吴 政

(1. 江苏省昆山震川高级中学,江苏 昆山 215300； 2. 江苏省昆山陆家高级中学，江苏 昆山 215300)

1 实验异常与核心素养

在学生探究实验中,有时会出现与一些与预设不同甚至相反的实验现象,尤其是排除了偶然因素,分析了各种系统误差之后,还是得出相反的结论,本文将这种现象称为实验异常．此时如果教师不加以科学引导,积极鼓励,适当帮助,一方面,可能会让学生产生失败感,失去学习的自信;另一方面,对实验在科学探究中所起的作用会产生怀疑,进而不相信实验或者失去做实验的兴趣．

其实,实验异常现象是学生在实验中探究所得,是真实体验,是一次宝贵的实践体会,也是激发兴趣的一个机会,更是培养学生真正实验探究能力的一个契机．2017版高中物理课程标准的中心是凝练学科核心素养,它包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4个方面．物理是实验学科,实验对培养学生科学素养所起的作用是非常关键的,课程标准明确指出,我们在培养学生科学思维与科学探究方面要达到的目标是:“具有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力,能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测;具有评判性思维的意识,能基于证据大胆质疑,从不同角度思考问题,追求科技创新．”[1]在科学态度与责任方面要达到的目标是:“逐渐形成探索自然的内在动力,严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度．”因此,当有违常理的实验现象出现时,我们要引导学生去思考与分析:发生的现象是不是实验异常?发生的原因是什么?怎样纠正或改善?在探究的过程中,伴随着这些问题的解决,学生的实验能力会得到真正的提高,科学素养自然而然生成．下面以2个实验异常案例为例来加以阐述．

2 实验异常二例

2.1 色环定值电阻测量

如图1是我校实验室用市售色环金属膜电阻(5 W)自制的定值电阻,以下是一个学习小组(4人)的测量探究过程．

(1) 不知阻值的大约值,故电流表接法用试触法:由于高中阶段对色环阻值读数方法不作要求,故师生均不了解具体阻值是多少,故在电流表内接与外接的选择时,学生讨论用图2所示的试触法,发现电压表读数变化比电流表读数变化大,判断为一个较小电阻,故用电流表外接法,测得数据如表:

图1

表1

根据数据作出U-I图线(略)并由图线斜率求出R=31 Ω．根据电流表外接法的性质,学生在误差分析时理所当然地认为该测量值偏小,教师也认为实验探究基本完成．

(2) 学生“较真”读色环值,实验结论现异常:有一个学生出于好奇,上网查找了色环电阻阻值读数方法,该电阻为四色环电阻,第一环红色表示2,第二环紫色表示7,第三环黑色表示乘以10的零次方(黑表示0),第四环金色表示误差仅为5%,故阻值为27 Ω.上面的测量值偏大!根据外接法的系统误差分析,只会偏小不会偏大,如果给出电压表内阻求真实值,只会比其更大．再次实验数据依然差不多,这样就带来了实验异常．

图3

(3) 发动讨论究原因,“误差”来自接触电阻:既然出现了异常,教师就让他们讨论寻找,开始大家还是归结为是实验误差(主要是实在找不到原因),但矛盾摆在那,讲不通．反复检查线路与器材,一个学生无意中将装色环电阻底座给碰翻了个身,发现固定电阻的螺丝虽然丝毫未松动,但螺母处锈浊不堪(图3),怀疑接触不良造成数据偏大．果断拆下螺母,用砂纸打磨清洁,重新测量数据如下(教师过后指出第一组数据略超额定功率):

表2 数据

根据数据作出U-I图线,并由图线斜率求出R=26 Ω,略偏小,实验结论正常了．

(4) 探究后的收获: ① 实验后学生认识到这是接触不良,是故障而不是误差．虽然接触不良的原理很简单同学也容易理解,但在实际应用中接触不良是电路中非常常见但又很不易判断的一种故障．本探究过程有很好的实践意义,锻炼了学生的电路分析能力和操作能力．② 有些学生通过这次实验,开始有了质疑与思考的习惯．比如后来就有学生就提出,如果这是一个大阻值电阻,采用电流表内接法,测量值本来就偏大,即使有接触不良情况,也被掩盖了,所以碰到误差很大时一定要考虑其它故障的可能性；③ 物理实验要实事求是,不能都以“误差”二字来搪塞,每一个异常背后往往都有不易发现的原因,只有通过严谨细致的排查分析,才能真正找到异常的原因,这样才是真正的科学探究．

2.2 探究平行板电容器电容大小影响因素

图4

如同4是教材上的探究平行板电容器电容大小影响因素的演示实验装置图．我校把它改成了课前分组探究实验(每组6人在科技活动课上开展预习性探究),以下是一组的探究过程．

(1) 板间距离随意变化,发现实验结论异常．在首先探究电容大小C与板间距离d的关系时就发生了矛盾,由于实验前教师并没有强调间距d的取值限制,手握活动板的同学一开始就把d取得较大,结果发现随着d的增大,电势差计的张角反而减小,再不断拉大,张角变成几乎恒定不动．无奈之下,只好向教师求助,老师建议他们上网查找相关的知识．

图5

(3) 尝试改进实验．查找网上该实验的改进资料,发现大多用亚克力或有机玻璃板做带槽方形支架,采用平行板插入不同槽的办法来改变间距[3],制作比较复杂,且由于实验中由于d取值很小(不超过3 cm),抽出板时易触碰另一板而造成短路放电．有没有简单易行的方法?经过讨论分析,大家找来一段水电工用的PPR(无规共聚聚丙烯)6分管(内径16 mm),水平夹持在铁架台上(如图5),将要移动平板的中央绝缘杆套入PPR管中(视松紧程度可适当缠几层透明胶带),将另一平板也固定于另一铁架台上,调整铁架台位置,使PPR管充当限位作用,使二板在移动时的间距不超过3 cm．实验时为防止二板触碰短路,可在右板边缘分散滴几滴石蜡．如此改进以后,实验取得了正常的效果．

(4) 探究后的收获:实验后学生对电容器的外形有了进一步的认识,认识到除了平行板电容器,生活中还有许许多多不同形式的电容器(两根导线间的电容、验电器的电容);意识到许多定性的分析也需要定量的物理规律来支撑,反映了物理探究的复杂性;对教材实验装置进行了改进,效果良好,学生有一种小小的成功感．

3 几点思考

3.1 实验异常时的建议

(1) 珍惜异常．每一次的实验异常,都是学生探究中的真实经历,是一次宝贵的能力锻炼与生成机会,不要因为影响正常教学计划、浪费时间而人为忽略,或者以误差为由一带而过,要珍惜“异常”带来的教学契机,实在时间有限,可以安排适当的课外探究来完成．

(2) 教师的顺势引导．由于学生的认知局限,当出现实验异常时,以学生的知识与能力可能无法完成探究任务,这时教师就要有所引导,既不包办,也不漫无目的地放任自究,适当指点方向,再自我完成．

(3) 倡导学生间的合作探究．小组合作形式的实验方式有助于学生间的互动讨论与取长补短,尤其在碰到异常情况时,可以充分发挥学生的个性特长,有的擅长动手制作,有的擅长资料查找与分析,合作探究大大增加了实验成功的可能性．

3.2 开展实验异常探究的意义

(1) 有利于培养质疑与创新精神．虽然中学里的实验异常现象一般都不太复杂,其背后也不会蕴含太高深的理论,相应的实验改进也都基于简单方便的原则,符合中学生的认知水平．但重视实验异常,并开展对实验异常的探究,有利于培养学生的质疑习惯与批判精神,更可以为创新能力的培养打下良好的基础．

(2) 实验异常探究是核心素养培养的有效途径．物理学科是实验学科,在高中阶段,实验探究又是科学探究的主要形式之一,虽然它只是物理学科核心素养4个方面中的一个,但实验探究离不开物理观念的正确运用,也离不开科学的思维与分析,离不开科学观的培养,所以它与另外3个素养的关系不是各自独立的,而是相互交融与关联的．实验异常探究的过程,就是生成实验能力,形成科学思维与科学观的过程．从这个意义上来说,实验异常的探究,就是核心素养培养的一个有效途径．

3.3 品质的培养是无痕的

核心素养是由关键能力与优秀品质二个方面构成的．物理是一门自然学科,相较于人文学科,在核心素养的培养中,是不是需要专门强调品质教育呢?笔者认为,大部分情况下物理学科的品质教育是有机融合在能力培养过程中的,无需专门大讲特讲．如在实验探究中,品质教育是融合在实验关键能力培养过程中的,不是刻意单独进行的,它与能力的培养是相伴相生的,或者说,一次实验探究过程正是一次无痕的品质培养过程(品质是无痕生成的)．比如实验结论来自于真实的数据和现象(不能造假),来自于细致严谨的过程,对误差要分析来源,出现异常时要寻找原因,不轻信盲从,不轻易放弃,要勇于质疑,敢于创新等等,这些就是正确的科学态度、科学精神、科学责任,就是我们所要培养的优秀品质．因此,实验探究中关键能力的生成,标志着核心素养的养成．