例談促進高階思維發展的電學實驗拓展策略

李丕榮

(浙江省溫州外國語學校 浙江溫州 325000)

浙教版八上科學教材第四章和九上科學教材第三章中有四個電學實驗。對于這四個電學實驗，很多教師會讓學生根據書本既定的步驟（過程）進行分組實驗，實驗后根據書中的討論環節進行簡要討論，缺乏相應的拓展。筆者認為對這四個電學實驗環節進行相應的拓展能有效地促進學生高階思維的發展[1]。

一、從滑動變阻器如何調節的角度進行拓展

已知小燈泡的額定電壓為2.5V，電路連接如圖1所示，若此時電壓表顯示的示數為2.1V，為測定小燈泡的額定功率，滑動變阻器的滑片應如何移動？為什么？

要測小燈泡的額定功率，必須使小燈泡的電壓達到2.5V（此時為2.1V）。電路為串聯電路，小燈泡電壓若要增大，即滑動變阻器的電壓要減小。串聯電路中小電阻分小電壓，所以要使滑動變阻器接入電路的電阻變小，則滑片要向左移動，直至電壓表的示數為2.5V。

該拓展環節，需要學生以實驗目的為出發點，結合串聯電路的特點及滑動變阻器的相關知識進行分析，使學生的分析能力得到了鍛煉，促進學生高階思維的發展。

二、從電路故障分析的角度進行拓展

電路連接如圖1所示，閉合開關，無論怎么移動滑動變阻器滑片，小燈泡均不亮、電流表沒有示數，電壓表的示數約等于電源電壓。請判斷電路可能的故障為（ ）。

A.小燈泡短路 B.小燈泡斷路

C.電流表斷路 D.滑動變阻器接觸不良

若電流表斷路或滑動變阻器接觸不良則整個電路斷開，電壓表和電流表均無示數，所以C、D排除。若小燈泡短路，則電路中的總電阻為滑動變阻器接入電路的有效電阻（不考慮電流表和電源的內阻），電流表的示數不為零，故A錯。若小燈泡斷路，則電壓表、電流表、滑動變阻器三者串聯，電壓表的內阻巨大，所以電路的電流幾乎為零，電源的電壓幾乎全部分到電壓表身上，所以電壓表的示數接近電源電壓，B正確。

該拓展環節，需要學生結合具體的電路故障現象，結合選項進行逐一分析、排除，利于訓練學生的高階思維。

三、從改變已知條件的角度進行拓展

如果題目給定小燈泡的額定電流，沒有給定額定電壓，要如何測定小燈泡的額定功率？

根據公式P=U·I，利用圖1的電路，只要調節滑動變阻器滑片使得通過小燈泡的電流為額定電流，讀出此時電壓表的示數即為小燈泡的額定電壓，兩則相乘即可得出額定功率。

從已知條件的角度，平時通常給定學生小燈泡的額定電壓，讓孩子去測額定功率。該拓展環節給定學生小燈泡的額定電流，讓孩子去測額定功率。這個環節需要學生結合已知條件，根據公式進行分析，并運用類比和遷移的方法，得出具體的操作步驟，利于鍛煉學生的高階思維。

四、從實驗的精確角度進行拓展

已知小燈泡的額定電壓為3.8V，電源電壓恒為6V，電壓表的量程為0-3V和0-15V，為了比較精確地測定小燈泡的額定功率，請寫出簡要的實驗步驟。

若按照常規電路進行實驗（如圖1），因為小燈泡的額定電壓為3.8V，則電壓表要選擇0-15V的量程。但是，因為此時電壓表的最小刻度為0.5V，難以精確控制電壓表的示數為3.8V，所以按照常規電路無法精確測定小燈泡額定功率。轉換思路，因為電源電壓恒為6V，小燈泡和滑動變阻器串聯，要使小燈泡的電壓達到3.8V，只要使滑動變阻器的電壓為2.2V即可。如果我們把電壓表并聯在滑動變阻器兩端，如圖2，電壓表選用0-3V的量程，那我們就能比較精確地使滑動變阻器兩端的電壓達到2.2V，即小燈泡兩端的電壓為3.8V。故大致的實驗步驟如下，按圖2連接電路，移動滑動變阻器滑片使電壓表的示數為2.2V，讀出此時電流表的示數，再通過計算得出額定功率。

測定小燈泡的額定功率，學生的腦海里會馬上浮現圖1的電路圖，該環節特意設置小燈泡的額定電壓為3.8V，那么如果按圖1電路進行實驗，實驗難以精確控制小燈泡達到額定電壓。從而迫使學生再去思考更加合理的電路設計。這一實驗拓展環節，能比較好地鍛煉學生的綜合、分析能力，促進學生的思維發散，利于學生高級思維的發展。

五、從逆向思維的角度進行拓展

如果已知小燈泡的額定功率，額定電流和額定電壓均不知道，如何得出小燈泡的額定電壓？小組討論寫出實驗方案，之后展示，同學們分析方案是否可行。

方案1：按照圖1連接電路，調節滑動變阻器滑片，當觀察到小燈泡正常發光時，記錄此時電壓表的示數即為小燈泡的額定電壓。

方案2：按照圖1連接電路，調節滑動變阻器滑片到任意位置，讀出此時電壓表和電流表的示數分別為U和I，利用歐姆定律，求得小燈泡的電阻為R=U/I，再利用公式P額=U2額/R得出額定電壓等于額定功率和小燈泡電阻的乘積的開根號。

方案1分析：正常發光指的是小燈泡在額定電壓下發光，我們肉眼無法直接判斷小燈泡是否正常發光，所以方案1錯誤。方案2分析：因為小燈泡電阻的阻值是會隨著溫度的變化而變化的，利用歐姆定律算出來的電阻R和小燈泡在正常發光時對應的電阻不一定相同，所以方案2錯誤。該拓展環節涉及到兩個任務，任務1是設計實驗方案，難度較大，而且比較容易出錯。從已知條件的角度，平時通常給定學生小燈泡的額定電壓，讓孩子去測額定功率。該拓展，反其道，給定學生小燈泡的額定功率，反過來讓學生求額定電壓。要完成該任務，學生需要明確：當燈泡兩端的電壓增大時，通過燈泡的電流也增大，小燈泡的功率也隨之增大。即功率和電壓、電流之間存在一一對應的關系。任務2是對學生設計的實驗方案進行評價，學生需要發現方案1、方案2隱藏著的錯誤。任務2需要較強的評價能力和思維的嚴謹性。