設計探究實驗 培養思維能力
——以“探究電感和電容對交變電流的影響”為例

胡 佳 陳志軍

(1. 安徽省績溪縣適之中學，安徽 宣城 245300； 2. 安徽省績溪中學，安徽 宣城 245300)

1 問題的提出

人教版教材中“電感和電容對交變電流的影響”一節主要討論簡單的交流電路中電感、電容元件對交流電路的影響，這一節內容放在正弦式交流電的產生和描述等的學習之后，可以突出交變電流和恒定電流的區別，有利于加深學生對交變電流特點的認識。[1]教材針對直流電和交流電能否通過電感器和電容器給出了實驗電路，但對于電感器和電容器對交流電是否有阻礙作用、電感器和電容器對交流電阻礙作用的大小與什么因素有關，沒有給出實驗設計，也沒有提及用什么科學研究方法進行探究，而是直接給出結論，導致學生在學習過程中不能理解，只能死記硬背，對學生的思維能力、探究能力、活動設計能力以及創新思維能力的培養造成了較大的限制。在教學中設計和改進探究電容器和電感器對交變電流的影響實驗，自制實驗探究電路板，運用控制變量法，通過演示實驗、探究實驗、理論分析、歸納討論，突破教學重點和難點，有效解決了學生理解模糊的學習難題，提升他們的科學思維和科學探究能力。

2 實驗設計與意圖

2.1 電容器對交變電流的影響

問題1：直流電能否通過電容器？交流電能否通過電容器？

學生猜想：直流電不能通過電容器，交流電能通過電容器。

實驗探究1：如圖1所示，師生設計制作實驗探究電路板，將兩個不同的電容器與兩個相同的小燈泡分別串聯后接入電路，取其中一路，電路如圖2所示，先把它們接到直流電源上，觀察燈泡是否發光，再用導線將電容器短路，觀察燈泡是否發光；再把它們接到交流電源上，觀察燈泡是否發光。實驗中取直流電源的電壓與交流電壓的有效值相等。

圖1

圖2

設計意圖：師生設計、制作實驗探究電路板，培養學生將物理與生活相聯系、理論與實踐相結合的能力，并通過問題引導學生猜想、思考并設計實驗。在接直流電時，學生因學過電容器知識，很自然得出直流電不能通過電容器的結論，此時可提出問題：燈泡不亮，會不會是電源故障或導線接觸不良？你怎么排查？引導學生提出將電容器短路、觀察燈泡是否變亮的思路，并進行推理論證，以促進深度學習，提升思維能力。

問題2：電容器對交流電是否有阻礙作用？

實驗探究2：如圖3所示，電容器與小燈泡串聯，把它們接到交流電源上，再用導線將電容器短路，觀察燈泡的亮度變化情況。

圖3

設計意圖：在實驗探究1的啟示下，引導學生將電容器短路、比較燈泡的亮度變化來確定是否有阻礙作用培養學生的分析推理和實驗設計能力。

問題3：電容器對交流電阻礙作用的大小與什么因素有關？

實驗探究3：探究影響容抗大小的因素，采用控制變量法。

(1) 交流電的頻率一定，改變電容器的電容

如圖4所示，交流電的電壓為6 V，頻率為50 Hz，將電容為470 μF和1 000 μF的兩個不同電容器，分別與規格為“6 V 0.7 A”的兩個相同的小燈泡串聯，再并聯接到交流電源上。比較兩個燈泡的亮度，根據實驗現象完成表1。

圖4

表1

(2) 電容器的電容一定，改變交流電的頻率

如圖4所示，撤去其中一個支路，保留電容為470 μF的支路，接通交流電源，保持交流電壓為6 V，改變交流電的頻率，分別調為50 Hz、60 Hz、100 Hz、200 Hz，比較燈泡的亮度變化情況，根據實驗現象完成表2。

表2

設計意圖：按照交流電能通過電容器、電容器對交流電有阻礙作用、電容器對交流電的阻礙作用與什么因素有關的順序進行探究，符合學生的認知規律，在探究的過程中引導學生猜想，并采用控制變量法設計探究實驗3，通過觀察到的實驗現象(與較大電容的電容器串聯的燈泡比較亮；頻率越大，燈泡越亮)，學生討論、交流、總結得出電容器的作用以及影響容抗大小的因素，得出結論：交流電頻率越大容抗越小、電容越大容抗越小。

2.2 電感器對交變電流的影響

基于前面電容器對交變電流的影響實驗設計的基礎，與之類似，仍然按照交流電能否通過電感器、電感器對交流電是否有阻礙作用、電感器對交流電的阻礙作用與什么因數有關的順序進行探究，將電感器與小燈泡串聯，接到交流電源上，觀察燈泡的亮暗情況，再用導線將電感器短路，觀察燈泡的亮度變化情況，引導學生通過電感器被短路后燈泡更亮的實驗現象，得出結論：電感器對交變電流有阻礙作用，進而提出感抗的概念，并提出問題：影響感抗大小的因素有哪些？學生進行猜想，同樣，采用控制變量法探究影響感抗大小的因素，設計交流電的頻率一定、改變電感和電感一定、改變交流電的頻率兩種實驗進行探究，學生動手繞好圈數不同的帶鐵芯的電感，分別與規格為“6 V 0.7 A”的小燈泡串聯，再并聯接入交流電路，比較燈泡的亮暗情況；再選擇其中一個支路，保持電感一定，改變交流電的頻率，分別調節為50 Hz、60 Hz、100 Hz、200 Hz，觀察燈泡的亮度，學生通過探究實驗，討論、交流、總結電感器的作用以及影響感抗大小的因素。

3 實驗探究教學反思

3.1 以問題驅動實驗探究

在課堂教學中，教師通過問題引導學生對新知識進行定位，引發學生猜想，啟發教學與情境創設相結合，指導學生對研究的問題進行分析討論，提出開放性的問題：如何驗證？如何避免？如何推理？如何解決？結合探究實驗，引導學生對情境現象進行觀察、描述、解釋、討論、再解釋、評價，激發學生學習興趣，提高學生的科學思維和探究能力，培養學生的核心素養。

3.2 推理論證與實踐相結合，自制實驗探究電路板

通過推理分析設計實驗，自制實驗探究電路板，結合實驗現象再進行推理、分析、論證、歸納、總結，使學生體驗“分析——實踐——總結”的探究過程，將推理論證與實驗相結合，鍛煉學生的動手能力，體驗科學探究過程，促進學生認知的發展。

3.3 聚焦科學方法，提升思維品質

思維品質主要包括深刻性、靈活性、批判性、獨創性和敏捷性五個方面，教學中教師要引導學生針對問題全面、深入地進行分析，進行整體綜合判斷，運用已有的經驗和知識體系從不同角度、不同方向、不同深度去思考問題，運用控制變量、圖像等方法，借助探究實驗和信息技術多角度解決問題，強化拓展探究，做到從分析到綜合，再從綜合到分析，提高學生的科學思維能力和創新能力。[2]