以解决实际问题提升核心素养的实验教学实践——以“测绘小灯泡伏安特性曲线”实验课为例

廖文斌

（福州高级中学，福建 福州 350007）

实验是物理这门自然科学的基石，实验教学是物理学科教学的重要组成部分，实验教学过程中可以深入挖掘实验内容、实验原理、实验分析、实验思想等方面的知识价值，引导学生从学科的角度形成对物理学的整体认识，帮助学生构建更科学、更严密的学科知识结构体系。［1］在学生动手实验的过程中，会伴随实验的进行产生各种各样的实际问题，而学生的科学思维、探究能力，以及科学态度和责任都将随着学生逐步解决实验中产生的实际问题而得到提升。然而物理实验教学的现状是：学生在物理实验室进行分组实验时，动手做实验所遇到的问题和试题中所遇到的问题往往区别很大，而且有些实际问题与试题中所考察的问题还有着明显的矛盾，学生如果死记试题中所遇到的问题解决办法来解决实际问题，经常会导致实验无法顺利完成。因此，如何从解决问题的实验教学转变为解决实际问题的实验教学，对于以核心素养的培养为目的的新课程教学有着深刻的意义。本文以测绘小灯泡的伏安特性曲线实验课为例，尝试对上述的问题进行实践探索。

一、从解决试题问题到解决实际问题

在测绘小灯泡伏安特性曲线的实验中，教师基本会要求学生按以下步骤进行实验：

（1）根据实验原理图（图1）连接好实物电路，然后再闭合开关，开始测量。

（2）在闭合开关前，将滑动变阻器要滑到最左端，让测量电路的电压和电流均从零开始测量。

图1

（3）要求学生按实验报告册所提供的数据表格（如表1）进行测量。

在大量的试题问题中，如果有考查学生实验步骤的，上述的步骤（1）（2）即是问题的标准答案，而上述的（3）在大量试题中，为了考查学生数据处理能力中的作图能力，会给出已经测好的数据（如表2），要求学生在坐标纸上用描点法画出某元件的伏安特性（I～U）曲线。

表1

表2

这些试题问题的标准答案都是以仪器全部完好、小灯泡未烧坏、学生接线一次全对，不需要试错过程以及学生测量数据操作完美等条件全部理想化为前提的.而教师在实际教学中会遇到的实际问题是：学校是以班级进行授课的，在一个班级完成实验后，实验器材不是全新的，必然会有仪器出现损坏，而课间十分钟，教师无法及时进行更换，同样的道理，小灯泡亦可能出现被烧坏而无法及时更换；而对于学生的操作，学生在高一阶段没有涉及过电路的基本连接操作，即使有进行过训练，一个班级的学生必然也会有部分学生操作出错，学生在接线过程中需要不断试错；而上述（3）步骤要求学生按已定好的电压示数进行测量，实际操作中必然会出现学生不断地来回调动滑动变阻器，测量时间延长很多，而造成更大的误差。而这些都是学生在分组实验中会遇到的实际问题，试题问题和实际问题在教学中会激发学生的认知冲突，这种情况下学生的好奇心将被迅速点燃，学生的质疑意识也将因此而发动，学生也将在相关思维的驱动下积极参与到各项实验活动中［2］。因此，应有效地运用上述冲突进行教学，引导学生从解决问题到解决实际问题，从而提升学生的核心素养，提升学生的实验能力。本文以学生已经掌握了电流表的内接和外接以及滑动变阻器的限流式接法和分压式接法，理解测绘小灯泡伏安特性曲线的电路原理图和掌握电表读数的前提下，进行分组实验的教学。

二、从实际问题出发指导实验

实验目的：测绘小灯泡的伏安特性曲线。实验原理图：（如图1）。实验器材：小灯泡（3.8V）、电压表、电流表、滑动变阻器（0-10Ω）、开关、学生电源（4-6V）、导线若干。

在学生进行分组实验前教师对实验目的、实验原理、实验器材进行梳理，然后针对实验步骤提出以下几个问题，引导学生思考。

问题1：实验器材由于重复使用，无法确定是否有损坏，按照原理图连接好电路后，常会出现电表均无示数的现象，如何连接电路可以快速检查出损坏仪器，避免上述问题？

设计意图：将试题问题与实际问题冲突直接呈现，启发学生思考。在不确定仪器是否损坏的前提下，连接越多仪器，越难发现问题；而且按照实验原理图连接，闭合开关后，电表不会有示数，只有调节滑动变阻器后，才能发现问题。因此，应该先连接较少仪器，逐一进行排除。在学生思考到这一解决办法后，教师提出更高要求的问题。

问题2：能否在你按照实验原理图进行连接的过程中，进行检查仪器的损坏，从而节省时间？

设计意图：学生对于问题1 的答案可能是多样，也都可能是正确的，教师通过问题2 的设计，引导学生找出既能解决问题又能节省时间完成实验的最优解：将电压表排除在外，先将电路连接成限流式（如图2），若电流表无示数，可以省去灯泡看电流表是否有示数或省去电流表看灯泡是否点亮来进行快速检查损坏仪器，确定无损坏后再将电压表并联进灯泡两端，培养学生的科学思维和实验能力。

图2

问题3：实验原理图中滑动变阻器为分压式接法，检测电路为限流式接法，需要重新拆分电路后再次连接吗？

设计意图：引导学生再次通过实物连接区分分压式和限流式，即在滑动变阻器下端空接线柱和电源负极间直接接一条导线（如图3）。并且学生可以通过再次闭合开关发现，在没有调节滑动变阻器的前提下灯泡亮度明显下降，培养学生将理论结合实际以及实验操作能力。

图3

问题4：连接好电路后，本次测量需要将测量电路短路，从零开始测量，如何确定你连接的实物滑动变阻器应该滑到哪一端？

设计意图：学生对于原理图容易区分应该滑到哪一端，这属于理论问题，而将此问题结合到具体的实物电路图中，由于实物线路的复杂，学生将不易于区分哪一端可以将测量电路短路。而实际操作中，学生可以在问题3 后，发现灯泡明显变暗的前提下，调动滑动变阻器，直至灯泡完全熄灭的那一端。培养学生应用科学思维灵活解决实际问题。

问题5：测量过程中，回测会导致误差变大，按提供的表格记录数据你可以做到不回测吗？

设计意图：由于滑动变阻器的阻值调节具有很大的不确定性，因此，在不能回调的前提下，即使是教师也很难做到按相应的电压示数进行测量，所测的数据必然是有很大随机性的。实验的目的是测绘小灯泡的伏安特性曲线，不按所提供的电压示数测量也可以达到目的，并且更能保证数据的准确性，培养学生解决实际问题的过程中依然保持科学的态度和责任。

最后，由于以上操作，应先让小灯泡冷却几分钟，学生再进行分组实验，教师进行分组指导，并认真倾听和归纳学生在实验过程中所提出的问题。

三、总结实验中生成的实际问题

物理教学中，学生强烈的问题意识既是思维的起点，又是思维的动力，也是教学的归宿。显然，让学生自己发现并提出问题远比教师设置问题更有教育价值，而借助实验创设问题情景是发现并提出问题很有效的途径，教师应充分发掘物理实验在培养学生发现和提出问题能力方面的潜在教育价值。［3］因此在学生做完实验后，教师可以通过整理归纳学生在实验中提出的几个关于实验的实际问题，让全班学生进行思考讨论，从而引导学生从解决问题进一步到解决自己提出的实际问题。

（1）测量过程开始阶段，发现电流表示数无法从零开始调节，而电压表可以。引导学生分析实际电路与原理图的区别：在实际电路中由于接线柱和导线电阻的存在，很难做到短路，电压电流均很难从零开始调节。而电压表（0-3V）的最小分度值为0.1V，电流表（0-0.6A）的最小分度值为0.02A，电流表比电压表更为灵敏，因此就出现了电压表看起来无示数，而电流表有示数的现象。

（2）个别组测量中发现电压表、电流表示数均无法从零开始调节。引导学生分析可以调节但无法调零的主要原因即分压式接法未接好，应再次检测是否将分压式接法接错或导线是否通路。

（3）测量过程中，电压表、电流表示数不稳定，会抖动，导致读数不便。引导学生分析：电表有示数说明电路是通路的，可以调节说明电路连接正确，示数抖动说明电流电压不稳定，很可能是电路某处接触不好，而测量过程中调节最多的是滑动变阻器，因此，最大可能是滑动变阻器的接触不好。

（4）测量后半段，小灯泡突然不亮，但是电压表有示数，电流表无示数。引导学生分析：个别小组在测量过程中，小灯泡突然烧坏，而小灯泡刚开始测量时由于电流太小是不亮的，因此在测量中小灯泡一直未亮，学生不容易引起察觉。从而导致出现电压表有示数，可调节，而电流表无示数的现象。

在总结实验的过程，并将故障电路的分析蕴含其中，把理论分析与实际问题结合，在学生自己提出问题的基础上，引导学生自己解决问题，渗透实际问题的分析方法，从而训练学生的科学思维，提升学生的核心素养。

四、结语

在新的课程改革和核心素养的提出背景下，近年的考试也常见到把上述的具体的实际问题作为试题，如以下的这个试题：

如图4，在测量中小明发现，无论如何调节滑动变阻器的滑片，电压表和电流表的示数均不能取到较小值，其原因可能是导线__________（填图中导线代号）没有连接好。

图4

这个问题就是将本节实验课，实验总结的第（2）个实际问题转变为试题问题，充分体现了新课程标准下对于培养学生从解决试题问题到解决实际问题的转变。

但是，实验教学将培养学生的实验能力，促进学生终身发展作为教学的出发点和落脚点，应摒弃“不考什么便不教什么不学什么”的功利主义，使物理实验成为培养学生创新精神和实践能力的重要载体。［4］物理教学中将研究的实际问题进行理想化模型处理，是物理学科重要的思维方法，而运用模型处理问题是为了解决实际问题，因此引导学生如何应用从构建模型的训练中培养起来的科学思维方法来解决实际问题，是核心素养体系下物理教学的重点。而实验教学对于训练学生应用科学思维解决实际问题，对于培养学生科学的态度和责任感，以及创新和实践能力等都有着不可替代的作用，是物理教师教学研究的重要组成部分。