蔣華

摘 要：培養(yǎng)高中生的創(chuàng)新能力是高中新課程賦予教師的重要?dú)v史使命，而探究實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段與途徑。本文從人教版選修3-1第二章《恒定電流》的第十節(jié)《測定電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻》出發(fā)，通過制作水果電池并測定其基本電學(xué)參數(shù)，綜合多學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，延展學(xué)生的思維觸角，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新靈感，使學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、思維回饋能力得到培養(yǎng)，學(xué)生嘗到了實(shí)驗(yàn)的快樂，激發(fā)了創(chuàng)新思維，提升了創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：水果電池；制作；創(chuàng)新能力；培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）1-0005-4

1 問題的提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》在課程理念中強(qiáng)調(diào)：“在課程內(nèi)容上體現(xiàn)時(shí)代性、基礎(chǔ)性、選擇性。在內(nèi)容上應(yīng)精選學(xué)生終身學(xué)習(xí)必備的基礎(chǔ)知識(shí)與技能，加強(qiáng)與學(xué)生生活、現(xiàn)代社會(huì)及科技發(fā)展的聯(lián)系，反映當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果和新的科學(xué)思想，關(guān)注物理學(xué)的技術(shù)應(yīng)用所帶來的社會(huì)問題，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)參與意識(shí)和對(duì)社會(huì)負(fù)責(zé)任的態(tài)度。”[1]在實(shí)施建議中進(jìn)一步指出：“教師應(yīng)選擇與學(xué)生生活聯(lián)系密切的素材用于教學(xué)”。[1]

“測定電源的電動(dòng)勢和內(nèi)阻”是學(xué)生在學(xué)習(xí)電源電動(dòng)勢概念和全電路歐姆定律之后的一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)。人教版教材選修3-1的第70頁在“實(shí)驗(yàn)方法”中提到：“把較粗的銅絲和鐵絲相隔約幾毫米插入馬鈴薯或蘋果中，就制成了一個(gè)水果電池（銅絲和鐵絲相距越近，插入越深，電池的內(nèi)阻就越?。??！边@里體現(xiàn)的就是讓物理走進(jìn)生活的基本思想。為了將這一思想和理念轉(zhuǎn)變?yōu)閹熒男袨?，我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)施了“水果電池的制作與其基本參數(shù)的測定”探究實(shí)驗(yàn)。

2 設(shè)計(jì)思路

通過微課復(fù)習(xí)鞏固基礎(chǔ)概念與實(shí)驗(yàn)方法，以實(shí)驗(yàn)小組為單位，自主開展電路設(shè)計(jì)、電路研判、電路選擇、親歷實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)計(jì)算、誤差分析、電路重新設(shè)計(jì)與改進(jìn)等教學(xué)過程。流程圖如圖1：

3 精彩片段

3.1 微課：電極電勢

化學(xué)電池的“電動(dòng)勢”是描述電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能本領(lǐng)大小的物理量。這句話讓學(xué)生很費(fèi)解。微課“化學(xué)電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻”從化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化的角度，提出“電極電勢”的概念，較好地解決了這一問題。Zn2+/Zn為鋅電極，Cu2+/Cu為銅電極。由于金屬鋅的活潑性高于銅，導(dǎo)致兩電極的電子得失不同，造成電極電勢不相等。在化學(xué)中，規(guī)定氫（H+/H2）電極電勢為零，銅電極電勢為+0.34 V，鋅電極電勢為-0.76 V，銅和鋅組成的化學(xué)電池的電動(dòng)勢即為1.10 V。當(dāng)濃度和溫度固定時(shí)，電極電勢與金屬的活潑性關(guān)系密切。因此，化學(xué)電池的電動(dòng)勢是由電池極板的活潑性決定的。學(xué)生看到這里，非常興奮，因?yàn)樗麄兘柚瘜W(xué)知識(shí)從本質(zhì)上理解了電池電動(dòng)勢產(chǎn)生的根源。

3.2 設(shè)問：哪個(gè)設(shè)計(jì)電路最好

實(shí)驗(yàn)小組結(jié)合實(shí)驗(yàn)桌上的設(shè)備和教材給出的提示，設(shè)計(jì)了圖2所示的3個(gè)電路。各組代表完成班級(jí)交流準(zhǔn)備開始動(dòng)手實(shí)驗(yàn)時(shí)，老師突然發(fā)問：“哪個(gè)電路最好？”學(xué)生感到很突然和驚訝：“是?。【烤褂媚囊粋€(gè)實(shí)驗(yàn)電路呢？”學(xué)生繼續(xù)討論并積極交流之后，確定了符合本實(shí)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)①。這一過程用時(shí)較長，但是該過程使學(xué)生產(chǎn)生了更加濃厚的探索興趣。

3.3 提問：用安培表怎么測不出電流

實(shí)驗(yàn)課桌上給出了眾多的測量設(shè)備，部分小組用蘋果、土豆或檸檬、安培表、伏特表、滑動(dòng)變阻器等很快完成電路連接。接通電鍵，伏特表有讀數(shù)。但是，安培表指針幾乎紋絲不動(dòng)。

“老師，用安培表怎么測不出電流？”老師聽見了反復(fù)的提問，這也是老師預(yù)期的問題。老師反問：“為什么呢？檢查電路連接是否有問題？”“電路是否斷路？”“是滑動(dòng)變阻器阻值偏大嗎？”“這是否表明水果電池的內(nèi)阻太大了呢？”“實(shí)驗(yàn)桌上還有其他的測量設(shè)備嗎？”“大膽更換測量儀器吧！”

在老師的啟發(fā)指導(dǎo)下，學(xué)生用萬用表精確地測量出了電流。他們非常開心，因?yàn)樗麄冇萌f用表測量出了毫安級(jí)的電流。

3.4 驗(yàn)證：土豆電池的內(nèi)阻與電極之間的距離真是越近越小嗎

教材中“水果電池中的銅絲和鐵絲相距越近，插入越深，電池的內(nèi)阻就越小”，引起了學(xué)生極大的興趣。各小組積極開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，控制插入深度，得到表1、表2、表3中的數(shù)據(jù)，通過作圖（見圖3），的確得到了相應(yīng)的結(jié)論。學(xué)生臉上樂開了花。

3.5 對(duì)白：土豆、檸檬、蘋果與干電池的對(duì)話

實(shí)驗(yàn)中，老師為各實(shí)驗(yàn)組配置了蘋果、土豆、檸檬和干電池。這些電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻究竟有怎樣的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)小組經(jīng)過測量得到了較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。計(jì)算數(shù)據(jù)后，教師請(qǐng)學(xué)生代表土豆、檸檬、蘋果與干電池進(jìn)行對(duì)話。

檸檬電池：“各位兄弟，經(jīng)過各位同學(xué)對(duì)我進(jìn)行體檢，發(fā)現(xiàn)我的果酸濃度很大，金屬電極在與果酸的反應(yīng)中，產(chǎn)生的電荷多。同等條件下，我的電動(dòng)勢最大，內(nèi)阻最小。”

蘋果電池：“兄弟們，我的醫(yī)生對(duì)我體檢后，發(fā)現(xiàn)我的果酸濃度較大。金屬鋅電極在與果酸反應(yīng)中，也產(chǎn)生了大量的電荷。但是，我的電動(dòng)勢比檸檬大哥小，內(nèi)阻比檸檬大哥大?！?/p>

土豆電池：“檸檬、蘋果兄弟，我參加體檢后，發(fā)現(xiàn)胃里的果酸濃度最小，鋅電極與果酸產(chǎn)生的電荷不多。我的電動(dòng)勢最小，內(nèi)阻最大，希望兩位大哥大姐原諒我！”

干電池站出來說：“幾位兄弟，你們很優(yōu)秀。因?yàn)槟銈儽静皇菍I(yè)的化學(xué)電池，電動(dòng)勢不大、內(nèi)阻很大可以原諒。你們看我，現(xiàn)在我的胃里基本沒什么反應(yīng)物質(zhì)了，我的電動(dòng)勢衰減了，內(nèi)阻變大了，我可以休息了?！?/p>

幾位同學(xué)的對(duì)話，把實(shí)驗(yàn)推向了高潮，學(xué)生們的臉上洋溢著微笑。

3.6 反思：是否應(yīng)該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)電路

在實(shí)驗(yàn)中，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)檸檬、蘋果、土豆電池的內(nèi)阻很大（幾千歐姆）。如果把這些水果電池的內(nèi)阻與伏特表的內(nèi)阻相比較，似乎水果電池的內(nèi)阻更大。部分同學(xué)討論道：“是否需要改進(jìn)設(shè)計(jì)的電路？對(duì)比圖4所示的兩個(gè)電路，用哪個(gè)電路測量更準(zhǔn)確呢？”

教師請(qǐng)實(shí)驗(yàn)小組對(duì)兩個(gè)電路進(jìn)行深入的理論探究，最后統(tǒng)一了認(rèn)識(shí)：圖4中的甲電路，適合測量內(nèi)阻很小的電源。在電源的內(nèi)阻遠(yuǎn)小于伏特表的內(nèi)阻時(shí)，電壓表分流很小，電流表測量的電流近似等于通過電源的電流，E=U+Ir等式基本成立，根據(jù)圖像得到的電動(dòng)勢和內(nèi)阻基本能反映電源的參數(shù)。但是，如果電源的內(nèi)阻很大（幾乎與電壓表相當(dāng)時(shí)），電流表測量的已經(jīng)不再是通過電源的電流，實(shí)驗(yàn)原理不再成立，測量誤差必然很大。

如果改用圖4中的乙電路進(jìn)行測量，路端電壓是真實(shí)的，電流表測量的是通過電源的電流，根據(jù)E=U+Ir，電動(dòng)勢是真實(shí)值。此時(shí)，測量的內(nèi)阻實(shí)際上還包含了電流表的內(nèi)阻，測出的電源內(nèi)阻偏大。但是，只要用測得的內(nèi)阻減去電流表的內(nèi)阻就可以得到電池內(nèi)阻的準(zhǔn)確值。

同學(xué)們改用圖4中電路圖乙的方法重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到了更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。在對(duì)這一問題的思考中，同學(xué)們的認(rèn)知能力得到進(jìn)一步發(fā)展，創(chuàng)新意識(shí)得到進(jìn)一步強(qiáng)化。

4 學(xué)生感悟

課后，教師與幾位同學(xué)進(jìn)行了交流。

甲同學(xué)：今天的實(shí)驗(yàn)課很帶勁，我們終于可以放手設(shè)計(jì)，大膽實(shí)驗(yàn)，這樣的實(shí)驗(yàn)課多一點(diǎn)就好了。

乙同學(xué)：沒想到水果電池還真有這么大的電動(dòng)勢，要不是內(nèi)阻太大的話，真可以用水果直接做電源呢！

丙同學(xué)：最大的收獲是對(duì)幾個(gè)設(shè)計(jì)電路的探究分析，特別是如何選擇較好的電路進(jìn)行測量，確實(shí)提高了我們的分析能力和創(chuàng)新意識(shí)！感謝您！老師。

5 創(chuàng)新提煉

這節(jié)課對(duì)老師的觸動(dòng)很大，進(jìn)一步反思后，得到以下幾點(diǎn)啟示：

1）本節(jié)課以學(xué)生理論設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)探究、分享成果為教學(xué)主線，意在落實(shí)新課程“學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究創(chuàng)新的能力，讓學(xué)生在興趣盎然中相互啟發(fā)，共同進(jìn)步。從課堂教學(xué)的實(shí)際操作流程來看，較好地實(shí)現(xiàn)了這一教學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2）學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的解讀和對(duì)實(shí)驗(yàn)電路的論證，能有效地選擇實(shí)驗(yàn)器材開展實(shí)驗(yàn)。學(xué)生分工合作，操作規(guī)范有序，實(shí)驗(yàn)參與度極高，在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)新的問題能靈活處理，較好地完成了預(yù)期的三維目標(biāo)。

3）通過微課復(fù)習(xí)鞏固基本概念，將化學(xué)知識(shí)與物理知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來，使學(xué)生的綜合思維能力得到發(fā)展。水果電池的微視頻（下轉(zhuǎn)第10頁）（上接第7頁）使學(xué)生迅速掌握了制作水果電池的方法，提高了課堂教學(xué)效率，節(jié)省了時(shí)間，使學(xué)生能更加充分地開展實(shí)驗(yàn)探究，較好地發(fā)揮了微課的功能。這一方法還可以在今后的課程中廣泛采用。

4）課堂中，學(xué)生交流自如、大膽，思想活躍。教師語言簡潔流暢，對(duì)學(xué)生引導(dǎo)、啟發(fā)、牽引得當(dāng)，對(duì)學(xué)生的能力培養(yǎng)起到了很好的促進(jìn)作用。

5）實(shí)驗(yàn)過程中，教師與小組之間的交流還不是很深入，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)還需要更細(xì)致，還可以再優(yōu)化課堂教學(xué)流程。在實(shí)驗(yàn)原理、電路設(shè)計(jì)部分再節(jié)省點(diǎn)時(shí)間，讓學(xué)生更充分地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究和成果交流。

探究性實(shí)驗(yàn)課是高中新課程中最重要的課程，這節(jié)課讓我們感受到探究實(shí)驗(yàn)的重要價(jià)值，必將在今后的教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯 趙保鋼）