孫梅芳 張士軍

(1. 安徽省蚌埠田家炳中學(xué)，安徽 蚌埠 233010；2.安徽省懷遠(yuǎn)第一中學(xué),安徽 懷遠(yuǎn) 233400)

1 引言

“測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻”實(shí)驗(yàn)是高中物理的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，盡管老師洞悉此事，并給予此實(shí)驗(yàn)以高度的重視，但學(xué)生對(duì)于變化莫測(cè)的考題還是頻繁出錯(cuò)，其根本原因在于學(xué)生的科學(xué)思維能力沒(méi)有得到很好的培養(yǎng)，面對(duì)變化的考題往往一籌莫展。

“科學(xué)思維”是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。

在“測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)抓住實(shí)驗(yàn)原理這個(gè)主線，逐步引領(lǐng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

2 教學(xué)環(huán)節(jié)及設(shè)計(jì)意圖

2.1 以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為起點(diǎn)，尋求思維起源

思維的起點(diǎn)源于對(duì)熟悉問(wèn)題的再認(rèn)知，人教版高中物理選修3-1的第二章第10節(jié)是“實(shí)驗(yàn)：測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”，第7節(jié)是“閉合電路的歐姆定律”。在本節(jié)新課教學(xué)之前引導(dǎo)學(xué)生對(duì)第7節(jié)的例1再次進(jìn)行探討，從而尋求思維起源：測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的方法。

例1：如圖1所示，R1=14Ω，R2=9Ω。當(dāng)開(kāi)關(guān)處于位置1時(shí)，電流表讀數(shù)I1=0.2A；當(dāng)開(kāi)關(guān)處于位置2時(shí)，電流表讀數(shù)I2=0.3A。求電源的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)電阻r。

圖1

由閉合電路的歐姆定律有：E=I1R1+I1r，E=I2R2+I2r，解得：r=1Ω，E=3V。

學(xué)生再研討該例題時(shí)，發(fā)現(xiàn)可以用例題的方法測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，其原理是閉合電路歐姆定律，據(jù)此原理只要測(cè)兩組數(shù)據(jù)，就可測(cè)得電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，然而用這種方法測(cè)量時(shí)難免會(huì)造成較大的偶然誤差，如何減小偶然誤差呢？

2.2 逐步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力

改進(jìn)1：安阻法和伏阻法

學(xué)生注意到產(chǎn)生偶然誤差的原因是測(cè)量數(shù)據(jù)較少，因此就需要多測(cè)幾組數(shù)據(jù)。如何達(dá)到此目的？結(jié)合以前對(duì)幾種電阻元件(定值電阻、滑動(dòng)變阻器、電阻箱等)功能的了解，學(xué)生不難想到用一個(gè)電阻箱R來(lái)代替例題中的兩個(gè)電阻R1和R2，這樣就可以得到多組數(shù)據(jù)，再根據(jù)閉合電路歐姆定律，把數(shù)據(jù)兩兩一組代入E=IR+Ir中進(jìn)行計(jì)算，算出每一組的E和r，最后求所有E和r的平均值，便可減小偶然誤差，我們把這種方法叫安阻法(圖2)。

圖2

圖3

改進(jìn)2：伏安法

問(wèn)題導(dǎo)引：電阻箱的電阻取值不是連續(xù)變化的，可否用連續(xù)變化的電阻來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?學(xué)生會(huì)想到用滑動(dòng)變阻器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

問(wèn)題思考：若使用滑動(dòng)變阻器，其電阻值無(wú)法讀出，如何解決？

原理分析：E=IR+Ir式中的“IR”即為路端電壓，則有：E=U+Ir，路端電壓可以用電壓表測(cè)出。因此，設(shè)計(jì)出如圖4所示的伏安法實(shí)驗(yàn)電路。

圖4

實(shí)驗(yàn)前可以讓同學(xué)們先動(dòng)手移動(dòng)一下滑動(dòng)變阻器的滑片，可能有部分同學(xué)移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的動(dòng)作過(guò)猛，教師適時(shí)引導(dǎo)：如果移動(dòng)滑動(dòng)變阻器動(dòng)作過(guò)猛，可能會(huì)造成外電阻等于零，從而造成短路而燒壞電表。如何避免短路現(xiàn)象的發(fā)生呢？學(xué)生進(jìn)一步改進(jìn)電路圖(圖5)。通過(guò)系列遞進(jìn)性問(wèn)題的引導(dǎo)，激活學(xué)生的創(chuàng)新思維。

圖5

2.3 逐步改進(jìn)數(shù)據(jù)處理方法，培養(yǎng)批判性思維能力

教師引導(dǎo)學(xué)生：用伏安法做實(shí)驗(yàn)可以測(cè)出多組數(shù)據(jù)，如果我們還用兩兩一組數(shù)據(jù)計(jì)算電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r，然后用多組數(shù)據(jù)求平均值，那和前面的方法并無(wú)多大區(qū)別。我們?cè)鯓犹幚韺?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才能盡量減小偶然誤差？這時(shí)可以讓學(xué)生聯(lián)想，對(duì)于利用v-t圖像求加速度的方法學(xué)生應(yīng)該印象深刻，由此不難想到圖像法是處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)極佳的方法。學(xué)生敢于否定舊方法，尋求新方法，這一過(guò)程使學(xué)生的批判性思維能力得到提高。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)是U和I,是畫(huà)U-I圖像還是I-U圖像比較好呢？引導(dǎo)學(xué)生回到閉合電路歐姆定律分析實(shí)驗(yàn)原理：外電阻R變化，導(dǎo)致電路中電流I變化，從而導(dǎo)致路端電壓U變化，電流I應(yīng)是自變量，路端電壓U是因變量，即U=E-Ir，所以應(yīng)畫(huà)出U-I圖像。再請(qǐng)學(xué)生分析U-I圖像的物理意義：縱截距代表電源電動(dòng)勢(shì)E，斜率的絕對(duì)值代表電源內(nèi)阻r(圖6)。

圖6

學(xué)生在處理數(shù)據(jù)時(shí)遇到了新問(wèn)題，畫(huà)出的實(shí)驗(yàn)圖像如圖7所示，顯然用該圖得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論誤差比較大。怎樣改進(jìn)呢？不妨引導(dǎo)學(xué)生對(duì)某一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)分組進(jìn)行討論，有了前面的思維進(jìn)階，相信會(huì)有同學(xué)想到：縱坐標(biāo)可不從零開(kāi)始。

圖7

表1

2.4 觸類(lèi)旁通，培養(yǎng)學(xué)生的思維廣度

以圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為鋪墊，適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生：安阻法和伏阻法都可以讀出多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是否也可以用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呢？

圖8

2.5 解決新問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的思維深度

通過(guò)上述教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生的思維逐步進(jìn)階，對(duì)測(cè)定電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)有了較全面認(rèn)識(shí)。但是，還有部分學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)辨別不了何時(shí)用“部分電路歐姆定律”，何時(shí)用“閉合電路歐姆定律”，或是一味依賴(lài)圖像法求解電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，因此筆者設(shè)計(jì)了如下一道實(shí)驗(yàn)題，幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，拓展學(xué)生的思維深度。

例2：用如圖9所示的電路做實(shí)驗(yàn)。① 斷開(kāi)S2，閉合S1，記下電壓表示數(shù)為U1、電流表示數(shù)為I1；② 斷開(kāi)S1，閉合S2，調(diào)節(jié)電阻箱阻值，使電壓表示數(shù)仍為U1,電流表示數(shù)仍為I1，記下此時(shí)電阻箱的示數(shù)R；③ 同時(shí)閉合S1、S2，保持電阻箱的阻值R不變，再次記下電壓表的示數(shù)為U2、電流表的示數(shù)為I2。那么，待測(cè)電阻的阻值RX=,電流表的內(nèi)阻RA=,待測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)E=,電源內(nèi)阻r=。

圖9

通過(guò)該環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)，不僅加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)歐姆定律的全面理解，也引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)所遇到的不同問(wèn)題，靈活甄別物理原理和應(yīng)用的方法。

3 教學(xué)設(shè)計(jì)反思

3.1 基于思維遞進(jìn)設(shè)計(jì)教學(xué)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力

本教學(xué)設(shè)計(jì)以已講過(guò)的例題為起點(diǎn)，依據(jù)閉合電路歐姆定律，提出測(cè)定電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的方法，由安阻法聯(lián)想到伏阻法，再到伏安法，這種層層遞進(jìn)的教學(xué)設(shè)計(jì)能夠不斷引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行歸納與概括、演繹與推理、分析與建模，學(xué)生在逐步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了科學(xué)思維能力的進(jìn)階。

教學(xué)設(shè)計(jì)的另一條線索是如何減小偶然誤差，在設(shè)計(jì)中緊抓這條線索引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行辯證性思考：由例題中用兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求解電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，發(fā)展到用多組數(shù)據(jù)求解電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的平均值，再到用圖像法測(cè)定電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻。學(xué)生在逐步減小實(shí)驗(yàn)誤差的探究過(guò)程中，不斷分析數(shù)據(jù)，評(píng)估誤差大小，篩選信息，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)處理方法，使其思維的嚴(yán)謹(jǐn)性得到提高，也能切身體驗(yàn)辯證思維及創(chuàng)新思維過(guò)程，從而達(dá)成提升科學(xué)思維能力的目標(biāo)。

3.2 基于深度學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)教學(xué)，深化學(xué)生科學(xué)思維

課堂教學(xué)設(shè)計(jì)最后的環(huán)節(jié)是：(1) 把伏安法中用到的圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，延伸到安阻法和伏阻法；(2) 精選一道關(guān)于部分電路歐姆定律和閉合電路歐姆定律的例題。通過(guò)這兩個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)學(xué)生的思維要求層層加碼，使學(xué)生進(jìn)入深度學(xué)習(xí)的狀態(tài)。

總之，科學(xué)思維的培養(yǎng)是逐步遞進(jìn)的過(guò)程，即由對(duì)問(wèn)題的淺層思維，慢慢深入到其本質(zhì)及內(nèi)在決定因素的深度思維，最后上升到質(zhì)疑、批判、創(chuàng)新的思維。