实践核心素养下优化科学探究过程的思考——以“导体的电阻”教学为例

谭国锋

(杭州第二中学 浙江 杭州 315009)

新一轮课程改革中物理学科的核心素养由“物理观念”“科学思维”“科学探究”和“科学态度与责任”4个方面构成.基于对知识序、认知序和教学序的理解和考虑，笔者以为这四者之间的关系应是以“科学探究”为载体，以“科学思维”为主线，让学生经历和体验物理学习的过程，并基于这些体验和经历树立“科学态度与责任”，进而实现“物理观念”的建立.因此学生“科学探究”能力的培育对于学生物理核心素养的习得是尤为重要的.

“科学探究”是指提出科学问题、形成猜想和假设、设计实验和制定方案、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.主要包括问题、证据、解释、交流与合作等要素.遗憾的是很多教师眼中的科学探究课堂是费时、费力、出不了成绩的作秀课；听到的很多探究式教学的公开课上，教师过多的关注于自己的教，并没有从学生出发，去关注学生的学，程序式的探究的流程，漠视学生为什么要探究，怎么进行科学探究，探究的结论有什么积极的作用.如何在核心素养的指导下，真正从学生出发，优化科学探究的过程，笔者有一些粗浅的思考，下面以人教版《物理·选修3-1》“导体的电阻”这一节典型的规律课为案例，谈谈自己对核心素养下优化科学探究过程的认识.

1 教学分析

1.1 教材分析

导体的电阻是本章内容中第六节内容，既是对前面所学几节知识的应用，又是通过本节的学习，尝试用伏安法测量电阻，体验科学探究的基本方法，让学生对物理规律的得出过程有最直观的体验.

1.2 学情分析

学生在初中已经学习了导体电阻和哪些因素相关的定性概念，但是对定量的关系，仍然没有理论上的高度认识，在前面几节的学习中，也掌握了伏安法等基本的电阻测量方法，也具有了一定的实验探究基础.

但是，本节教材对于导体的电阻的规律，照本宣科很难引起学生的学习兴趣.教学中只给出了理论的推导和一组定性判断电阻与长度关系的演示实验，没有科学的探究过程，学生的核心素养很难在课堂上得到提升.

思考：教材分析中我们总是从物理学角度判断该部分内容很重要、从“考”的动机上“确定”该内容的“核心”要素，总是线性地思考学生已经掌握了什么、应该具有什么能力.核心素养的视角下教师对教材定位时要多一些立足学生的自问：学生对“规律”类的问题是否感兴趣、对影响电阻大小的因素有何种层次的理解(是记忆公式还是有科学思考)、对“问题与探究”有怎样的期待等问题.

2 教学目标

核心素养下“导体的电阻”教学目标如表1所示.

表1 核心素养下“导体的电阻”教学目标

思考：用基于核心素养发展的课堂教学目标体系为指导，能够让课堂教学紧扣清晰的核心素养培养目标来开展，可以让学生充分地参与到课堂和科学探究中，在经历科学探究的过程中，各维度都得到发展，真正做到课堂以学生为主体，有着比传统三维教学目标更好的指引性.

3 教学过程

3.1 问题情境引入

随着生产的发展，我们经常能够听到某个工厂的火灾新闻，其中很多的火灾现象都来源于电器内部.

演示实验如图1所示.将一张葫芦状的锡纸(来源于香烟壳，不同地方粗细不同)与滑动变阻器一起串联接入7 V的交变电路上,问学生：会发生什么？一个学生上台闭合电路，完成实验，发现火苗从最细的中间烧起来.

图1 演示实验

提问：为什么是最细的位置烧起来？导体的电阻与何因素有关？

思考：引入的问题情境的价值在于激发学生的问题意识，彰显探究的意义，在于调动学生的探究兴趣.联系课堂的发展方向，来源于生活的情景和实验引入，能够让学生有较强的科学态度和热情，能够为后续的科学探究顺利开展蓄势.

3.2 科学猜想的诞生

(1)猜想的启发

首先让我们看看不同型号的电阻,如图2所示.现在的汽车头灯一个灯泡中有两根钨丝可调远近光，如图3所示，看看这些电阻的大小，可能和哪些因素有关系？

图2 不同型号的电阻 图3 汽车头灯中的钨丝

(2)猜想的引导

立足于思考有以下几种猜想.

学生甲：由滑动变阻器可以知道，电阻与导体的长度有关；

学生乙：灯丝粗细不同，电阻不同，电阻与导体的横截面积有关；

学生丙：质量、密度不同，电阻也不同，电阻与导体的质量、密度有关;

学生丁：温度不同，电阻也不一定相同，可能和温度有关.

温度、质量和密度，都与导体的材料有关，归类到材料当中.

思考：猜想不是任学生“天马行空”般的胡思乱想，也不是留于形式的假猜想.学生的猜想是一个从懵懂逐步走向成熟的过程.教师需要有充分的预设，高屋建瓴地引领学生思考的方向，肯定并鼓励学生的各种猜想，并能提取合理的进行整合和归类，引导到课堂探究的主线上.

3.3 科学探究的步步深入

(1)实验探究R与L，S的关系

1)方案设计的引导.

问题1：当研究的物理量与两个及以上的量有关系时，怎么办？具体如何控制？

问题2：如何去测量这些物理量？

2)小组合作，控制材料与S相同，研究R与L的关系，实验器材如图4所示.

西门子MP277触摸屏采用WinCC flexible软件组态操作界面，用以监视变频器的参数与状态信息、显示重要参数的历史趋势、给出故障处理建议、计算节能等功能。PLC将用户的控制指令通过RS-485通讯发送给指定变频器，变频器做出对应的应答信息。系统主从设备之间严格的控制与应答请求，确保了整个控制系统的准确性、安全性和可靠性。

图4 实验器材

实验探究，数据处理，根据图像得出R与L成正比.

3)师生合作，测量5根长度相同，横截面积逐倍增加的镍铬合金的电阻，并作出图像如图5所示，分析如下.

图5 横截面积S/S0与电阻R的关系曲线

问题3：该图像分析结果能否说明R与S成反比？需要如何处理？总结化曲为直的思想，改变纵坐标，再重新作图分析,如图6所示.

图6 横截面积S/S0与电阻倒数的关系曲线

(2)理论探究R与L,S的关系

1)引导学生建立问题模型

假设原电阻为R0，当它的S0不变，长度变为n倍时，若能找到R变成几倍，就能找到R与L的关系；同理若L不变，面积变成原来n倍时，若能找到R变成几倍，就能找到R与S的关系,问题模型如图7所示.

图7 问题模型

2)逻辑推理得出问题结论

(3)定性探究R与材料的关系

1)控制变量，对所测量的数据进行观察，找寻导体的电阻R随材料不同会发生变化,如表2所示.

表2 R与材料的关系

2)演示实验，感受R与温度有关

将小灯泡与日光灯管的灯丝串联接入3 V直流电路,如图8所示，让同学上台对准日光灯管的灯丝吹气，观察会有什么现象产生？

图8 演示实验：R与温度的关系

学生上台实验，发现吹气时，小灯泡变亮.吹气时灯丝温度的降低，改变了灯丝的电阻大小.

3)理论推导，引出电阻率相关教学

从成正比到等式，需要加一个比例系数，这个比例系数与导体的材料有关，需要引入新的物理量，即电阻率，完成电阻率相关内容的教学.

3.4 探究成果回归生产和生活

生活应用一：北京质监局对电线电缆进行检测，大部分存在电阻不合格问题，主要是铜材质量不合格，是通过什么原理进行的检测？

学生活动：如图9所示，通过电线产品合格证上显示的信息，对导线的电阻进行计算，再用多用电表测试实际的导线电阻大小，判断是否合格.

图9 电线产品合格证

由产品合格证的信息推算，若是纯铜导线，电阻大小

用数字电压表测得实际导线的电阻大小为1.26 Ω，说明该铜质导线掺有杂质.

生活应用二：展示电脑的发展过程，现在的电脑很难看到电阻的影子，电阻微型化是基于什么原理？

学生活动：

(1)理论推导.高相同，底面边长不同的正方体电阻大小相同.

(2)实验.大小不同的两张正方形导电纸，如图10所示，用数字多用电表测其电阻，测得电阻大小几乎相同.

思考：学生本节课对影响电阻大小的因素的学习和认知来源于生活，通过科学探究得出的结论又能反过来应用于生活，这个体验能够让学生在原生态地理解科学、技术、社会的基础上，逐渐形成对科学和技术紧密联系的正确态度以及责任感，落实科学态度与责任的核心素养培养.

图10 大小不同的正方形导电纸

3.5 课堂小结中的品味与展望

品味：总结本节课研究过程中的科学探究方法和物理思想.

(1)总结科学探究方法：问题→猜想→设计方案→理论、实验验证→结论→应用

(2)总结物理思想：控制变量、类比、间接测量、化曲为直、建立模型

展望：

(1)若温度不断降低，电阻是否可以取向零，变成超导，会对我们的社会产生什么影响？

(2)电阻可以做到微型化，由此启发，电阻是否做得越小越好？

思考：当前看到课堂小结多半是“走过场”式，几乎是照着板书从头到尾的念一遍.小结是对整个课堂从核心素养目标角度的一个新认识，特别是对于科学探究的过程和方法、学习的情感体验应该有“品味”的态度.小结不代表通过一节课，对所探究的问题画上一个句号，应该是对探究问题的更多关注画上一个问号，让学生饱有科学探究的热情和责任感.

4 教学反思

本节课的鲜明特色是以核心素养为指导，从教学目标的制定到探究过程的开展都基于核心素养的4个维度进行设计.整节课下来，无论从学生的反应还是从自己教学体会来看，都充满着生命力，紧盯主题问题情境和循序渐进的问题铺垫，让探究内容在 “期待”中生成；理性的科学探究与感性的合作交流相交融，让物理研究的课堂体现着“一花一世界、一叶一菩提”的韵味.学生通过课堂经历了科学探究的过程，发展了科学思维，体验了科学的奇妙与艰辛，培养了科学态度和责任感，落实了物理课堂核心素养的培养.