青海省“民考民預(yù)科生”物理課程框架下的探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)

龔海萍 鄧一 紀(jì)根海

摘 要：閉合電路歐姆定律采用探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)，利用類比、分析、討論等方法進(jìn)行教學(xué)。引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，最終解決問題。培養(yǎng)學(xué)生的主體意識(shí)和批判精神及獨(dú)立思考的能力。

關(guān)鍵詞：探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 閉合電路歐姆定律； 模擬實(shí)驗(yàn)； 學(xué)生實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-3315（2014）05-155-002

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天，實(shí)施以創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為重點(diǎn)的素質(zhì)教育，重要的著眼點(diǎn)是轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)方式。大多數(shù)民考民預(yù)科生模仿性學(xué)習(xí)心理是構(gòu)成接受知識(shí)的主要因素。這種依賴性強(qiáng)，靠模仿去接受知識(shí)的習(xí)慣，是一種較為簡單的學(xué)習(xí)心理，民考民預(yù)科生普遍認(rèn)為物理難學(xué)。究其原因難在學(xué)生各方面能力與預(yù)科物理學(xué)習(xí)要求的差距大。預(yù)科階段，乃至大學(xué)階段，要求自主學(xué)習(xí)物理。不同于自學(xué)，它是指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，以學(xué)生自己的體驗(yàn)、參與和探究為主，從自身社會(huì)生活實(shí)踐中獲取物理知識(shí)，并創(chuàng)造性地解決生活中的問題的一種學(xué)習(xí)方法。怎樣才能把課堂教學(xué)與探究性學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)性學(xué)習(xí)和自主性學(xué)習(xí)相結(jié)合？在大力倡導(dǎo)探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的今天，迫切需要大量優(yōu)秀的、具有創(chuàng)新性的探究實(shí)驗(yàn)來豐富我們的課堂教學(xué)。為此，我們立足民考民預(yù)科生學(xué)習(xí)特點(diǎn)，對探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)作一些有益的嘗試，希望能夠引領(lǐng)學(xué)生較為深入地學(xué)習(xí)物理的相關(guān)理論、方法、技能;提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的興趣；增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)；培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度；養(yǎng)成交流與合作的良好習(xí)慣；發(fā)展學(xué)生的實(shí)踐能力。本文就《閉合電路歐姆定律》一節(jié)做探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)。

一、教材和教學(xué)對象分析

閉合電路的歐姆定律主要分為電動(dòng)勢和閉合電路的歐姆定律兩部分。電動(dòng)勢的概念是閉合電路歐姆定律的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。其基本內(nèi)容有兩個(gè)方面：電源電動(dòng)勢由電源本身性質(zhì)決定的，它表征了電源將其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能本領(lǐng)的大小。電源電動(dòng)勢等于電源沒有接入電路時(shí)兩極間的電壓，在閉合電路里電源電動(dòng)勢等于內(nèi)外電壓之和。本節(jié)難點(diǎn)是路端電壓和外電阻之間的關(guān)系。學(xué)生通過多媒體的仿真實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，導(dǎo)出規(guī)律，使學(xué)生有感性的認(rèn)識(shí)，課后讓學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，在做好仿真實(shí)驗(yàn)的前提下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)論，減少盲目性。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.知識(shí)目標(biāo)

理解電動(dòng)勢的定義。理解閉合電路歐姆定律及其公式，并能熟練地用來解決有關(guān)的電路問題。理解路端電壓隨電流（或外電阻）關(guān)系的公式表達(dá)和圖象表達(dá)，并能用來分析、計(jì)算有關(guān)問題。知道閉合電路中能量的轉(zhuǎn)化。

2.能力目標(biāo)

通過路端電壓與外電阻的關(guān)系實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生利用“實(shí)驗(yàn)研究，得出結(jié)論”的科學(xué)思路和方法。研究路端電壓與電流的關(guān)系公式、圖象及圖象的物理意義，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)工具解決物理學(xué)問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

3.情感態(tài)度與價(jià)值觀

通過多媒體仿真探究實(shí)驗(yàn)和課后的學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生求知欲和學(xué)習(xí)興趣，享受成功的樂趣，體會(huì)物理學(xué)研究的科學(xué)性。通過分析路端電壓與電流（外電阻）的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，感受物理之美。通過學(xué)生之間的討論、交流與協(xié)作探究，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。

三、教學(xué)重點(diǎn)

閉合電路歐姆定律。路端電壓與電流（外電阻）關(guān)系的公式表示及圖象表示。

四、教學(xué)難點(diǎn)

電動(dòng)勢的概念。路端電壓與電流（外電阻）關(guān)系。

五、教學(xué)思路

《閉合電路歐姆定律》是學(xué)生感到較為難以理解的知識(shí)點(diǎn)，電動(dòng)勢的物理意義的理解是掌握閉合電路歐姆定律的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。首先讓學(xué)生課前感受生活中的一些電源，初步明確電源是將其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，讓學(xué)生自己用電壓表測量不同類型的電源兩極間的電壓，為引入電動(dòng)勢的概念作鋪墊。再讓學(xué)生在電腦上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過連接不同的開關(guān)，改變外電阻阻值，內(nèi)電阻阻值，記錄電流、電壓，分析數(shù)據(jù)，探究路端電壓與外電阻（電流）的關(guān)系，得出路端電壓與外電阻（電流）的關(guān)系。然后在課堂仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。避免了盲目性，引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，再進(jìn)行討論，解釋現(xiàn)象原因。講授閉合電路中的功率，進(jìn)一步從能量的轉(zhuǎn)化角度說明電源是將其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。最后，利用兩道例題來應(yīng)用閉合電路歐姆定律，并適當(dāng)?shù)匮由焱卣梗ㄟ^課外思考題，使學(xué)生對電動(dòng)勢的概念有更深刻的理解。

六、教學(xué)方法：探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)法、多媒體仿真實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)分析、討論等方法

（一）電源。展示不同型號(hào)、種類電池、手搖發(fā)電機(jī)，對小燈泡供電。電源不同，結(jié)構(gòu)不同，但有相同的規(guī)律。演示：1用小燈泡點(diǎn)觸干電池，點(diǎn)觸蓄電池，小燈泡發(fā)光。2將小燈泡與手機(jī)電池相接，小燈泡發(fā)光。3手搖發(fā)電機(jī)，同樣能夠使小燈泡發(fā)光。學(xué)生得出結(jié)論：干電池、蓄電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能；手搖發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。

（二）電源的電動(dòng)勢：模擬實(shí)驗(yàn)，介紹電路圖（如圖1），介紹實(shí)驗(yàn)儀器。得出內(nèi)、外電路，內(nèi)、外電壓的概念，指出電源內(nèi)部有電阻。看電池內(nèi)部（如圖2)，電荷定向移動(dòng)形成電流,電荷電勢能減小.從能量轉(zhuǎn)化的角度初步理解電動(dòng)勢的物理意義。觀察仿真實(shí)驗(yàn)：電場中兩點(diǎn)間電勢差在數(shù)值上等于什么？利用計(jì)算機(jī)課件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)(如圖3)【模擬實(shí)驗(yàn)一】：不閉合S2、S3，只閉合S1，觀察V1的大小。問題思考：（1）閉合開關(guān)S1后，此時(shí)伏特表V1測得的電壓?（2）此時(shí)外電阻多大？學(xué)生回答:電動(dòng)勢越大，電源把其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能的本領(lǐng)越強(qiáng)。學(xué)生模擬實(shí)驗(yàn)，分析得出（1）伏特表測電源電動(dòng)勢；（2）外電路電阻無窮大。E在數(shù)值上等于外電路斷開時(shí)電源兩端點(diǎn)壓。

圖1 圖2圖3

（三）閉合電路的歐姆定律：【模擬實(shí)驗(yàn)二】：當(dāng)r一定時(shí)，改變R，觀察U外、U內(nèi)、U外+U內(nèi)的變化。(1)當(dāng)向右移動(dòng)滑動(dòng)頭增大外電阻時(shí)，路端電壓如何變化？(2)電源內(nèi)電壓會(huì)發(fā)生什么變化？(3)內(nèi)外電壓之和有何變化，其值為多大？學(xué)生進(jìn)入網(wǎng)頁模擬實(shí)驗(yàn)，列出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析后得出結(jié)論：外電阻增大路端電壓增大，內(nèi)電壓減小，內(nèi)外電壓之和不變，其值為電源電動(dòng)勢。【模擬實(shí)驗(yàn)三】：當(dāng)R一定時(shí)，改變r(jià)，觀察U外、U內(nèi)、U外+U內(nèi)的變化,問題思考：用鼠標(biāo)拖動(dòng)電源隔板下移，電源內(nèi)阻是增是減？學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論：(1)當(dāng)r一定時(shí)，隨著R增大，U外增大，U內(nèi)減小，但U外+U內(nèi)值不變，等于電源電動(dòng)勢。(2)當(dāng)R一定時(shí)，隨著r的增加，U外減小，U內(nèi)增加，但U外+U內(nèi)值不變，等于電源電動(dòng)勢。以上實(shí)驗(yàn)可知：U外+U內(nèi)=E，因?yàn)閁內(nèi)=Ir,U外=IR，得閉合電路的歐姆定律I=E/(R+r)。

（四）思考與討論：短路R＝0，I＝E/r，U內(nèi)＝E，U外＝0。說明：短路時(shí)電流取決于E、r，一般情況下r很小，故短路時(shí)電流很大，由于電流的熱效應(yīng)，常會(huì)燒壞電源甚至引起火災(zāi)。斷路：R→∞，I＝0，U內(nèi)＝0，U外＝E(伏特表測電動(dòng)勢的原理)伏特表內(nèi)阻大，測出的數(shù)據(jù)略小于E。2路端電壓與電流的關(guān)系：作出U—I圖象（如圖4）。(1)從圖象中能否得出路端電壓與電流的關(guān)系？直線的斜率的絕對值表示什么？(2)直線與縱軸的交點(diǎn)表示的物理意義？(3)當(dāng)外電路斷開時(shí)，R→∞，I=0，U風(fēng)=0，U=E，直線與縱軸的交點(diǎn)表示電源的電動(dòng)勢。(4)直線與橫軸的交點(diǎn)表示的物理意義？(5)當(dāng)外電路短路時(shí)，R=0，I=E/R，U=0，直線與橫軸的交點(diǎn)表示短路時(shí)的電流。學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用所學(xué)的數(shù)學(xué)知識(shí)，在教師的提示和引導(dǎo)下，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，找路端電壓與電流關(guān)系的實(shí)質(zhì)，并可以用圖像解決問題。

（五）閉合電路中的功率：電源的輸出功率P隨外電阻R變化的規(guī)律。在純電阻電路中，當(dāng)用一個(gè)固定的電源（設(shè)E、r是定值）向變化的外電阻供電時(shí)，輸出的功率，P=(■)2R=■=■當(dāng)R=r時(shí)，電源有最大的輸出功率Pm＝E２/4r。畫出輸出功率隨外電阻變化的圖線（如圖5），在純電阻電路中，用一個(gè)固定的電源向變化的外電阻供電時(shí)，輸出的功率有最大值。在電路中電源的總功率為ＩＥ，輸出的功率為IU，內(nèi)電路損耗的功率為Ｉ２Ｒ，則電源的效率為η=IU/IE=U/E=R/(R+r)，當(dāng)R變大，η也變大。而當(dāng)R=r時(shí)，即輸出功率最大時(shí)，電源的效率η=50％。電源的效率η隨外電阻R的增大而增大。

（六）典型例題：

例1、如圖6為測量內(nèi)、外電路電壓的實(shí)驗(yàn)裝置。圖中電壓表V和V'測量的分別是什么電壓？若電壓表V的示數(shù)為0.9V，電壓表V'的示數(shù)為0.2V，則電源的電動(dòng)勢是多少？若移動(dòng)變阻器的滑鍵，當(dāng)電壓表V的示數(shù)減小時(shí)，電壓表V'的示數(shù)如何變化？

例2、在如圖7所示電路中，R1=0.8Ω，R3=6Ω，滑動(dòng)變阻器的全值電阻R2=12Ω，電源電動(dòng)勢ε=6V，內(nèi)阻r=0.2Ω，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑鍵在變阻器中央位置時(shí)，閉合電鍵S，電路中的電流表和電壓表讀數(shù)各是多少？分析與解答略。

（七）學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室：課后進(jìn)行可調(diào)內(nèi)阻電池實(shí)驗(yàn)。對網(wǎng)頁實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，得出閉合電路的歐姆定律，在模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鍛煉動(dòng)手能力，學(xué)生在教師指導(dǎo)下觀察實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證結(jié)論，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)-歸納法-驗(yàn)證法。

八、探究活動(dòng)

1．調(diào)查各種不同電源的性能特點(diǎn):（包括電動(dòng)勢、內(nèi)阻、能量轉(zhuǎn)化情況、工作原理）。

2．考察對廢舊電池的回收情況。（1）化學(xué)電池的工作原理；（2）廢舊電池對環(huán)境的污染主要表現(xiàn)在哪些方面；（3）社會(huì)對廢舊電池的重視程度；（4）廢舊電池的回收有哪些主要的途徑和利用方式；（5）如何使廢舊電池對環(huán)境的污染減小到最小。

3．通過學(xué)習(xí)，根據(jù)全電路歐姆定律有關(guān)知識(shí)，得出結(jié)論：電源的輸出功率最大時(shí)，內(nèi)外電阻應(yīng)該相等，而此時(shí)電源的效率則只有50%。請你設(shè)計(jì)出一種方案，在實(shí)際應(yīng)用中如何配置電源和負(fù)載之間的關(guān)系，使電源的輸出功率和效率盡可能的達(dá)到較大。

七、教學(xué)反思

本課在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下開展教學(xué)活動(dòng)，得出結(jié)論，然后讓學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本課重點(diǎn)不是老師強(qiáng)加到學(xué)生頭腦中，而是通過學(xué)生自主的探究，在一定思考和推理情況下學(xué)到知識(shí)，因此教師設(shè)計(jì)教學(xué)一定要符合學(xué)生的思維能力，通過“猜想——實(shí)驗(yàn)——驗(yàn)證”嚴(yán)密的科學(xué)探究方法，培養(yǎng)學(xué)生能力。本課教學(xué)中用到較多的仿真實(shí)驗(yàn)，具有安全性和可操作性，避免了實(shí)際操作中的用電安全問題。安全的仿真實(shí)驗(yàn)可充分發(fā)掘?qū)W生的好動(dòng)性、探知性，用學(xué)生特有的探究角度去思考問題，有效地發(fā)揮學(xué)生的個(gè)性，并使學(xué)生的創(chuàng)新能力得到拓展。同時(shí)通過仿真實(shí)驗(yàn)的操作，提高學(xué)生的生活用電安全意識(shí)。在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)而進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，通過訓(xùn)練有素的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在獲取物理知識(shí)的同時(shí)，潛移默化地形成良好的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)出具有較強(qiáng)動(dòng)手能力的學(xué)生。而這種能力正是日后成為合格勞動(dòng)者所必需的勞動(dòng)技能素質(zhì)的基礎(chǔ)。

總之，在教學(xué)中采用探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，讓學(xué)生自己去探索、去尋求，不僅使學(xué)生獲得了科學(xué)知識(shí)，而最重要的是了解了科學(xué)探究的方法與科學(xué)思想，學(xué)會(huì)以發(fā)展的眼光看待自己，永不滿足，不斷創(chuàng)新，這將使他們終身受益。另一方面物理探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式還有很多。許多問題還有待進(jìn)一步的解決。比如對學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的評價(jià)，學(xué)習(xí)方式的個(gè)性化和多樣化，DIS實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)用。這一領(lǐng)域也正是我們物理教育工作者面臨的課題。