学习进阶视域下的高中物理实验复习

王国园

摘 要：物理实验不仅是重要的教学方式，同时也是高中物理的重点和难点。物理学习进阶是在一定的教学影响下，学生的某一知识和素养随时间不断提升的过程。本文在分析进阶起点、预设进阶目标、诊断进阶障碍的基础上，探究学习进阶视域下的电学实验一轮复习的教学路径，以提高复习效率，不断增强物理实验意识，促进学生理解物理学科的科学本质，提升物理学科核心素养。

关键词：学习进阶;电学实验;实验能力;物理思维

一、问题缘起

物理实验不仅是重要的教学方式和手段，同时也是高中物理的重点和难点。通过自主探究和合作实验，可以激发学生的学习兴趣，不断增强物理实验意识，多角度地将实验和知识相结合，理解物理学科的科学本质，提升物理学科核心素养。高考也非常重视对物理实验的考查，近年高考不仅增多了實验试题的数量和分量，而且考查方式多样、灵活、新颖，更侧重于通过思维推导来考查学生对实验思想和方法的理解[1]。实验考查内容趋于多元化、生活化，不再是单纯地考查某一个实验，而是将多个实验交叉和组合[2]。

近年来，学习进阶理论逐渐应用到学科教学中[3]。将学习进阶理论应用于物理教学，物理学习进阶是在一定的教学影响下，学生的某一知识和素养随时间不断提升的过程。根据学习进阶理论，笔者将高中物理实验学习进行分段，分析新课教学、一轮复习、二轮复习、三轮复习中的学习情境和学习目标。新授课阶段，大多问题都是简单的物理情境，学生要能够认识基本的电学实验仪器，对每个具体实验的原理也要有一定程度的理解，能够简单分析实验现象和推理实验结论。但大部分学生在新课教学中往往只关注单个实验的理解，对电学实验的基本方法和原理缺乏横向联系和整体的认识。一轮复习是温故知新的过程，重在打破教材原有章节的界限，在逐步深入的过程中生成新的知识，这样可以让学生认识到各个实验之间是有联系的，激发学生思考事物内在联系的意识。一轮复习课既要创设综合的物理情境，也要创设简单的现实情境，在情境中引导学生重组和建构实验原理和方法，使用证据从不同角度表达结论，以此来提升学生的综合分析能力。电学知识内容较多，综合性较强，所以还要有二轮复习和三轮复习。二轮复习过程中不能再局限于教材实验，需要循序渐进地引入一些学生熟悉的现实情境，学生运用基本实验知识处理熟悉的实际问题，引导学生能够对已有结论提出有依据的质疑，培养学生迁移与运用实验原理和方法的能力。三轮复习课需要分析近年高考动态以进一步拓展延伸，创设综合的、新颖的现实情境，在真实情境中将不同阶段的同一核心概念循序渐进地有机整合，强化学生对实验原理和方法的理解。

二、学习进阶视域下的电学实验一轮复习课教学分析

在高一高二的学习中，教师和学生往往关注各个基本知识点的建构和运用，知识呈现碎片化。一旦综合考查电学的实验，便出现五花八门的错误。为了突破这个局限，根据课标要求，笔者尝试将“学习进阶”理论应用于电学实验一轮复习，寻找合适的学习进阶路径，设置适合学生认知发展规律的“脚踏点”，引领学生实现概念重构和知识联结。

（一）进阶起点分析

电学实验内容较多，涉及欧姆定律、电流表和电压表、滑动变阻器等的深刻理解，还有仪器仪表读数问题、图像转换、相关变式等，所涉及的实验方法和仪器组合的方式较多，并且各个实验仪器的选择和实验原理之间的关系错综复杂，考查情境变化多样，综合性较强。并且虽然近年高考电学实验仍然是以中学物理基本知识和实验方法为基础考查，但为了防止学生背题套题，都是考查“新实验”，这就要求学生要有较高的分析能力和知识迁移能力，但高三学生知识迁移能力较弱，常常需要教师通过不断总结和拓展来引导学生理解。

（二）进阶目标预设

依据课程标准和学习进阶理论，结合近年高考电学实验的特点，把教学目标分解成多个层级，在教学中逐步进阶，达到进阶终点。

一级目标：识别并了解常见电路元器件及其在电路中的作用，掌握常用仪器的读数方法，能够选择合适的实验仪器和电路完成实验，培养学生的实验操作能力;

二级目标：以教材中经典的基础实验为原型，理解各个实验原理，掌握各个实验的测量步骤和操作方法，能够用文字、公式简单表达实验结果，培养学生分析处理数据的能力;

三级目标：能够综合考虑实验原则来设计实验方案，掌握利用图像、公式等来表达实验数据的方法，发展学生应用数学知识处理问题的能力。

（三）进阶障碍诊断

根据以上分析，学生可能存在以下困难：1.难以选择仪器和量程。大多数学生都知道仪器和量程的选择要考虑安全、误差、便捷等因素，但在实际问题中，如何运用这些原则准确选择呢？2.如何接入电流表，内接？外接？有哪些区别？不少同学只是知道“大内偏大，小外偏小”，而不知道它的来龙去脉，在具体问题中不能正确做出选择。3.如何正确选择滑动变阻器，分压还是限流如何接入？4.实验数据的处理和误差的分析对大多数学生来说更是不知所措。

三、教学实践过程——以“伏安法测电阻实验”为例

梳理历年高考电学实验，发现所占比例最大的就是应用各种方法测电阻的探究性实验[4]。电阻虽然有很多种测量方法，但都是对伏安法的拓展。“仪器的选择”和“电路的设计”是测电阻实验的两个基本问题。笔者拟从伏安法测电阻入手，把涉及的知识点和实验方法为主线串联起来，将类似的实验归纳总结，先提炼各个实验的主要思想方法和实验原理的共性，再分析每个实验的具体方法和特点，分别梳理个性问题，并进行适当比较。通过微专题的方式，以教材中的典型实验作铺垫，以思维发展为前提，设置多个中间层级，由浅入深地实现认知和思维的进阶。

（一）进阶一级：厘清概念，完善认知

这一阶段主要是识记和理解的低阶思维，重在复习和落实基本实验知识和方法，厘清不同实验电路和实验仪器的区别，这部分知识是后续各个电学实验的必备知识，联系着实验的误差分析，是后续进阶的基础。

在教学中，首先，带领学生重返实验室，在实验室经历各个实验的操作过程，学习电学实验基础，以设计者、实验者的身份真正参与一系列探究活动和思考活动，在不断操作、纠错、补漏、交流的过程中，加深理解各个实验仪器和原理，训练各项实验技能，掌握基本实验的方法和思想。学生要正确读出电表、螺旋测微器、游标卡尺等示数，理解电压表和电流表的由来和“同一性”。紧接着，让学生做实验基础知识的思维导图，小组讨论，教师分模块补充和总结。

电流表的内外接法一直是教学难点，即使高三学生也是屡做屡错，是这一进阶过程的重点。准确把握学生的认知起点和思维障碍，结合原型实验，选择典型实例，以具体问题情境为载体，击破学习难点。

例1：现想测一个电阻的准确阻值（约为10Ω），器材有电压表V（量程为3V，内阻约为1kΩ）;电流表A（量程为300mA，内阻为1Ω）。

问题1：如何接入电流表？这个问题跟我们之前遇到的有什么不同？

大多数同学会思维定式地从“大内小外”的角度，直接选择外接法。由此反映出学生只是记住了“大内小外”的结论，而没有理解本质。

在复习伊始，先通过具体的实验仪器唤醒学生对电流表相关知识的记忆，然后以这一典型例题为载体来引起学生的认知冲突，再结合改装原理说明电流表的本质，以及其分压的原因，帮助学生真正理解和领会电流表的内外接法的原因和选择原则，引导学生感悟误差分析的方法，一步步击破学习难点。

问题2：如果电流表的准确内阻已知，就要内接法接入电流表。如果电压表和电流表的准确内阻都已知，那如何接入电流表？测量结果偏大还是偏小？

在学生理解了电流表本质的基础上，教师进一步提出问题2，引发学生深度思考，深化学生对电流表和电压表的认识，培养学生的知识迁移能力。

（二）寻阶而上：分析现象，串联知识

在掌握和整合各个实验器材原理和方法的基础上，对比教材四种实验方案，学生要能够准确选择器材和量程，正确连接电路图和实物图，这需要学生的分析和推理能力。

问题1：测电阻的课本实验方案有哪些？每个电路的优缺点有哪些？适用于哪些情况？

从学生的“已知区”出发，挖掘教材实验，通过提示实验原理和给定较符合的实验器材来简单化，让学生在熟悉的器材环境中进行实验。先引入例2较简单的物理情境，学生自主选择器材，设计电路图，分小组在实验室完成操作。

例2：现要测定电阻Rx的阻值（约为100Ω），有滑动变阻器R（最大阻值为10Ω），电流表（A1量程300mA，内阻约为5Ω;A2量程50mA，内阻约为1Ω），电压表（量程3V，内阻约为3kΩ;量程15V，内阻约为5kΩ），电源（电动势10V）

问题2：如何选择电表和量程？如何设计电路图？该实验有没有系统误差？偏大？偏小？如何分析？

在具体操作过程中，教师还要帮助学生排查电路故障、规范实验操作、进行错误纠正等。在实验的最后，带领学生通过公式和图表简单分析实验数据和误差，唤醒学生误差分析的意识。

新课标要求学生不仅能够给现有情境制订出合适的实验方案，而且自己要从不同角度提出可探究的问题，并根据实验室现有器材设计和调整实验方案，完成实验过程，并获取、分析数据和误差。在例2的基础上，改造实验情境，换器材，减器材，让学生根据实际条件调整方案，重新设计电路。实现学生的“已知区”到“认知发展区”的进阶。

变式1：在例2的基础上，减掉两个电压表，增加电流表（A2量程250mA，内阻为5Ω）

问题3：改变例2的实验器材，只有两个电流表，缺少电压表，如何选择仪器和量程？如何设计电路？

问题4：金属丝的电阻为？该实验有没有系统误差呢？如何分析？該实验方案存在哪些缺陷？你将如何改进？

问题5：继续改变器材，拿掉电流表，只有两个电压表，试着按照变式1的思路设计实验方案。

以例2为铺垫，通过加、减、换器材的方式来拓展和改造实验情境，根据已知条件和内在逻辑设置问题链，引导学生根据实际条件一步步分析，寻找更精确的实验方案和测量方法。

读出电表示数之后，还需根据电路和电表的具体内阻来计算金属丝的电流和电压，进而求出金属丝的阻值，并分析可能的系统误差和偶然误差，这是一个难点。分析和结束数据需要很强的处理信息能力与逻辑推理能力，思维跨度较大，这一过程不可能一蹴而就，需要教师的一步步引导。该层级主要是强化学生实验误差分析和实验方案评价的意识，这些能力的进一步提高还要在之后的进阶过程中“小碎步”推进。

（三）逐级深化：深化拓展，融会贯通

除了教材中原有的学生实验外，高考还会以演示实验、拓展学习和“科学漫步”等为背景，结合时事热点，设计综合、新颖的情境，来考查学生的知识迁移能力、思维推理能力和实验探究能力。

例3：待测电压表（量程为3V，刻度清晰，数字模糊，内阻约为5kΩ）;电流表（量程为1mA）;变阻箱R0（0～9999.9Ω）;滑动变阻器（R1最大阻值为20Ω，额定电流为1A;R2最大阻值为500Ω，额定电流为0.5mA）;电源（电动势为9V，内阻约为1Ω）;开关一个，导线若干。

这是综合设计性实验，体现了实验探究的全过程。这一问题不再是学生常见的实验，而是综合设计性实验，体现了实验探究的全过程。电压表的刻度清晰，但是数字模糊，无法直接读数，只能直接得到变阻箱接入电路的阻值和电流表的示数。如何设计电路才能由R、I得到电压表的内阻RV，需要学生有较强的推理能力和创新思维。教师可以在简单分析实验器材的基础上，直接给出实验电路图，再让学生选择需要的滑动变阻器，这样既降低了思考难度，又可以促进对电路的理解。

根据多组实验所测的数据选择横纵坐标绘制图像，运用相关的物理关系写图像的函数关系式，分析处理实验数据，得出正确的实验结论，是实验探究的重要环节，也是近年高考的热点。这一过程体现着学生的数据处理能力和信息加工能力，是高阶思维能力，需要逐步培养。教师可以先引导学生推理得出含有R、I、RV的函数关系式，再选择合适的横纵坐标将其转化为图像。

问题2：如果在例3中，电流表的刻度清晰但数字模糊不清，该如何设计电路？如何设计实验方案？从实验原理的角度又存在哪些误差？

改造例3，改为测电流表的内阻，经历相似的探究过程，通过对比来加深学生的理解。由于有上一阶段的探究为基础，这一过程将以学生自主设计和小组讨论相结合的方式得出实验方案，使得学生的真实思维过程充分展现，突出了教学的开放性、研究性。最后，教师应用同屏技术展示和点评。

结束语

根据学习进阶理论，结合物理思维发展的需要，抓住学生的认知起点和思维障碍，以专题和微专题的形式整体规划电学实验复习，设置合理的进阶层级。在这些大“阶”的基础上，通过“问题链”铺路搭桥，层层递进，逐步深入，交互式地不断推进着学生的思考和教学的发生，引领学生实现概念重构和知识联结，逐步培养物理实验能力。

参考文献

[1]王丽，张军朋.稳中有变变中求新有迹可循：恢复高考以来高考物理全国卷实验试题统计分析[J].物理教师，2020（41）：4，81-84.

[2]杨清源.试谈北京高考物理实验试题的新变化[J].物理教学，2020（42）：4，28-31，20.

[3]翟小铭，郭玉英.十年来国际物理教育研究热点分析及启示[J].全球教育展望，2015（44）：5，108-117，124.