“串、并联电路中的电流和电压规律”实验的研究与反思

安徽省庐江县龙桥镇初级中学(231551) 刘信生广东省湛江市第二中学霞山校区(524002) 谭振兴

1 问题的提出

2017年12月《普通高中物理课程标准》颁布，物理学科核心素养正式提出。以核心素养为导向的物理教学，是物理学科育人价值的集中体现，是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关键能力和必备品格，是学生将物理学习内化后形成的带有物理学科特征的品质，是学生核心素养的重要构成。物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任4个方面，其中科学探究是核心中的核心，其余3个要素都渗透在科学探究活动中。《初中物理课程标准(2011年版)》指出：科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制定方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。

我们的物理探究是科学探究吗？ 我们在物理教学过程中，能让学生进行科学探究吗？我们距离真正的科学探究还有多远?笔者经常用这些教学问题拷问自己，促使自己反思当前的教学现实，追寻着教学的未来。

笔者以“串、并联电路中的电流和电压规律”实验为例，在研究与反思过程中提升科学探究的质量和效果。

2 对串、并联电路中的电流、电压规律之科学探究过程的反思

科学探究不同于科学实验，更不同于一般的物理实验。物理学是建立在以实验为实证基础上的自然学科，基于实验的科学探究是新课程改革下物理教育的核心实践活动，是实现培养学生物理核心素养的重要途径。一线教师对科学探究的理解还是有些偏差的，认为只要好好做实验就是完成科学探究，现实与理想之间的反差还是客观存在的。

2.1 提出符合初中学生思维水平的适切性物理问题的反思

教育心理学研究表明：“学起于思，思源于疑。”问题驱动是一切科学探究的原动力。事实证明科学上众多的发明和创造，与其说是问题解决者促成的，还不如说是问题的追寻者促成的。这就要求我们充分发挥初中学生形象思维的优势，在本节课的教学中，教师运用类比法由水流建构出电流概念后，创设华灯初上夜晚的教学情境，马路两旁的路灯与商场上的小彩灯的发光场景，再将事先准备好的串、并联电路实验装置器材分发给每个实验小组，分别连接串联和并联两种电路。此时，教师引导学生提出问题：串联电路中的电流有何特点？并联电路中的电流有何特点？学生由生活中的经验进行猜想：串联电路中的电流越来越大、越来越小、不变；并联电路中的电流干路和支路相等、干路电流等于支路电流之和……

同样的道理，我们由水压类比引入电压概念后，通过学生生活中的感性认识，同样会对串、并联电路中电压的特点进行大胆猜想和假设，教师要投以鼓励的眼神和欣赏的微笑，不要担心学生的错误回答，更不能阻止另类不着调的想法。只要提出的问题符合初中学生思维水平，无论对错，都要包容和鼓励。

2.2 在探究活动中收集事实证据，形成科学解释的反思

教师的物理探究实验的视野和综合素养决定了学生探究活动的高度。在探究串、并联电路电流规律实验中，笔者在听评课中，都是采用千人一面的教学流程：为了使实验数据具有普遍性的特点，可以选用不同型号的小灯泡重复以上实验，再改变电源电压重复以上实验。由于电池组的电池节数不可能任意增加，因此实验收集的数据有限。我们在设计实验和收集证据过程中，完全按照教材中要求的实验电路连接实物图，符合自己预想要求的测量数据就收集起来，一旦有较大的“误差”的数据就拒之千里，这里采用的都是“报喜不报忧”的策略，内心想尽快地找到那些所谓“有力的证据”来直接验证自己“心中已有”的结论来了事。试想，通过教材中这样的“本本”实验得出的结论，就是“所谓”的科学探究过程，科学的成分一定会“缩水”，久而久之，学生的科学素养何在？学生崇尚的科学精神又将何存？

2.2.1 对并联电路中电流规律实验探究过程的反思

笔者在教学实践中对原有实验进行深入反思，然后进行改进和提升。

(1)针对电源电压不能随便改变的情况，教师完全可以把问题揽下来，在纸盒里放入串联一个滑动变阻器的电池组(由于学生没有学习滑动变阻器原理，不必让学生掌握)，告诉学生这是一个“魔术电池”，只要移动按钮(实质是滑动变阻器滑片)就可以改变电源电压，可以实现更多次测量，收集更多的实验数据。

(2)传统实验中的指针式仪表在使用时要面对指针调零、量程的选择、误差大等各种挑战，笔者将数字化传感器融入传统实验中，基于EDISlab pro软件系统中的电流传感器取代指针电流表，同时采用串联滑动变阻器的方式改变电流进行实验探究，运用3只电流传感器进行并联电路的电流规律实验(如图1所示)，既省时也高效。

图1 探究并联电路中电流规律的数字化实验装置

(3)对于并联电路中的电流规律的实验探究决不能拘泥于只有两条支路的简单电路中，因为教师在安排学生收集好课本上的两条支路电路组成的并联电路电流的数据后，就和盘托出并联电路中的电流规律：并联电路中干路上的电流等于各支路上的电流之和，写为I总=I1+I2+I3+……+In，很明显，这就是直接告诉学生的结论。我们完全可以添加一只小灯泡和几根导线，用现有的电流传感器，继续探究下去，如图2所示，运用电流传感器1测出L1、L2的并联电流，电流传感器2测出L3电流，电流传感器3测出干路上电流。但是，并不是连接的电路都在正常情况下工作，假设其中任意一个或者两个灯泡断路(如L2、L3同时断路，只有L1正常发光)，以下是学生在实际操作过程中收集到的数据(见表1)，学生发现表中第4组和第5组数据有支路电流为零的现象存在,学生根据灯泡的发光情况，发现是由于该传感器所在的支路出现断路造成的，我们可以大胆的提问：并联电路中的电流规律还适用吗？这种特殊情况的电路状态在实际操作时是完全可能存在的，教师对于学生探究过程中得出的这类数据，要么视而不见，要么就当做“异类”数据清除出列，这种理想化的实验，这种不接地气的探究符合科学探究的要求吗？教师应正视这类问题，让学生优化创新测量方法和提升测量手段，再得出以上实验结论的证据会更充分，论证的力度更凸显。

图2 实验电路图1

表1 实验数据1

2.2.2 对串联电路中电压规律实验探究过程的反思

教师在安排学生按照教材中的实验要求，运用指针式电压表进行串、并联电路实验操作，再引导学生分析仅有的3组数据后得出各自的实验结论，就万事大吉了。其实我们的探究不能浅尝辄止，完全可以运用数字化器材探究串联电路中电压规律实验，展开全方位的探究，同时运用上文中“魔术电池”进行多次测量。图3是探究串联电路中电压规律的实验装置。让学生亲自去体验科技手段的使用对物理实验探究的便捷性和高效性，从内心深处认识到科技是第一生产力的重要性。此时，我们会由此直接推理得出串联电路中的电压规律：串联电路两端的总电压等于各串联部分两端的电压之和，写为U总=U1+U2+U3+……+Un，学生完全可以增加灯泡和导线，运用电压传感器1测出L1、L2的共同电压，电压传感器2测出L3电压(如图4所示)；也可以变换着电压传感器进行探究(如可以先测出L2、L3的串联电压，再测L1电压等方法)。同时，在实验过程中会遇到电路中用电器断路和局部电路短路情况的发生，让学生一定要收集这些在实验过程中自然发生的数据，引导学生要“一视同仁”地对待这些实验数据，而且要进行认真分析论证。表2中的实验数据就是笔者在实验中指导学生收集起来的第一手资料，学生惊奇地发现第4组数据中U2=0，而且所有的灯泡都是不亮的，通过教师的点拨和学生反复思考后发现被测量的电路中与电压传感器1并联的那部分电路出现了断路的原因；第6组数据中U1=0.06 V，这时候，也有学生回答：“这是由于电路中与电压传感器2并联的那部分电路出现了断路情况”。教师这时候用怀疑的语气反问：“是真的吗？你依据是什么？”学生细想后发现了问题，虽然数值很小但是不为零，其中电路中还是有灯泡发光的，与第4组数据还是有区别的，终于找到故障的原因是与电压传感器1并联的那部分电路出现了短路。

图3 探究串联电路中电压规律的数字化实验装置

图4 实验电路图2

表2 实验数据2

只有让学生深入到实验的整个探究活动实际情形中，才能体会探究过程的艰辛，才能感悟到科学规律得来的不易，只有这样，才能有目标地培养学生科学探究的优良品质。

当下教师的课堂教学行为受制于“教学要求”“考试说明”，要求教师按照“知识点”的形式传授内容，将物理知识人为地进行分割、点状罗列。依据这些“要求”，教师必须针对教材中知识点靶向性地设计探究实验，按照“本本”完成系列探究任务，得出实验结论，象征性、千人一面地进行评估和反思。一旦发现理想与现实之间出现距离后，教师再次以不同面目的问题去强化、巩固相应的知识点。于是，“应试教育”“题海战术”就成为当下教学过程中可以理解的现象。就像上文中的数字化实验就可以同时探究并联电路中短路和串联电路中断路时电流和电压的特点，但是，在现实教学中，教师都是习惯将这些问题设立专题进行探究，甚至将判别的理论或经验直接告诉学生，根本无暇探究，既加重了学生的学习负荷，也重复了实验过程，属于亡羊补牢的教学。这也是导致科学探究过程空心化、形式化泛滥的重要原因，严重阻碍了学生的科学探究的真实开展。

2.3 学生评价和学生发表观点的反思

在实际教学中，教师的知识本位和学科本位思想根深蒂固，中考考试的内容是至高无上的要求，围绕“本本”去完成教学无可厚非。学生科学探究的水平和能力会直接影响到自我评价的高度和观点发表的深度。这就要求教师一定要理解和吃透科学探究的内涵，回答出“我为什么这样探究？”“我探究得怎么样？”“为什么组织学生这样探究？”这三个问题。只有这样，才能清醒的认识到我们平时实验探究得出的仅仅是学科知识、浅层能力等刚性层面的内核，完全是应试方面的能力。殊不知，科学探究是物理学科核心素养中的重要因素，是核心中的核心。我们塑造的学生是一个完整的有血有肉、有思维、有情感的人，一定要站在核心素养的高度对学生的自我评价和发表的观点进行反思。

3 结语

从浙江省特级教师吴加澍教师提出“实验为基础，思维为中心”的优化课堂教学策略中我们可以悟出科学探究的本质就是“实验+思维”，这是科学探究的“硬件+软件”。诚然，如何保证我们真正在科学地探究实验，首先取决于实验设计和实验器材的选择，有了好的设计方案就是走向成功的路线图；优化实验器材是获取成功的必要保障。其次，是否培养学生的科学思维能力是科学探究活动成效的硬性指标，科学思维是学生在物理学科丛林中披荆斩棘的一把利器，永远不能丢。教师在科学探究活动中的作用不可小觑，一定要树立正确的学生观、课程观，还要有深厚的教育情怀，将鲜活的学生群体置于探究活动的中心，教师应是引导者、方法的建立者，绝不是简单的知识传授者。唯有怀揣梦想的教师带领学生在科学探究的道路上做个坚定的践行者，才能缩短与理想的彼岸之间的距离。