯泡电功率的测定”提供了一个实践案例,它既有基于独立思考、逻辑推理、信息加工、学会学习的认知能力培养,又有引导学生学会管理、与人合作、遵守规则的合作能力培养,还有亲身动手解决问题、优化方案的职业能力培养，还包括基于实验原理的种种变化及其分析,这就是求变思维,是创新能力的培养．

可能有人会问,教学时间有限,这样的能力培养能不能落实呢?从笔者的实践来看,初中生探究欲望很强,只要教师善于引导,把这个活动作为一个项目学习的任务,学生可以较好地完成,学生在项目小组内互相协作,不断探索,形成了较好的学习体验,有利于物理学习兴趣的形成和情感态度的提升．

当然,学生在不同学段的能力水平是不一样,同一能力也是具有不同层次的表现,应该在关键能力要素框架基础上构建能力表现标准,能力表现的水平划分依据应该根据不同学段学生身心发展以及培养目标来确定．以物理能力要素构成为基础构建物理能力表现标准,不同水平的能力划分呈现了物理课程中学生能力的进阶,可以更客观地描述学生在物理学习过程中物理能力的发展现状,为有效地诊断学生能力发展的现有水平,进而预测学生核心素养发展水平提供标尺．以物理关键能力为基准开展教学活动,同时设计评价体系,与此同时,良好的评价体系可以更好地诊断能力发展现状,引导促进物理能力的全面发展．