(江蘇省太倉(cāng)市實(shí)驗(yàn)中學(xué)，江蘇 太倉(cāng) 215400)

“測(cè)量小燈泡電功率實(shí)驗(yàn)”是初中物理中占據(jù)重要地位的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，涉及的知識(shí)面廣，在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展延伸的空間很大，尤以“單電表法測(cè)量小燈泡額定功率實(shí)驗(yàn)”最為典型，實(shí)驗(yàn)拓展的視角、方案、形式頗為多元，實(shí)驗(yàn)操作的難易梯度調(diào)控范圍也比較大，因此成為許多地方中考?jí)狠S題的重要選題方向，同時(shí)也令不少考生頗感頭疼。教學(xué)實(shí)踐表明，基于問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法是研究此類問題行之有效的一種重要方法。

1 基于問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)的基本思路

問題是思維的源泉，更是思維的動(dòng)力?；趩栴}驅(qū)動(dòng)的教學(xué)就是以一系列問題為學(xué)習(xí)任務(wù)的載體，在教學(xué)目標(biāo)引領(lǐng)下，分步解決，逐層推進(jìn)，螺旋上升，最終完成學(xué)習(xí)任務(wù)、達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)過程。這一系列問題是學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)程中的腳手架，是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的階梯，問題與問題之間具有邏輯性和遞進(jìn)性，同時(shí)能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，“能展現(xiàn)和揭示學(xué)習(xí)過程與思想方法，使問題的解決過程具有普遍的知識(shí)性和方法論的意義?！盵1]

如圖1所示，基于問題驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)可以大致分成3個(gè)階段:(1) 提出問題階段。在一定的情境中師生發(fā)現(xiàn)并提出問題，形成學(xué)習(xí)任務(wù)。(2) 設(shè)計(jì)方案階段。通過對(duì)問題的表征，了解實(shí)驗(yàn)原理，規(guī)劃實(shí)驗(yàn)步驟，分解學(xué)習(xí)任務(wù)，形成一個(gè)又一個(gè)有待解決的細(xì)化問題，它們依次遞進(jìn)，逐步激發(fā)。(3) 解決問題階段。包括實(shí)驗(yàn)操作、搜集數(shù)據(jù)信息、分析論證、形成結(jié)論等。整個(gè)過程把落實(shí)知識(shí)點(diǎn)和培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力緊密結(jié)合起來，以師生合作、交流互動(dòng)為基本形式，以培育學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)為發(fā)展目標(biāo)。

圖1

2 “單電表法測(cè)量小燈泡額定功率實(shí)驗(yàn)”的基本類型

圖2

蘇科版物理九年級(jí)下冊(cè)安排了“測(cè)量小燈泡電功率”的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示，目的是測(cè)量小燈泡的額定功率和實(shí)際功率。常規(guī)方法是伏安法，實(shí)驗(yàn)原理是P=UI。如果實(shí)驗(yàn)過程中有一個(gè)電表因故不能使用，要求用剩下的另一個(gè)電表，再加上其他必要的器材繼續(xù)完成該實(shí)驗(yàn)，就稱為“單電表法測(cè)量小燈泡額定功率實(shí)驗(yàn)”。主要有兩大類型：一類是只用一個(gè)電壓表，加其他器材；另一類是只用一個(gè)電流表，加其他器材。另外需要已知小燈泡的額定電壓或額定電流。這里的“其他器材”，可選的組合很多，由此衍生出的變化很是復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)要求各不相同，難度較高，實(shí)驗(yàn)基本要求如表1所示。

表1

3 “單電表法測(cè)量小燈泡額定功率實(shí)驗(yàn)”實(shí)踐探索

3.1 只用一個(gè)電壓表

(1) 提出問題

在“伏安法測(cè)量小燈泡額定功率”實(shí)驗(yàn)中，電流表?yè)p壞不能用了，補(bǔ)充一個(gè)滑動(dòng)變阻器和兩只單刀開關(guān)，如何利用現(xiàn)有器材繼續(xù)完成上述實(shí)驗(yàn)？已知小燈泡額定電壓為2.5V，所用滑動(dòng)變阻器的最大阻值為R0。

(2) 設(shè)計(jì)方案

沒有電流表就無法直接測(cè)量通過小燈泡的電流大小，提供的實(shí)驗(yàn)器材中測(cè)量工具只有電壓表，表明該實(shí)驗(yàn)需要通過測(cè)量電壓、借助滑動(dòng)變阻器最大阻值R0來完成。教師引導(dǎo)學(xué)生分步思維，逐一解答，漸次深入。

問題1：如何判斷小燈泡是否正常發(fā)光？

已知小燈泡額定電壓為2.5V，應(yīng)該把電壓表并聯(lián)在小燈泡兩端，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使小燈泡兩端電壓為2.5V，此時(shí)電燈正常發(fā)光。

問題2：實(shí)驗(yàn)依據(jù)的原理是什么？

問題3：如何求得小燈泡正常發(fā)光時(shí)的電阻?

可以用等效替代法，將小燈泡與一個(gè)滑動(dòng)變阻器先后接入同一電路中，電源電壓不變,如果它們分壓相同，表明它們的阻值也相同。由此可以設(shè)計(jì)如圖3所示的電路，小燈泡與一個(gè)滑動(dòng)變阻器并聯(lián)，分別由各自開關(guān)控制，先后接入電路，再與另一個(gè)滑動(dòng)變阻器串聯(lián)。這樣可以通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使小燈泡達(dá)到正常工作狀態(tài)，電壓表用以監(jiān)測(cè)電壓。

圖3

(3) 解決問題

問題4：需要進(jìn)行哪些實(shí)驗(yàn)操作與測(cè)量？

實(shí)驗(yàn)步驟為：① 按圖3電路圖連接實(shí)驗(yàn)電路；

② 只閉合開關(guān)S、S1，調(diào)節(jié)R2使電壓表的示數(shù)為2.5V；

③ 只閉合開關(guān)S、S2，調(diào)節(jié)R1使電壓表的示數(shù)仍為2.5V；

④ 將R2的滑片P調(diào)至最左端，記下電壓表的示數(shù)為U1；再將R2的滑片P調(diào)至最右端，記下電壓表的示數(shù)為U2。

問題5：如何進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到小燈泡額定功率的表達(dá)式？

3.2 只用一個(gè)電流表

(1) 提出問題

在“測(cè)定小燈泡額定功率”的實(shí)驗(yàn)中，電源電壓為U0，保持不變，小燈泡的額定電壓為U額。在實(shí)驗(yàn)過程中，電壓表突然損壞了，現(xiàn)增加一個(gè)阻值為R的定值電阻，借助原有的實(shí)驗(yàn)器材，如何繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量？要求電路只連接一次，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)步驟，用已知量和測(cè)量量表示小燈泡的額定功率。

(2) 設(shè)計(jì)方案

電壓表?yè)p壞不能使用了，電流表可以正常測(cè)量，現(xiàn)只增加一個(gè)定值電阻，電源電壓已知，要測(cè)量小燈泡的額定功率，現(xiàn)有條件與學(xué)習(xí)目標(biāo)之間跨度很大，需要教師搭建學(xué)習(xí)的腳手架，將學(xué)習(xí)任務(wù)分解成一個(gè)個(gè)驅(qū)動(dòng)性問題，引導(dǎo)學(xué)生一步步從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)，走向問題的解決。

問題1：該實(shí)驗(yàn)的原理是什么？

已知小燈泡的額定電壓U額，并且有電流表，依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理P=UI,需要測(cè)量小燈泡的額定電流，首先要使小燈泡達(dá)到正常工作狀態(tài)。

問題2：如何判斷小燈泡是否正常發(fā)光？

當(dāng)小燈泡兩端電壓等于U額時(shí)，小燈泡正常發(fā)光。

問題3：沒有電壓表如何知道小燈泡兩端電壓達(dá)到了U額？

問題4：如何測(cè)量小燈泡正常工作時(shí)的電流大?。?/p>

電流表的位置不改變，電燈與定值電阻并聯(lián)，根據(jù)并聯(lián)電路中電流的特點(diǎn)，通過小燈泡的電流I額=I總-IR，問題轉(zhuǎn)化為測(cè)量干路中的電流。

問題5:如何測(cè)量干路中的電流？

問題6：如何求得滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值？

實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示，通過開關(guān)改變電路，斷開開關(guān)，定值電阻與滑動(dòng)變阻器串聯(lián)，測(cè)量此時(shí)電路中電流的大小，可以運(yùn)用歐姆定律結(jié)合串聯(lián)電路特點(diǎn)進(jìn)行解析。

圖4

(3) 問題解決

問題7：需要進(jìn)行哪些實(shí)驗(yàn)操作與測(cè)量？

① 按圖4電路圖連接實(shí)驗(yàn)電路；

③ 斷開開關(guān)S，保持滑片位置不變，記下電流表示數(shù)為I。

問題8：如何進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到小燈泡額定功率的表達(dá)式？

實(shí)施基于問題驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)，首先，面對(duì)問題要確定其是否具有良好驅(qū)動(dòng)性，分析問題所處的層次水平是否略高于學(xué)生的現(xiàn)有發(fā)展水平，若過于簡(jiǎn)單，答案一目了然，就失去探究的意義；相反，若問題解決的目的、過程與學(xué)生學(xué)情及教學(xué)內(nèi)容的目標(biāo)差距太大，也不適合作為物理學(xué)習(xí)的驅(qū)動(dòng)性問題。其次，合適的驅(qū)動(dòng)性問題往往是問題起始狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)存在一定的、適當(dāng)?shù)目缍扰c差距，需要將問題拆解成一個(gè)個(gè)子問題，組成思維進(jìn)程的引導(dǎo)、指向與臺(tái)階，針對(duì)這些具有邏輯遞進(jìn)關(guān)系的子問題，可以在教師的引導(dǎo)啟發(fā)下學(xué)生在自主探究過程中發(fā)現(xiàn)提出，體現(xiàn)了教學(xué)生成性。最后，基于問題驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)，取得實(shí)效的關(guān)鍵在于要符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，教學(xué)中教師要細(xì)致分析教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和能力水平，把握好教學(xué)內(nèi)容各構(gòu)成要素與學(xué)生已有認(rèn)識(shí)之間的關(guān)系，提出具有良好啟發(fā)性、驅(qū)動(dòng)性的問題，才能實(shí)現(xiàn)促進(jìn)學(xué)生更高效地學(xué)習(xí)物理。