基于学生物理学科核心素养提升的教学实践研究——以“测量‘饮料’的电阻率”教学设计为例

广东省佛山市顺德区均安中学(528329) 张 超 邓泳欣

1 高中实验教学的背景与现状分析

2018年初,国家教育部正式颁布实施《普通高中课程方案和学科课程标准(2017年版)》。作为高中教学的核心纲要标准,相较2004年版本,2017年版课标有着重大的发展与创新。对于高中物理教学,明确提出了物理学科素养,包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个方面。基于物理学科素养的内涵分析,“物理观念”素养体现物理基础原理和规律的理解掌握；“科学思维”素养体现逻辑分析和建模推理的思维能力；“科学探究”素养体现设计实施和动手探索的实践能力；“科学态度与责任”素养体现学生科学态度和社会责任的浸润养成。因此,高中物理实验为培养学生学科素养提供了肥沃的土壤,是深化物理教学的重要手段。特别是《普通高中物理课程标准(2017年版)》对于学生实验提出了明确要求：“学校应充分利用已有的实验器材,努力开发适合本校情况的实验课程资源,尽可能让学生自己动手多做实验,提升学生的物理学科核心素养。”这更体现出课程标准对于高中物理实验的核心要求。

关注当前高中物理实验教学现状,常常与课程标准存在很大偏离,更谈不上全面落实学生物理学科素养的培养。究其原因是受单一的实验笔试考查方式所制约和影响。特别是“做实验不如讲实验”“做实验不如做实验题”等错误的教学思想和方式仍广泛存在于当前的物理教学中。因此,改变当前物理实验教学现状,应明确物理核心素养立意,回归物理课程标准。

2 基于学生物理学科核心素养提升的教学案例

基于《普通高中物理课程标准(2017年版)》所提出的“物理学科核心素养的水平划分”,针对学生实验素养包涵：“能分析物理现象,提出可探究的物理问题；能制定和实施实验方案、使用基本的器材获得数据；能分析数据,发现特点,形成结论,尝试用已有的物理知识进行解释；能撰写实验报告,用学过的物理术语、图表等交流科学探究过程和结果等。”高中物理实验教学应重点关注实验观察与方案、科学操作与实施、数据采集分析与形成结论等方面。基于理论研究学习,结合自身教学实践,现以“测量‘饮料’的电阻率”教学设计为例,供同行参考。

2.1 教学内容分析

“测量‘饮料’的电阻率”是人教版高中物理新课程内容。高中物理课程标准对本节的要求是：“通过实验,探究并了解金属导体的电阻与材料、长度和横截面积的定量关系,会测量金属丝的电阻率。”通过之前的学习,高二学生已初步掌握了电路的基本知识,具备了开展自主探究电阻率的实验能力。因此,本节内容实质上是学生探究实验“测量金属丝的电阻率”的拓展,旨在进一步锻炼学生的实验创新能力及科学探究能力。

2.2 教学设计思路

“测量‘饮料’的电阻率”的设计思路重在学生物理学科核心素养的培养提升。在整个教学流程设计中,以学生参与的佛山市50km 徒步活动为课堂导入,引出运动饮料能够快速补充人体所需的水分和电解质的话题,激发学生的学习兴趣和探究欲望。通过现场品尝、成分表对比等课堂活动,引出运动饮料与矿泉水电解质含量的差异,提出问题——如何测量“饮料”的电阻率。带着问题,沿着教材线索,结合所配备的器材,开展实验探究。第一环的演示实验属于探索发现层次,重在证明均匀的电解质溶液满足电阻定律；第二环的合作探究属于整合设计层次,重在设计出测量“饮料”电阻率的实验方案；第三环的合作探究属于总结层次,重在测量出矿泉水和运动饮料的电阻率。3 个核心环节层层递进,帮助学生开展合作探究,掌握科学方法,促进物理学科核心素养的提升。

2.3 教学目标定位

根据课程标准对本节课的具体要求,以提升学生物理学科核心素养为主旨,针对学生的心理特点和认知水平,结合教材,确定本课的教学目标。定位如下：

(1)能根据演示实验事实归纳出均匀的电解质溶液满足电阻定律；

(2)结合测量金属丝电阻率的实验方法,设计出测量“饮料”电阻率的探究实验方案；

(3)动手开展实验探究,体会科学探索过程,提高数据处理能力,掌握科学思维方法；

(4)激发学生的求知欲望,促进物理学科核心素养的提升。

2.4 教学流程图

教学流程设计如图1所示。

图1 教学流程图

2.5 教学过程设计

(1)生活情境引入

播放视频——2019年3 月,佛山市50km 徒步公益活动盛大举行,我校全体学生参与了本次公益活动。借助公益活动,引出一个与生活息息相关的问题。

问题1：运动过后,身体大量流失能量和电解质,此时运动饮料应运而生。运动饮料有什么作用呢?

学生活动：组内讨论,自由回答。

设计意图：由情景引入课堂对电解质饮料的思考,进而引导学生思考不同“饮料”导电性能是否有差异,激发学生的学习热情。

(2)教师演示实验

教师利用自制教具演示实验,引导学生观察小灯泡的变化实验原理图(见图2),课堂演示效果如图3所示。

图2 定性探究“饮料”电阻实验仪电路图

图3 课堂演示实验

实验步骤：①将铜片插入运动饮料中,闭合开关,观察小灯泡变化；②增大两铜片之间距离,观察小灯泡亮度及电流表示数的变化；③改变右侧铜片浸入液体中的面积,观察小灯泡亮度及电流表示数的变化；④保持有效长度和横截面积不变,将铜片浸入矿泉水中,观察小灯泡亮度及电流表示数的变化。

问题2：提出电解质溶液的电阻与饮料本身性质、介入电路的溶液导体有效长度及横截面积有关,提出电阻定律也适用于电解质溶液的知识拓展,引导学生回顾电阻定律。

问题3：根据电阻定律,要测量出“饮料”的电阻率,我们需要测量哪些物理量?

学生回答：①接入电路中的有效长度L；②铜片浸入液体中的横截面积S；③接入电路中待测饮料的电阻R(教师补充电解质溶液导体模型)。

设计意图：通过定性探究,让学生理解电阻定律同样适用于电解质溶液,让学生构思实验探究的方向；通过将液体类比成长方体的金属导体,挖掘测量“饮料”电阻率实验中需要特别关注的必备条件,渗透物理观念。

(3)设计实验电路

问题4：请各小组开展讨论,设计测量“饮料”的电阻率的实验电路。

教师给两个提示：①“饮料”的电阻属于大电阻；②利用图像法测量电阻需要电压和电流的测量范围尽量大一些。

学生活动：开展组内讨论与合作,共同设计测量“饮料”的电阻率的实验电路。设计结束后,各小组进行实验电路展示,教师进行点评,从而确定科学的实验方案。

设计意图：通过任务驱动型探究活动,让学生学会物理知识的迁移,设计出测量“饮料”电阻率的实验电路,培养学生运用已有知识解决新问题的能力。

(4)小组合作探究

问题5：开展分组实验活动,小组合作探究,测量“饮料”的电阻率。

学生小组合作,运用图4自制的实验装置进行实验探究,并将结果填入表格中。在探究活动结束后,组织学生进行成果展示,每个组派1～2名代表,展示操作方式并讲解,其他小组认真观察、思考,并进行记录。

图4 自制实验装置

设计意图：本探究环节是课堂核心内容之一。首先给予学生充分的实验时间,其次让学生大胆尝试。根据笔者多次授课实践经验,学生基本可以找到产生感应电流的操作方式。

(5)实验成果展示

学生以小组为单位对实验数据进行处理及分析,并运用“多屏同步技术”进行成果展示,每个组派1 名代表阐述结论,其他小组可提出质疑或补充。

设计意图：通过数据处理,培养学生利用图表法探究物理规律的能力。通过展示,培养学生科学思维能力,促进实验结论的生成化呈现。

各小组展示完毕后,教师进行点评。

(6)学生总结

学生从不同方面对本节课进行总结,体现学生课堂主体地位。教师进行点评。

(7)生活应用拓展

拓展：通过查阅资料,国家对运动饮料中离子的含量制定了合格标准(见图5),而离子的含量是影响饮料电阻率的关键因素。因此,测量饮料的电阻率可用于鉴定饮料的真伪。请同学们利用课余时间,尝试测量不同饮料的电阻率,下节课一起分享。

图5 拓展资料

设计意图：从生活中来,到生活中去。培养学生的物理观念,提高解决生活实际问题的能力,培养科学态度及责任素养。

3 结语

明确核心素养立意,回归物理课程标准是物理实验教学的必由之路。在核心素养背景下,基于上述“测量‘饮料’的电阻率”教学设计,分享几点对高中物理实验教学的建议：“物理观念”方面应注重强化对实验方案的标准实施,对基本器材的熟练操作、对基础原理的深度理解和对实验数据的科学采集等实验素养的培养；“科学思维”方面应加强对科学绘图、精准运算、形成结论和误差分析等实验素养的培养；“科学探究”方面应注重对实验方案的创新设计,对基础原理的迁移运用、对实验器材灵活改进等实验素养的培养；“科学态度与责任”方面应注重培养学生认真严谨的学习态度和良好的实验习惯,从而实现对科学态度和社会责任的浸润养成。