物理探究式课堂教学中如何提升学生的科学素养

黄包罗

【摘 要】高中生应具有一定的科学素养，能运用实验数据对研究的问题进行描述、解释和预测;应具有批判性思维的意识，能基于数据大胆质疑，从不同角度思考问题。这就要求教师在探究式课堂教学中提高学生分析物理问题的能力，帮助学生学会主动学习，并形成追根究底的科学素养。

【关键词】科学素养;高中物理;探究式课堂教学

物理实验探究式课堂教学的本质在于做实验，并运用实验数据发展和修正物理规律或结论。教师要重视培养学生的数据观念，提升学生的科学思维能力。本文以实验测电源电动势及其内阻为例，概述培养学生数据意识的教学过程，详细讲解各过程中应如何引导学生做出科学的猜想、开展实验验证和分析论证，从而培养学生的数据意识。

一、分析探究任务，确定学习目标

实验测电源电动势及其内阻是高中物理选修3-1的第二章第10节内容。学生已经知道电动势和内阻是反映电源性能的两个重要参数，掌握了閉合电路欧姆定律，并且已有了从电路的内、外电阻来分析电路的意识。本节课的探究任务是让学生通过观察电压表反偏的现象，猜想引起电压表反偏的原因，从而引导学生设计实验测量电源电动势及其内阻，最终利用所得结论（数据）证明自己的猜想。由此，本节课的学习目标如下。

（1）通过发现问题，引发学生思考，培养学生分析问题、用“数据”解决问题的能力。

（2）掌握利用仪器测量电源电动势和内阻的方法，并通过实际操作中的不断解决问题，开阔思路，激发兴趣，培养学生物理探究的“数据”意识。

（3）培养仔细观察，真实记录实验数据的良好实验习惯和实事求是、严谨求实的科学品质。

二、教学过程

（一）不可思议的反偏

教师介绍自制教学演示板（三节干电池与滑动变阻器串联，电路图见图1），提醒学生观察伏特表示数。

师：现在开关断开状态，伏特表V1、V2示数各为多少？

生：V1示数1.42V，V2示数153V，都接近1.5V。

师：开关闭合，伏特表V1、V2示数有何变化？

生：V1示数反偏了，V2示数稍微变小。

师：这个电路连接接触良好，你觉得是什么导致伏特表V1示数不合常理的反偏？

（讨论）

生：猜测与第一节电池有关。

师：到底是不是电池引起了电压表的反偏呢？科学探究是实事求是的，容不得半点虚假，我们要用“数据”来说话。电源有电动势也有内阻，这是反映电源性能的两个重要参数。今天这节课，咱们就用实验来找“数据”，一起来设计实验测量电源电动势及其内阻。

（二）搭建链接，追源（原理）溯本（设计实验方案）

师：在我们所学知识中，哪个原理可以帮助我们求解电源电动势和内阻？

生：闭合电路的欧姆定律：E=U+Ir。

（在教师引导下进一步明确：U指路端电压，I为通过电源的电流。）

师：为了测量电源的电动势和内阻，需要测量哪些物理量？分别用什么仪器？

生：电压、电流;电压表、电流表。

【方案一】

师：现有电压表、电流表、滑动变阻器、开关各一只，导线若干，请你设计测量电源电动势和内阻的实验电路图。

（学生展示电路图）

师：写出电动势E和内阻r的关系式。

生：E=U+Ir。

师：为了测出电动势E和内阻r，至少要测量几组数据？可以通过什么办法实现？

生：两组;移动滑动变阻器得到两组I、U值。

【方案二】

师：若定值电阻的阻值为R，两端电压为U，则通过电阻的电流为多大？电压表和定值电阻并联，整体相当于一只什么表？

生：I=U/R，整体相当于一只电流表。

师：现有电压表、电阻箱、开关各一只，导线若干，请你设计测量电源电动势和内阻的实验电路图。

（学生展示电路图）

师：写出这种电路图对应的电动势E和内阻r的关系式。这种设计如何测量电源电动势和内阻？

生： E=U+Ir=U+Ur/R ;改变电阻箱阻值，得到两组不同的U、R值。

【方案三】

师：将一只阻值为R的定值电阻与电流表串联，测得通过电阻的电流为I，则电阻两端的电压为多少？定值电阻与电流表串联相当于一只什么表？

生：U=IR;相当于一只电流表。

师：现有电流表、电阻箱、开关各一只，导线若干，请你设计测量电源电动势和内阻的实验电路图。

（学生展示电路图）

师：写出这种电路图对应的电动势E和内阻r的关系式。这种设计如何测量电源电动势和内阻？

生： E=U+Ir=I（R+r）;改变电阻箱阻值，得到两组不同的I，R值。

师生共同总结：这三种测量方案原理都是E=U+Ir，即测出电源两端电压（路端电压）及通过电源的电流。

（三）究根问底，科学探究问题图2

师：由于新电池电阻较小，为了得到较为明显的电流、电压变化数据，本次实验选择如图2所示电路图实验。定值电阻R=5Ω，滑动变阻器最大阻值为20Ω，电源为两节干电池。要测这两节干电池的电动势及内阻，请小组讨论实验步骤，填入学案。

学生讨论并归纳步骤。

（1）电流表用0.6 A量程，电压表用3 V量程按图连接好电路。

（2）把滑动变阻器滑片移到使电阻最大的一端。

（3）闭合开关，调节变阻器，使电流表有明显的示数，记录一组数据（I，U），填入表格，用同样的方法测量几组I，U值，填入表格。

（4）断开开关，整理好器材，处理数据。

师：实验时我们要注意以下几点。

（1）连接电路时，开关应处于断开状态、实验开始前滑动变阻器滑片应移到阻值最大的位置（安全性原则）。

（2）为了减小偶然误差，最好采用图像法来测量电源电动势和内阻。

（3）描点作图时，要尽可能多的点通过直线，其余各点均匀分布于直线两侧。个别偏离较大的点，说明这个数据是错误的，要舍弃。

（4）数据处理，寻找“反偏”原因。

（学生小组实验，如实记录实验数据。教师实验最快的一组数据填入Excel表格，并拟合直线，作出U-I图线）

师：由拟合的直线函数关系，我们求出的这两节电池的电动势有多大？

生：大约3.05V（截距）。

师：这两节电池的内阻是不是6.55Ω？

生：不是，因为电源与R=5Ω定值电阻串联，所以，本图像中的斜率表示两节电池与5Ω定值电阻的阻值之和，即这两节电池的内阻大约为1.55Ω。

师：现在大家实验的电池是新电池，上课时的教学演示板上的电池其实是一节旧电池和两节新电池，我们用电流和电压传感器来测量这三节电池的电动势和内阻。

（教师连接电路，学生配合移动滑动变阻器，教师采集数据。）

师：处理电压和电流传感器采集的数据，拟合直线图，由图像你能得到什么？

生：我们发现这三节电池的电动势为4.33V，内阻约为24.98Ω。

师：估算下这节旧电池的内阻大约为多少？电动势大约多少？

生：内阻r=24.98Ω-1.55Ω=23.43Ω，电动势E=4.33V-3.05V=1.28V。

师：由于这节旧电池内阻很大，当我们把演示板上的电路闭合时，旧电池内阻上分得的内电压为多少？（假设滑动变阻器以最大阻值20Ω接入）你能解釋为什么会发生反偏吗？

生：U内=Ir=E总R总=（4.3324.98+20）×23.43≈2.26V。

由于旧电池内阻上分得的内电压已经大于了这节旧电池电动势本身l.28V，所以电压表示数发生了反偏。

师：通过这节课的学习，你觉得能把旧电池与新电池混用吗？为什么？

生：不能，因为旧电池内阻变大了，比新电池大得多;旧电池的电动势也比新电池略小。

师：这节课，同学们带着电压表为什么反偏的疑问，进行了大胆的猜想，并且科学地设计实验，最终用获得的实验数据，证明了自己的猜想。以事实为依据，以理论为基础，“基于数据的科学探究”才是正确的科学探究的过程。

本节课用真实的实验数据作为证据，解释了伏特表反偏的原因，最终“解决了问题”，充分发挥了物理实验教学在培养物理核心素养方面的作用与价值。但由于时间关系，未能进一步理论分析旧电池内阻满足什么条件时，电压表能发生反偏，何时不会发生反偏。

参考文献：

[1]潘生国.浅谈高中物理实验教学[J].理科考试研究（高中版），2015（12）.