基于学科核心素养下的物理实验教学创新改进——以焦耳定律的改进实验器材为例

肖 凯

一、引导学生树立对物理实验器材创新的科学观念

1.多方位培养学生对物理实验创新的兴趣

眼下初中部分教师应试教育思维根深蒂固，物理实验教学被严重忽视，成为初中物理教学的薄弱环节。由于实验教学被忽视，导致了理论与实践脱节严重，学生不能够将理论知识与实践经验相结合，给成绩的提高与学生科学素养的培养带来负面影响。

托尔斯泰说：“成功的教学所需要的不是强制，而是激发学习的兴趣。”有了兴趣，就能全神贯注地积极思维，有了兴趣就能克服困难，探究科学的奥秘，有了兴趣学习就可以不成为负担。让学生多方位参与实验演示、改进和创新，不仅可以激发兴趣，调动学习的积极性和注意力，增加学生对物理规律的理解深度，同时还可以规范学生的实验操作。

2.引导在课堂内外根据相关的实验不足引入创新活动主题

利用课余时间我们建立了校本教研的教师专项小组，引导社团和学生学习小组做过多次实验，确立了焦耳定律实验器材的创新与改进活动方向。

(1)传统焦耳定律演示实验特点

(方案一，如图1-1)

图1-1

实验器材：6V电源、密闭烧瓶、滑动变阻器、电热丝、煤油和玻璃管、计时器、电流表

实验原理：

①接通串联电路一段时间，比较两瓶中玻璃管内煤油哪个上升得高。如果瓶中煤油上升得高，这表明电阻越大，电流产生的热量越多。

②在两个玻璃管中的液柱降回到原来的高度后，调节滑动变阻器，加大电流，重做上面的实验，通电时间和前次时间相同，在这两次实验中，比较甲瓶(或乙瓶)中的煤油哪次上升得高。在第二次实验中，瓶中煤油上升得高。这表明电流越大，电流产生的热量越多。

③实验表明，通电时间越长，瓶中的煤油上升得越高，电流产生的热量越多。

缺点：实验中师生发现该实验装置比较复杂，密闭要求高，显示速度慢，可见度小，耗时长，液柱上升的速度很慢，在完成上述步骤①后想完成步骤②，让升上的液柱降下来再上升进行观察比较，一节课中难以完成任务，而且实验中煤油的味道比较难闻，学生比较反感。

(方案二，图1-2)

图1-2

实验器材：6V电源、密闭烧瓶、滑动变阻器、电热丝、煤油、温度计、计时器

实验原理：与方案一类似，只是由观察液柱的高度变化变成观察温度计的示数变化

缺点：实验由定性研究向定量研究迈出了大步，但是由于温度计的示数较难观察，实验的可见性还是没有得到改进。加热时间长，学生注意力容易分散，并且不能连续重复演示，不利于组织课堂教学。

(2)针对以上常规实验方案的特点，我们的实验小组确定了研究方向，学生各抒己见，开始了大胆的构思和设计。

①如何消除煤油的异味和溢出问题，建议改用加热空气，无色无味易于散热。

②如何实现实验智能化和精准控制温度变化，建议使用热传感器。

③如何让实验过程更加直观，建议用5.5寸以上的LED数字屏幕展示。

二、培养实事求是和自力更生的科学思维

活动开始阶段，组内便传来了不和谐的声音，有些学生在收集网络资源时发现，网上已经有很多的现成资源和改良的器材。于是部分学生打起了退堂鼓，甚至有学生说不如直接在某宝直接下单购置。于是，教师组织了一场辩论，偷懒的想法很快就被大家否定了：如果直接购买还要我们自己动手做什么，尽管自制器材会困难重重，但是乐在其中。一场争论下来，学生的思想更统一了，即自己动手、自力更生。

物理学科的核心素质是要真正使物理探究过程成为使学生不断发现问题、解决问题，不断创新的过程，不管成功与否，学生敢于接受挑战，不断创新的良好品质，是我们喜闻乐见的。

三、掌握团结协作和克服困难的科学探究方法

1.对实验器材进行初步收集与自制

物理实验教学是培养学生创新能力和实践能力的重要途径之一，教师在实验器材准备中可以自己制作或辅导学生制作教具来加强演示实验效果。根据前期的准备，我们分工确定了小组成员从不同的方向进行突破。

(1)网络中虽有现成的热传感器的套装，但是大多价格昂贵，学生开始淘一些简单器材，在教师的帮助下利用一些简单的电路元件，如热敏电阻和传感线进行自我组装。

(2)改装原有实验室中的废旧空气内能演示仪。

(3)购置5.5寸以上的LED数字显示屏，安装调试动态展示，解决了实验现象的可视性问题

2.让掌握科学的探究过程循序渐进、摸索前行。

(改进方案，如图2-1、图2-2)

实验1：电流产生的热量与电阻的关系

图2-1

实验1：电流产生的热量与电流的关系

图2-2

(1)实验器材：12V电源(后改为24V电源)、5Ω(1个)、10Ω 电热丝(3个)，热传感器、5.5寸LED数字显示屏

(2)实验原理：通过电热丝加热盒子里的空气，利用热传感器灵敏地反映温度的变化显示在LED屏上，直接反映出温度的定量变化。

①连接串联电路，比较10Ω 和5Ω 的盒子中，10Ω 一侧热传感器接收热量较多，显示屏反映的温度变化快，实验表明串联电路中同等时间下电阻越大，电流产生的热量越多。

②连接并联电路，左侧5Ω 盒子中通过的干路电流比右侧5Ω盒子中支路的电流大，热传感器接收热量较多，显示屏反映的温度变化快，实验表明同等电阻时，电路的电流越大，电流产生的热量越多。

(3)探究过程：经过改进的器材学生惊奇地发现：实验失败了，结果非但没有提高效率，加热时间还长了，温度变化也不明显，学生很是失望。经历了之前的小组合作锻炼，学生调整了思路，畅所欲言，迅速地提出几种疑问和可能：

①加热时间比传统方案更慢，是否加热电热丝的电阻不够大？

②是否电源的电压不够，考虑到电路的串联分压问题，可能造成发热不够？

③是否空气盒子的密闭性不够，或是空气的量太多，造成加热时间过长？

经过多次实验证明，5Ω 或10Ω 电热丝的发热量足够提供加热盒子的空气容量，盒子的密闭性也经过了严格的考验，归根到底是实验中电源的电压不够，而初中的物理室中并没有24V的学生电源，最后由教师借用了高中的24V学生电源，顺利地克服了之前的困难。

(4)实验的优点：改进后的实验效果相当明显：实验器材的安装简便了，实验时间由传统的12分钟左右大大缩短为3分钟左右，温度的示数变化也更直观和科学，连后排的学生也可以直接观测到了，课室里再也没有难闻的煤油气味了。学生在克服困难之余终于感受到成功的喜悦。

四、培养不断完善和改进的严谨科学态度和责任感

在科学实验探究活动中，教师自身要树立一种科学灵活的评价意识，努力挖掘学生在活动中所迸发出来的科学思想，保护学生的发散思维能力及创新能力，促进学生全面发展。实验改进走到这步，经历了大半个月的工作，学生变单纯的听、看、模仿为积极参与、主动思考和认真分析研究，全面地深入了此项活动。

指导教师打破传统，建立科学的评价体系，大力地表扬评价了学生的劳动成果，指出实验的不足之处，引导学生在喜悦之余，提出该实验器材今后的发展前景。

1.现有实验器材，只能单次研究电热与电流、电阻、时间的单个因素的关系，未来可以在同时展示三个因素方面加以探究。

2.实验步骤一完成以后，盒子里的空气温度降回原来的温度时间还是太长，可以在提高实验器材的密封阀的灵活性上多下功夫，可以让密闭盒子能自由地打开散热。

3.初中实验室中没有专用的24V电源，学生开始提出下一步可以自制24V的初中学生电源。

本文以一个焦耳定律的改进实验为例，阐述了基于学科核心素养下的物理实验器材创新改进。总结上述过程我们发现，在培养中学生的科学素养时，要体现科学素养的内涵要求，因地制宜、因材施教，充分发挥教师的引导作用，以促进每位学生科学素养的提高与结构的建立。让学生了解和掌握物理学的研究方法，培养其严谨的实事求是的科学态度，在培养学生的科学素养上有着重要的作用。