呈现真实情景,落实复习课中物理核心素养的达成——以“描绘小灯泡伏安特性曲线”为例

孔大海

(宁波市慈湖中学，浙江 宁波 315000)

学科核心素养提出以来,激发了一线教师的研究热潮,撰写出了大量的以落实核心素养为主题的课堂教学案例.这些案例中新课教学居多,复习课较少.这是因为学生在新课教学中已经初步形成了相关的物理观念,已经完成了有关的实验探究,已经进行了有关的模型建构,所以这给复习课中落实学科核心素养带来了一定难度.复习课在高中阶段占据了至少1/3的时间,占有重要的地位,所以研究复习课中核心素养的落实具有重要的现实意义.

真实情境是落实核心素养的一个重要抓手,在复习课中也不例外.通过创设真实的物理情境,带领学生走向真实的世界,可使学习更接近学生的生活体验,更能调动他们全部的感知力和生活经验去探究去思考问题,让学生从一个知识的获得者变成知识的探索者和发现者,在情境应用中将物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任等学科核心素养纳入到课堂中来,让核心素养落地.[1]本文以“描绘小灯泡伏安特性曲线”为例,讲述了如何通过呈现真实情景,落实高三电学实验复习课中物理核心素养的达成.

1 教学片段及评析

片段1:联系生活,创设情境.

教师:PPT展示生活中常用的各种灯泡(如图1所示),请同学们辨别哪些是白炽灯?

学生:思考、争论,回答问题.

图1 生活中常见的各种灯泡

教师:这7个灯泡分别是2.5 V小灯泡、220 V节能灯、12 V汽车前大灯、220 V白炽灯、220 V浴霸灯、4-22 V宽电压LED灯和12 V的LED灯,白炽灯是通过灯丝发热进行照明的,所以A、C、D、E都属于白炽灯的范畴.

评析:从生活经验入手,首先让学生来辨别本节课的研究对象,增强物理与生活的联系,将实际生活的物品转换成物理实验的研究对象,拉近本节课与学生之间的距离,实现让学生用所学的知识分析、解释生产生活中的实际问题.

片段2:重温实验,呈现问题.

环节1:播放视频,请学生纠错.

教师:这是某位同学在做2.5 V小灯泡伏安特性曲线实验时录制的一段视频(视频地址见文末,下同),实验中教师提供有滑动变阻器10 Ω、100 Ω各一个,电压表和电流表各一个,1.5 V干电池3节,导线若干,请同学们观看视频并找出他操作不当的地方如图2所示为实验过程中的截图.

学生1:应该选用分压电路;

学生2:滑动变阻器应该选用10 Ω;

学生3:电流表应该外接;

……

图2 描绘小灯泡伏安特性曲线实验过程的开始和结束时截图

环节2:展示本实验的实物图(图3),请同学们根据刚才找出的问题正确连接.

评析:实验复习如果不进行实验操作,仅进行一番理论分析和题目训练,到最后题目可能会做了,但是物理的核心素养却依然停留在原地.所以事先通过师生合作录制实验的操作过程,一方面让学生在动态的实验操作中寻找问题,让复习课不再是纸上谈兵,提高了复习的有效性；另一方面激发学生兴趣,因为实验操作是来自自己周边的同学所做,使得学生在观看视频的时候有一种亲切感.

图3 描绘小灯泡伏安特性曲线实验实物图

片段3:知识问题化,问题情景化.

根据学生们回答的视频中存在的问题,教师通过设置3个针对性的问题进行设问,不但要知道这样做是正确的,同时还要明白为什么.

环节1:控制电路的选择:为什么选择分压而不选限流?

教师:两种电路中电压的调节范围具有什么特点?在分压电路中对滑动变阻器的额定电流有什么要求?

学生:分压电路可以从0开始调节灯泡的电压,所以相比于限流电路它的调节范围更大一些.分压电路中有两个支路,所以滑动变阻器的额定电流要求相对大一些.

环节2:实验器材的选择:为什么要选用10 Ω的滑动变阻器?

教师:在分压电路中选用10 Ω和100 Ω都可以实现小灯泡的电压从0开始调节到额定值,那为什么你认为选用10 Ω比100 Ω的滑动变阻器更好呢?

学生:陷入沉思……

教师:我们来看一段视频,也许视频中的一些信息能帮助我们解惑,请同学们讨论回答你看到了什么?

学生:视频中当选择10 Ω时,整个过程电表变化相对比较均匀,而换成100 Ω时,电表表现为先缓慢增大,滑动变阻器移动最后一小段距离时示数变化较快,调节不方便.

教师:真实的实验视频帮我们找到了答案,如图4所示,当电流表都约为0.10 A,电压表都约为0.20 V时,(a)图10 Ω的滑动变阻器才刚开始移动了一点,而(b)图100 Ω的滑动变阻器已经移动超过了一半,所以从实验操作的灵敏性上来讲,10 Ω胜过100 Ω.

图4

教师:电表的变化为什么会是这样的过程?实验的背后隐藏着怎样的规律呢?

学生:再次陷于沉思……

变形可得

设E=4.5 V,L=1 m,则Ux-x函数图像可以用几何画板来动态演示k取不同值时形状的变化.[2]如图5所示,给出了k=1、5、10时的图像,结合刚才的实验视频和现在的图像你有什么想说的?

图5 灯泡两端的电压与滑动变阻器移动距离x之间的关系图像

学生:由图像可知,k值越大,也就是滑动变阻器比灯泡电阻大的越多,电压在前半程变化越不明显,和灯泡电阻相差不多时,比如k=1,电压随着滑动变阻器的移动呈现出较为均匀的变化,图像表达的信息和拍摄的实验视频规律是一致的.

环节3:测量电路的选择:电流表内外接该如何选择?

图6 试触法判断测量水果电池时电流表的接法

学生:视频中我们看到当采用图6(a)所示的电路时,电压表和电流表示数约为0.54 V和122 μA,当采用图6(b)所示的电路时,读数分别为0.24 V和165 μA.数据表明电压表变化的幅度更大一些,说明电流表分压作用比较明显,所以应采用图(a)的接法.

图7 两种电路接法中路端电压和电流的关系曲线

教师:同学们通过视频中提供的数据得出的结论对不对呢?我们来看一下实验验证的结果.如图7所示,由(a)、(b)两种电路测量的数据得出水果电池内阻分别为866.13 Ω和3512.5 Ω,通过数字式多用电表(电压挡内阻极大,电流挡内阻极小)测量得到水果电池的电阻约为990 Ω,微安表的内阻约为2500 Ω,根据这样的实验结果你有什么想说的?

学生:图(a)电路的实验结果更接近真实值,试触法的结论是对的.

教师:其实按照图(b)的接法,我们测量得到的结果应该是水果电池和电流表内阻之和:990+2500=3490(Ω),这与实际结果3512.5Ω非常接近,这其实就是内接法的实质.

评析:控制电路、测量电路和实验器材的选择是电学实验中3个核心问题.我们通过设置具体的实验向学生展示为什么做出这样的选择,而不是空洞、抽象地进行理论分析.比如环节2是通过实验视频来创设真实情景,让学生在观察中获取证据得出结论,然后又通过理论推导来解释实验现象,形成了问题、证据、解释、交流一个完整的科学探究过程,学生的科学素养无疑会得到提高.环节3由于试触法在小灯泡的实验中并不明显,所以我们选择了水果电池这个实验.试触法是我们比较容易忽视的一个环节,通过设立真实的情景加深了学生对这一方法的印象和理解.

片段4:真题演练 巩固提高.

例题.某实验小组对2.5 V、12 V、220 V 3种白炽灯泡进行了伏安特性曲线研究.

(1) 研究小组用测得的数据描绘出了2.5 V小灯泡的伏安特性曲线,如图8,对此图像下列说法正确的是(不定项)

(B) 后半段斜率几乎不变,可以认为此时灯泡电阻近似不变.

(C) 由图像可知,灯泡的电阻一直在增大.

(D) 小灯泡变亮的原因是灯丝的温度越来越高了.

图8 2.5 V小灯泡伏安特性曲线

(2) 在研究12 V汽车前大灯伏安特性曲线的时候,王同学是电压从0逐渐增加到12 V,张同学是从12 V逐渐减小到0,王同学的数据在图9中是用________(填a或b)表示的.

(3) 在研究220 V白炽灯时,研究小组选择了60 W、200 W、247 W灯泡开展研究,并画出了他们的I-U图像,如图10,请你选出属于60 W白炽灯的那一组数据.

图9 12 V汽车灯泡伏安特性曲线

图10 3种不同功率的白炽灯伏安特性曲线

(4) 根据第(3)问中I-U图像可以画出3种灯泡的R-U图像,如图11(a)所示,将其局部放大如图11(b)所示.如果将图11(b)中3条曲线顺势延长与纵轴相交,这个交点的纵坐标表示的电阻其物理意义是什么?

图11

片段5:课后微课.

课堂时间是有限的,为了进一步激发学生们学习物理的热情,保持对自然界的好奇心和求知欲,笔者录制了3节拓展型微课,供学生们进一步开阔眼界,提升自己的科学素养,他们分别如下.

(1) 220 V 3种功率60 W、200 W、247 W的白炽灯的冷态电阻测量.图12(a)为247 W白炽灯的测量结果,与例题第(4)问中通过R-U图像得到的冷态电阻非常接近.

(2) 白炽灯灯丝裸露在空气中和油中的伏安特性曲线对比,如图12(b)所示.

(3) 测量节能灯、LED灯伏安特性曲线,图12(c)是节能灯的伏安特性曲线.

图12

2 本节课的亮点、不足和学生反馈

亮点1:本节课通过录制实验视频将知识、问题、情景相互交融,让学生在真实情境中进行思维加工,基于事实得出结论,较好地落实了新课程改革所倡导的提高学生物理核心素养的要求.同时录制的实验视频以及课后录制的微课具有可重复性、便利性、真实性,既提高了课堂效率,又能呈现出物理的真实情景,比传统的高三实验复习有一定的创新,拍摄实验视频是高三实验复习的一个值得研究的新的方向.

亮点2:本节课中所有的实验数据均是真实数据,且部分实验是由师生合作完成,通过研究这些真实的物理问题,带领学生走向真实的世界,让学生从一个知识的获得者变成知识的探索者和发现者,有效促进了学生物理核心素养的发展.

亮点3:在例题中将课本上的2.5 V小灯泡的实验扩展到了生活中常用的12 V和220 V的白炽灯,打通了课本知识和真实生活之间的桥梁,让学生走向社会,用自己所学的知识分析、解释社会实践中的实际问题,让学生体验在分析解决实践问题中成功的愉悦,增强勇于承担社会责任的信心,进一步落实了物理核心素养.

不足:虽然视频都是真实的拍摄过程,但毕竟不是现场实验,所以学生的动手操作、数据处理、误差分析等能力,还有待于教师在实践中培养,这样才能切实提高学生的实验能力.[3]

学生反馈1:这虽然是一节高三复习课,但教师由2.5 V小灯泡扩展到了12 V和220 V白炽灯,而且呈现的都是真实的实验数据,笔者感觉上了一节特别真实的物理课.

学生反馈2:老师给我们提供了大量的素材,比如老师在讲解滑动变阻器的选择问题时,我们通过观看实验视频获取了证据,在函数图像中进一步明白了视频中电压变化规律的原因,知识的获取不再是老师的灌输讲解,而是变成了自我发现.

备注:本节课中涉及的视频和微课均在:https://pan.baidu.com/s/1tGLrX4Wy7kaCTD-YlGhL9BA 提取码:whov