“電表改裝”的體驗式教學設計

顏 輝 黃樹清

(1. 福建省福州格致中學,福建 福州 350001； 2. 福建師范大學物理與能源學院,福建 福州 350108)

依據物理學科和知識的特點,高中物理教學要大膽創設“實體驗”環境,讓學生更多的觀察和實踐,從中培養學生思考和質疑的能力,并能自主發現問題和解決問題.本文以魯科版高中物理選修3-1教材中“串聯電路和并聯電路”的教學為例,進行電壓表的改裝和校準,就如何依托“實體驗”實現從理論到實踐的跨越,有效提升學生實驗素養進行實踐探討.

1 基于“實體驗”的電表的改裝與封裝,提升實踐與應用能力

高中物理教材中對于串并聯電路知識的介紹,更側重于讓學生根據串并聯電路的特點進行應用與實踐,將電流計改裝成大量程的電壓表就是利用了串聯電路的分壓作用,教師通常是采取純理論推導的方式來介紹電表的改裝原理,甚至還給出一些現成的公式讓學生解題時套用,但是學生并沒有掌握真諦,畢竟，單調、空洞地講解永遠比不上親自動手體驗.因此,筆者從電表改裝的理論分析出發,準備好相關的實驗器材,創設電表改裝的“實體驗”環節,讓學生在理論分析的基礎上完成電表的改裝與封裝,邁出理論到實踐的第一步,實現學生動手實踐能力和知識應用能力的有效提升.筆者所設計的3個教學與實踐環節如下.

1.1 電表改裝的理論分析

通過“串聯電路和并聯電路”第一課時的學習,學生已經掌握了串并聯電路的特點和電表改裝的基本原理,本節實踐課可以設計一道改裝電表的例題,讓學生通過計算完成電表改裝的理論分析過程,為接下來的實踐做好知識的準備.

圖1 毫安電流表

例題.如圖1是一臺毫安電流表,內阻Rg=100Ω,滿偏電流Ig=1mA.要把它改裝為量程為0～3V的電壓表:

(1) 分析(串/并)聯電阻,并計算電阻的阻值;

(2) 畫出改裝電表的結構圖;

(3) 改裝后新電壓表的內阻是多少?

1.2 電表的改裝和封裝實驗

在理論分析的基礎上指導學生動手操作,教師準備好電表改裝所需的實驗器材,并提出改裝電表的具體要求,讓學生兩兩為一組完成電表的改裝與封裝實驗.

實驗器材: 1臺毫安電流表(Rg=100Ω,Ig=1mA)、電阻箱(0-9999Ω)、 記號筆、硬紙板、導線若干.

實驗要求:

(1) 將毫安電流表改裝為量程為0～3V的電壓表;

(2) 完成電阻箱阻值的設定,如圖2(甲),在盒子內用導線把電阻箱與毫安電流表的表頭串聯;

圖2

(3) 如圖2(乙),用記號筆在盤面上標出對應刻度的電壓值,完成電表的封裝;

(4) 確定改裝后電壓表的精度.

1.3 實踐的對比與反思

在完成電表的改裝和封裝之后，教師接著展示實驗室的電壓表的內部結構圖(如圖3),讓學生對比自己的實驗成果,從而讓學生對串聯電路的分壓作用有了真實的認識和體會,同時讓學生體會到動手實踐的樂趣和成就感.教師通過設置如下問題進行實踐后的反思,突破電表改裝中的難點問題,從而讓學生在“實體驗”的基礎上進一步理解改裝電壓表的本質.問題設置如下.

圖3 電壓表的內部結構圖

(1) 表盤上電流值指的是流過哪個元件的電流?

(2) 表盤上電壓值指的是哪兩端的電壓?

(3) 電表指針偏轉角越大,流過表頭的電流也越大嗎?

2 基于“實體驗”的電壓表的校準與改進,提升分析和處理實驗誤差的能力

改裝后的電壓表是否有使用價值,最關鍵的一步就是和標準電壓表放在一起進行校準,教師指導學生完成電壓表校準電路的設計,創設校準電表的“實體驗”環節,根據學生設計的校準電路完成實際的校準過程.實際的校準過程中會出現改裝表讀數總是小于標準表讀數或總是大于標準表讀數這兩種誤差情況,在充分認識電壓表本質的基礎上,讓學生正確分析誤差造成的原因,并且尋求解決辦法處理所遇到的問題,提升學生分析誤差和處理實際問題的能力.筆者設計以下兩個教學與實踐環節.

2.1 設計校準電路圖,完成實物連線

教師提出校準改裝的電壓表的具體要求: (1) 用標準電壓表校準改裝的電壓表; (2) 從0V到3V校準電壓表.學生根據以上要求設計校準電路圖,并完成實物連線(如圖4).教師用手機拍攝較為典型的學生的設計電路圖和實物連線,利用手機屏幕投射功能將其直接投射到白板上,對學生的設計方案和實物連線做出及時的反饋和點評,從而使學生對校準電路有更深刻的理解.

圖4 校準電路設計與實物連接

2.2 用標準電壓表校準改裝電壓表,分析誤差并提出改進方案

教師按照學生設計的電路完成校準電路的實物連接,通過視頻技術實時直觀地呈現校準的全過程,在實際的校準過程中發現改裝表讀數總是小于標準表讀數(如圖5),讓學生4個人為一小組分析和討論造成這一誤差的原因,并提出改進方案.通過分析和討論讓學生更進一步理解電壓表的本質是一個電阻,表頭讀數偏小實質上是電流偏小.教師讓學生充分表達自己的觀點,并將學生討論提出的改進方案付諸實施.學生通過改裝電表的校準與改進的真實體驗,掌握了分析和處理實驗誤差的方法,并體會到了思考和實驗的樂趣,極大地促進了學生實驗素養的提升.

圖5 改裝電表的標準結果

3 基于“實體驗”的思維拓展訓練,提升實驗思維能力

基于“實體驗”的教學的最終目的是通過學習和實踐讓學生掌握處理實際問題的方法,并具備一定的實踐創新能力.因此,在最后環節設計基于“實體驗”的思維拓展訓練,讓學生前后桌一起通過動手實驗去尋找或驗證問題的答案.本環節的設計讓物理教學從實驗中來到實驗中去,實現了學生實驗思維能力的培養和鍛煉.筆者設計如下環節.

圖6

思維拓展訓練: 由同一表頭改裝而成的電壓表,1臺量程3V,另1臺量程15V,串聯接入電路中(如圖6),閉合開關時: ① 兩臺電壓表的讀數是否相同?② 兩臺電壓表的指針偏轉角是否相同?③ 請前后兩桌的同學為一組進行分組實驗,通過實驗驗證你們的想法.

4 結語

本節課的教學所創設的實體驗環節環環相扣,層層遞進,實現了3方面的教學目標:一是利用串并聯電路的知識,進行改裝電表的理論計算;二是在實際進行改裝和封裝電表過程中,學會利用串并聯電路的知識分析和解決實際問題;三是通過對改裝電表的校準和改進加深了學生對串并聯知識的理解和對電壓表本質的認識.反思本節課的教學,在設計校準電路時教師可放手讓學生自主設計實驗方案,在設計實驗時,每個學生的思路是不一樣的,設計出來的方案也不盡相同,或許有的方案超出了所學范圍,但是關鍵在于設計方案的過程,有利于培養學生發散性的科學探究思維,提高學生實驗的創造力.[2]基于“實體驗”的物理教學著眼于提升學生的實驗素養,摒棄了紙上談兵的傳統教學模式,沒有拘泥于知識方法的講授,發揮物理學科的天然優勢,盡可能地創設條件和情境讓學生動手實驗,通過實驗能更好地掌握知識和方法,同時通過實驗去發現和解決實際問題,造就學生敢于探索和實踐的品質.