在实验教学中落实物理核心素养的 培养策略

来源:用户上传      作者:张林

　　摘 要：科学思维能力和科学探究能力是核心素养的重要方面，本文以一道高考题为切入点，进一步分析如何在实验教学中培养学生的能力，让学生体验知识形成的过程，落实核心素养的培养。
　　关键词：核心素养;实验教学;欧姆表改装
　　2019年高考物理试题深入贯彻教育大会精神落实立德树人根本任务，倡导德、智、体、美、劳“五育并举”。依托“一核四层四翼”的高考评价体系，考查内容方面以学科素养为导向，突出基础性，突出学科主干内容;加强理论联系实际，创新试题情境设计，增强试题与体育运动、生产劳动的联系。2019年高考全国卷三第23题，考查了欧姆表的改装原理、刻度的设计以及校准，要求学生熟知实验原理，试题落实了从“解题”向“解决问题”转变的考核理念。引导中学开好实验课，促进学生物理学科素养的培养。
　　【原题】 某同学欲将内阻为98.5Ω、量程为100μA的电流表改装成欧姆表并进行刻度和校准，要求改装后欧姆表的15kΩ刻度正好对应电流表表盘的50μA刻度。可选用的器材还有：定值电阻R0（阻值14kΩ），滑动变阻器R1（最大阻值1500Ω），滑动变阻器R2（最大阻值500Ω），电阻箱（0～99999.9Ω），干电池（E=1.5V，r=1.5Ω），红、黑表笔和导线若干。
　　（1）欧姆表设计
　　将图1（a）中的实物连线组成欧姆表。欧姆表改装好后，滑动变阻器R接入电路的电阻应为    Ω：滑动变阻器选    （填“R1”或“R2”）。
　　（2）刻度欧姆表表盘
　　通过计算，对整个表盘进行电阻刻度，如图1（b）所示。表盘上a、b处的电流刻度分别为25和75，则a、b处的电阻刻度分别为    、    。
　　（3）校准
　　红、黑表笔短接，调节滑动变阻器，使欧姆表指针指向    kΩ处;将红、黑表笔与电阻箱连接，记录多组电阻箱接入电路的电阻值及欧姆表上对应的测量值，完成校准数据测量。若校准某刻度时，电阻箱旋钮位置如图1（c）所示，则电阻箱接入的阻值为    Ω。
　　一、 解析
　　（1）连线如图2：根据欧姆表的改装原理，当电流计满偏时，则Ig=Er+R0+R，解得R=900Ω;为了滑动变阻器的安全，则滑动变阻器选择R1;
　　（2）在a处，14Ig=Er+R0+R+Rxa，解得Rxa=45kΩ;在b处，则34Ig=Er+R0+R+Rxb，解得Rxb=5kΩ;
　　（3）校准：红黑表笔短接，调节滑动变阻器，使欧姆表指针指到0kΩ处;由图可知，电阻箱接入的电阻为：R=35000.0Ω。
　　二、 试题评析
　　該试题考查了欧姆表的改装原理，表盘刻度的设计原理以及欧姆表的校准，既考查了学生的科学思维能力，也考查了学生的实践操作能力。从试题的素材上看，立足真实的问题情景，体现了理论联系实际的考试特点。
　　其中第（1）问中要求学生理解欧姆表的改装原理，根据题目中给出的数据推算出欧姆表的内阻，选择合适的滑动变阻器;根据欧姆表的改装原理连接实物图，进一步考查了滑动变阻器的接法、电表的接法、红黑表笔与电源正负极的连接。第（2）问中考查了欧姆表刻度盘的设计原理，待测电阻与电流表的示数的对应关系。体现了近年来的命题特点——重视原理和方法的考查。第（3）问中考查了欧姆调零问题及欧姆表的校准问题，进一步对学生实验操作能力进行考查。
　　三、 教学的启示
　　（一）实验原理的教学——培养学生的科学思维能力和科学探究能力
　　欧姆表的改装实验是高中物理实验中较难的一个实验，高考的考查频率较高，实验原理较为复杂，以往教学中一般都采用讲授式教学，学生被动地接受往往知其然而不知其所以然，对原理也是一知半解。如何在实验教学中引导学生发现问题、分析问题、提出探究方案、分析数据、发现规律、解决问题是本文所要讨论的主要目的。在解决问题的过程中培养学生的科学思维能力及科学探究能力。
　　（二）动手操作是实验的基础——培养学生的科学态度
　　在【原题】中的第（2）问，我们对表盘进行电阻刻度，根据R中=R内+r+R0+R①，Rg+R+r=EIg=R内②、和Rx=EI-R内③式，引导学生计算出不同电流对应的电阻值填在表1中。
　　把电流表的刻度改标为对应电阻的阻值，如图3。请同学们观察欧姆表的刻度有何特点？
　　在对表盘进行电阻刻度时，为了方便读数，设计出如下的表格，将对应的电流值填入表2中。
　　利用表2的数据对电流表的刻度重新标出对应的电阻值，如图4。
　　通过具体的数据使学生更好地理解欧姆表的刻度盘“左大右小，左密右疏”的特点。向学生说明测量电阻时指针指在表盘中间附近误差最小。
　　在【原题】中的第（3）问中考查欧姆表的使用注意事项，首先应使红黑表笔短接，调节滑动变阻器的阻值，使电流达到满偏（电阻的0kΩ），进行欧姆调零，在理解实验原理的基础上较容易理解为什么要进行欧姆调零。
　　（三）联系生活实际，立足能力形成观念
　　生活中的欧姆表是倍率可调的，如何实现欧姆表倍率的调节？可指导学生拆开坏的欧姆表，观察其内部结构，发现只有一个电源，倍率的调节是通过改变接入电路中的电阻实现的，引导学生思考应该串联上一定值电阻还是并联一定值电阻？若串联一定值电阻，并不会改变电路中的满偏电流Ig，不会影响电路中的R内，故无法改变欧姆表的倍率。根据电流表的改装原理，需并联一定值电阻改变闭合回路中的总电流为10Ig、100Ig、1000Ig，使欧姆表的倍率变为原来的110、1100、11000。
　　在【原题】中可以设计第（4）问：若不换电流表和电池以及欧姆表的刻度盘，把上述的欧姆表改装成R×100倍率的欧姆表，需在图示（如图5）中    （填“ab间”或“bc间）位置接入    Ω的电阻。
　　使倍率减小10倍，闭合回路的总电流应变为10Ig，需在bc间接入电阻R1，由①、②式得R′中=R′内=E10Ig=110R中。根据并联电路的特点9IgR1=Ig（Rg+R+R0）④，R′中=110R中=1500Ω⑤。由④、⑤式得R1=1665Ω，滑动变阻器R的阻值应由原来的900Ω调至886.5Ω。滑动变阻器起到欧姆调零的作用，通过计算让学生体会，欧姆调零旋钮在电路中的作用，理解更换量程就要重新欧姆调零的原因。
　　根据近年高考试题的特点，物理课堂的教学应关注联系生活实际，关注社会发展和科技前沿，立足问题解决能力的培养。作为一线教师合理的设计教学的各个环节，使学生的物理核心素养得到提高，实现立德树人的教育目标。
　　参考文献：
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　　[2]教育部考试中心.2019年普通高等学校招生全国高考统考试大纲：理科[M].北京：高等教育出版社，2018.
　　[3]陈水勇.核心素养导向下“层进式问题串”的教学设计：以“电流表改装成欧姆表”为例[J].物理教师，2019（5）.
　　[4]汪海林.“欧姆表改装”教学中需讲清的几个问题[J].中学物理教学参考，2010（1-2）.
　　作者简介：
　　张林，广东省广州市，广州市从化区流溪中学。
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