实验课利用问题链培养学生科学探究能力

肖朝晖

《义务教育物理课程标准》（2022年版）中提出：核心素养是课程育人价值的集中体现，是学生通过课程学习逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的正确价值观、必备品格和关键能力。物理课程要培养的核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面。为落实育人目标，在真实的课堂上，教师常常以提问的方式突出自己的主导作用，学生作为学习主体，围绕问题进行思考、开展讨论，最终学会知识、提高能力、形成素养。于是，问题链教学模式应运而生，它是教师依据教学目标创设一个围绕教学内容的问题情境，将教学内容设置成一系列的问题，让学生一步一步进行探究，从而达到教学效果的一种教学模式。

笔者在教学初中物理“伏安法测电阻”实验课时设计了四个问题链，围绕科学探究层层递进，不断提出问题，促使学生猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理数据，得出结论并作出解释，从而达到知识目标和能力目标。

一、围绕实验目标设计问题链

师问1：应用已有知识，我们如何测量电阻的阻值？

生：利用欧姆定律，通过测量电阻两端的电压和流过电阻的电流，求出电阻。

师问2：物理学中把这种方法称为伏安法，下面请大家尝试设计电路图。

生：（动手设计）如图1。

师问3：这个电路能否正常测量？

生：不能，缺少电源、开关。（动手完善）如图2。

师问4：请小组讨论，这个设计有没有问题，可不可以改进？

（如果学生讨论后还是无法回答，教师提示：这个电路只能测得一组电压、电流数据，能否设计成可以测量多组数据的电路呢）

生：不能。

师问5：那么有没有必要多测几组数据呢？

生：有必要，因为多次测量取平均，可以减小实验误差。

师问6：如何实现？

生：加入滑动变阻器（改进电路），如圖3。

师：请根据电路设计，归纳实验原理、实验器材，并设计实验数据记录表。

设计意图：为测量电阻，教师抛出了第一个问题链：实验目的（测电阻）→利用欧姆定律确定方法（伏安法）→电压表并联、电流表串联（电路不完整）→完善电路（只测得一组实验数据）→加入滑动变阻器。至此实验电路设计完成，从而顺利地完成了实验原理、器材和实验记录表的归纳整理。这一问题链虽然简单，但却是全课的重点，奠定了这节课的基础，实现了基本的教学目标。通过有层次地不断发问，教师调动了学生的学习积极性，活跃了学生的思维，引发学生对逐个解决问题的思考，最终设计制定了实验方案。在这一过程中，教师引导学生强化了物理概念，深化了对欧姆定律内涵的领悟，实现了科学探究能力的培养。

二、围绕实验过程设计问题链

师问1：下面我们来设计实验步骤。

生：步骤1按照电路图连接实物;步骤2移动滑动变阻器的滑片，测三组对应的电压值、电流值，记入表中。

师问2：步骤1中需要注意什么？

生：连接电路时开关断开，使滑动变阻器接入电路的阻值最大;电流从电压表、电流表的正接线柱流入，负接线柱流出;仪表选择合适的量程;注意试触。电路如图4。

师：为减小误差，在移动变阻器滑片的过程中最好让电压表、电流表的示数在量程的三分之一以上，把实验数据记录在表中。

生：（记录数据）

设计意图：为进行测量，教师抛出了第二个问题链：实验步骤（动手测电阻）→按照设计好的电路图连接实物（注意事项）→移动滑动变阻器的滑片，开始测量→测量三组对应的电压值、电流值，记在表中。这一问题链相对零碎，但却是实验操作的重点。动手操作与问题链的结合大大集中了学生的注意力，引导他们正确地使用实验器材，归纳实验细节，防止无序实验的发生，培养了学生的动手操作能力和通过实践操作收集实验信息的能力。

三、围绕数据处理设计问题链

师问1：如何处理数据？

生：利用三组对应的电压值、电流值，根据欧姆定律，求出三个电阻值，取算术平均值即为被测电阻的阻值。

师问2：为什么要取平均值？

生：可以减小实验的偶然误差。

师问3：可以将三个电压值、电流值分别取算术平均值，再求电阻值吗？

（开展小组讨论，教师提示：取平均是对于测量同一个物理量时减小误差的办法）

生：不可以，因为三个电压值、电流值不是同一电路状态下的物理量，是不能取平均值的。

师：注意完成数据记录表。

设计意图：为处理数据，教师抛出了第三个问题链：数据处理→为什么要先求阻值，再取平均值，而不是先取平均值，再求阻值→得出结论。在这一问题链中，问题数量相对较少，但却能加深学生对数据处理这一知识点的理解。通过对收集数据的比较和整理，依靠合作交流，教师归纳总结出本次实验的数据处理方法和注意事项，得出了被测电阻的阻值，使学生深刻理解多次测量取平均值这种处理数据方法的内涵及其对减小实验误差的意义。

四、围绕提升思维能力设计问题链

师问1：若实验中有两个电压表，没有电流表，还能测出电阻吗？

生：不能，可以测电压，但无法测电流。

师问2：可不可以利用多出来的电压表设计出一个可以测量电流的方案？

生：不能。

师问3：如果再提供其他电路元件呢？请各小组讨论一下。

（如果学生无法回答，教师提示：基于已有知识，如果测出一个已知电阻两端的电压，那就意味着知道了通过它的电流）

生：（恍然大悟）如果有一个已知阻值的电阻R0，用电压表测出R0两端的电压U0，那么根据欧姆定律，就可以求出流过R0的电流。

师问4：尝试画出电路图。

生：（动手设计）如图5。

师问5：请总结一下我们的设计。

生：用电压表和已知电阻R0并联就可以构成一个“电流表”。

师问6：现在用我们设计好的“电流表”，来完成测量电阻的电路图。

生：（动手设计）如图6。

师问7：如何用测量出的物理量来表示被测电阻的阻值？

生：用电压表V1测Ux，用电压表V2測U0，Ix=I0=，得Rx=R0。

师问8：如果只有一个电压表可不可以实现目的？

生：分别测量Ux和U0，同样可以实现目的。

师问9：根据以上结果，请大家思考，如果只有电流表，可不可以测电压？

生：用电流表和已知电阻R0串联，就可以构成一个“电压表”，如图7。

师问10：现在我们用设计好的“电压表”，来完成测量电阻的电路图，并表示被测电阻的阻值Rx？

生：（动手设计）如图8，用电流表A1测Ix，用电流表A2测I0，Ux=U0=I0R0，得Rx=R0（或用一个电流表分别测量I0和Ix）。

师：以上就是单表测电阻的方法，最终我们还是回归到了伏安法测电阻的基本原理上。

设计意图：为提升思维能力，让学有余力的学生得到成长，教师抛出了第四个问题链：提出新问题（只有电压表，没有电流表怎么测电阻）→用电压表和已知电阻并联构成的“电流表”测电流→用测量出的量表示未知电阻的阻值（同理只有电流表和已知电阻也可以测量未知电阻）。这一问题链难度最大，是实验的升华。教师引导学生利用已有知识，通过转换的思想，发现电压表和已知电阻并联就相当于一个电流表，同时电流表和已知电阻串联就相当于一个电压表，最后仍旧回归到伏安法测电阻的实验原理上。对此问题的解决提升了学生提出创造性见解的能力与品格。

在“伏安法测电阻”实验课的案例中，教师精心设计教学环节，按照初中学生的认知规律，充分考虑了学生的学习主体地位。通过四个问题链的巧妙设计，教师与学生一起经历实验的设计、操作、数据的记录和处理过程，加深了学生对本实验的认识和对欧姆定律的理解，提高了动手能力。考虑到不同层次学生的需求，问题难度层层递进，学生的思考不断深入，师生共同总结出了单表法测电阻，让全体学生都有所收获。通过科学推理、质疑创新，教师达成了学生科学思维的提升，通过论证解释、讨论交流，提高了学生的表达能力，同时也使学生形成了严谨认真、实事求是的科学态度。问题链的设计为高中物理学习电压表、电流表的本质属性和相互关系，各种测电阻的方法，实验误差分析奠定了理论和能力基础，实现了学生物理学科核心素养的真正提升。

◇责任编辑 邱 艳◇