學(xué)以致用導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
——以電表的改裝為例

盛天霖

隨著課程改革的不斷深入,實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性逐步得到加強(qiáng),但總體而言實(shí)驗(yàn)教學(xué)相對(duì)薄弱。中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常見(jiàn)的問(wèn)題有以下兩類(lèi):第一,存在著以講代做、以書(shū)面做代替實(shí)際做的現(xiàn)象,以教師講解與視頻演示為主的接受性學(xué)習(xí)和應(yīng)對(duì)習(xí)題的邏輯演練;第二,實(shí)驗(yàn)教學(xué)表象化,學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以模仿為主,沒(méi)有實(shí)際的探究和分析過(guò)程,只進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的訓(xùn)練而非利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。因此,為了提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性,教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中,要注重實(shí)際問(wèn)題的設(shè)置和必備知識(shí)的討論及傳遞,轉(zhuǎn)變?yōu)榻忸}而學(xué)的觀念,讓學(xué)生在任務(wù)中為了解決實(shí)際問(wèn)題而主動(dòng)地學(xué)習(xí),從而引導(dǎo)有效的探究過(guò)程,讓學(xué)生積極參與知識(shí)發(fā)生發(fā)展和應(yīng)用的全過(guò)程。下面就以電表的改裝為例,從四個(gè)方面來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

一、 真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境

教師從學(xué)以致用的角度出發(fā),在現(xiàn)實(shí)生活中尋找有研究?jī)r(jià)值、需要一定的知識(shí)學(xué)習(xí)、匹配教學(xué)目標(biāo)的實(shí)際問(wèn)題,并將其轉(zhuǎn)化為探究任務(wù)。學(xué)生通過(guò)完成這個(gè)任務(wù),讓在課程中所學(xué)的知識(shí)和掌握的技能,不僅僅只是用于解決課堂中的問(wèn)題,更能用于解決將來(lái)生活和工作中的實(shí)際問(wèn)題。

(一)測(cè)量定值電阻的精確值

生活中使用到的各類(lèi)電器,其電路板中有形態(tài)各異的電阻,其中部分是圓柱形的定值電阻。因此,可以通過(guò)測(cè)量這類(lèi)定值電阻的阻值來(lái)排查電器故障的原因,而此類(lèi)電阻阻值一般較大。以此為情境,教師以“測(cè)量電器中電阻阻值”為任務(wù),讓學(xué)生自主選擇器材、設(shè)計(jì)電路,來(lái)測(cè)量一個(gè)阻值約 1 000 Ω 的定值電阻的精確值。

(二)電表的量程不夠

出于用電安全的考慮,器材僅提供2節(jié)干電池作為電源,常見(jiàn)的3 V/15 V量程的電壓表、0.6 A/3 A 量程的電流表、0.3 mA量程的靈敏電流計(jì)、滑動(dòng)變阻器、電阻箱、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線若干。

基于以上器材,學(xué)生在設(shè)計(jì)電路過(guò)程中,很快能夠發(fā)現(xiàn)沒(méi)有合適的電流表。為了解決這一問(wèn)題,教師引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展小組討論,讓學(xué)生帶著問(wèn)題和任務(wù)進(jìn)入求知研討的環(huán)節(jié)。

二、 真切的求知研討

在學(xué)習(xí)第一課時(shí)的“串聯(lián)電路和并聯(lián)電路”的基礎(chǔ)上,學(xué)生小組討論后,提出可以利用串并聯(lián)電路的特點(diǎn)對(duì)靈敏電流計(jì)進(jìn)行改裝,擴(kuò)大其量程。

在進(jìn)行改裝之前,要首先理解被改裝表頭的基本原理和結(jié)構(gòu),這樣才能夠設(shè)計(jì)出合理的改裝方案,結(jié)合教材上的示意圖進(jìn)行理解。

圖1拆解后即是實(shí)驗(yàn)中常用的磁電式電流表的結(jié)構(gòu),其依據(jù)的原理是通電線圈在磁場(chǎng)中受安培力而轉(zhuǎn)動(dòng)。磁電式電流表基本的組成部分是磁體和放在磁體兩極之間的線圈。線圈在磁場(chǎng)中受力的情況如圖2所示。

圖1 磁電式電流表

圖2 通電線圈在安培力的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)

當(dāng)線圈中通過(guò)電流時(shí),線圈各部分通電導(dǎo)線均受到安培力的作用。由左手定則可以判定,主要因?yàn)榫€圈左右兩邊受到的安培力方向相反,所以安裝在軸上的線圈就有順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),圖1中的螺旋彈簧受力,開(kāi)始發(fā)生形變,以反抗線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)。

電流越大,安培力越大,螺旋彈簧的形變也就越大,線圈所帶動(dòng)的指針的偏轉(zhuǎn)角度也越大,達(dá)到新的平衡。所以,從線圈偏轉(zhuǎn)的角度就能判斷通過(guò)電流的大小。

從前面的分析可知,安培力總與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直。電流表的兩磁極裝有極靴,極靴中間還有一個(gè)用軟鐵制成的圓柱。這樣一來(lái),極靴與圓柱間的磁場(chǎng)都沿半徑方向,如圖3。

圖3 極靴和鐵質(zhì)圓柱使磁場(chǎng)沿半徑方向

無(wú)論線圈轉(zhuǎn)到何種平衡位置,其平面都與磁感線平行,線圈左右兩邊所處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小相等。線圈中的電流方向改變時(shí),安培力的方向隨之改變,指針的偏轉(zhuǎn)方向也隨之改變。所以,根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向,可以知道被測(cè)電流的方向。磁電式電流表的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,可以測(cè)出很弱的電流;缺點(diǎn)是線圈的導(dǎo)線很細(xì),允許通過(guò)的電流很弱(幾十微安到幾毫安)。

(一)改裝原理

圖4 電流表改裝等效圖

(二)改后等效

(三)刻度修正

在投入使用之前,表盤(pán)上的刻度仍然是原始刻度,在改裝后其表盤(pán)刻度讀數(shù)應(yīng)代表新電流表的讀數(shù),因此,需要對(duì)刻度進(jìn)行重構(gòu)。在重構(gòu)的過(guò)程中有以下兩個(gè)問(wèn)題需要解決:一是滿(mǎn)偏刻度是多少;二是表盤(pán)刻度是否是均勻的。

針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題,當(dāng)靈敏電流計(jì)滿(mǎn)偏0.3 mA時(shí),根據(jù)U=Ug=R1I1得I1=2.7 mA,又因I=Ig+I1,故靈敏電流計(jì)滿(mǎn)偏時(shí)對(duì)應(yīng)新電流表的3 mA刻度。

(四)拆解驗(yàn)證

在完成電表改裝的各項(xiàng)理論推導(dǎo)后,教師讓學(xué)生自行動(dòng)手拆解每組桌上提供的電流表(如圖5),并根據(jù)實(shí)物圖作出電路圖。通過(guò)與實(shí)際出廠電表的對(duì)比,學(xué)生發(fā)現(xiàn)電流表內(nèi)部結(jié)構(gòu)確實(shí)是不同的并聯(lián)形式對(duì)應(yīng)不同的量程,印證了學(xué)生的改裝方案,從而使學(xué)生獲得了研究正確的成就感,同時(shí)又給學(xué)生親手改裝電表留下了期待。

圖5 電流表拆解圖

學(xué)生在面對(duì)實(shí)際問(wèn)題時(shí),儲(chǔ)備的知識(shí)體系并不完備,所以需要通過(guò)預(yù)習(xí)、小組討論、教師講授等方式進(jìn)行補(bǔ)充,但在具體的實(shí)驗(yàn)理論設(shè)計(jì)部分,要交給學(xué)生自行設(shè)計(jì)。在學(xué)生將串并聯(lián)的具體知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中,既有團(tuán)隊(duì)合作討論的思維碰撞,又能夠獨(dú)立進(jìn)行定量的計(jì)算推演。當(dāng)學(xué)生設(shè)計(jì)出初步成果時(shí),教師適時(shí)地展示半成品或已驗(yàn)證的成品,讓學(xué)生能夠有實(shí)物的印證,極大地增強(qiáng)了學(xué)生自己動(dòng)手解決問(wèn)題的積極性和信心。

三、 真實(shí)的問(wèn)題解決

(一)表頭內(nèi)阻

學(xué)生要進(jìn)行改裝測(cè)量,必須要準(zhǔn)確測(cè)量表頭電阻Rg,但是由于表頭電阻Rg并不是很大,Ig很小。在實(shí)際測(cè)量中,因多用電表表內(nèi)電池電壓過(guò)高,無(wú)法直接測(cè)量表頭的阻值,而且本次準(zhǔn)備的電壓表和電流表皆因量程過(guò)大而不能用于伏安法的測(cè)量。因此,采用半偏法或替代法進(jìn)行測(cè)量才是比較可行的選擇。

分壓半偏法:測(cè)量原理如圖6所示,為了保護(hù)表頭,在表頭支路串聯(lián)入一只定值電阻R0,當(dāng)被測(cè)電流計(jì)接在電路中時(shí),電阻箱阻值調(diào)為R=0 Ω。從a開(kāi)始調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,使表頭滿(mǎn)偏。保持滑動(dòng)變阻器滑塊不動(dòng),電阻箱作為分壓電阻,改變電阻值即改變分壓程度,當(dāng)電流計(jì)指針指示到中間值,即電阻箱阻值與待測(cè)電流計(jì)阻值相等,Rg=R-R0。在多次測(cè)量求平均的基礎(chǔ)上,得到了表頭內(nèi)阻Rg,進(jìn)而使學(xué)生能夠根據(jù)理論計(jì)算進(jìn)行實(shí)際改裝。

圖6 半偏法測(cè)量原理圖

(二)誤差校對(duì)

由于分壓半偏法在測(cè)量表頭內(nèi)阻時(shí)存在系統(tǒng)誤差,因而用此值進(jìn)行改裝后的電流表必然會(huì)造成誤差,所以在使用電表前需要對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。電表的校準(zhǔn)實(shí)際上是通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)表的比較來(lái)判斷改裝是否成功。直接的方法就是用兩者測(cè)量同一電壓或電流,觀察兩者的示數(shù)是否相同。為了更好地比較,往往需要進(jìn)行逐格校對(duì),所以需要使用分壓式電路來(lái)進(jìn)行控制,校準(zhǔn)電路如圖7所示。

圖7 誤差校對(duì)電路圖

用多用電表電流擋作為標(biāo)準(zhǔn)表,有標(biāo)準(zhǔn)表A0進(jìn)行對(duì)照后,學(xué)生發(fā)現(xiàn)可以直接調(diào)整電阻箱R的阻值來(lái)影響表頭的示數(shù)。當(dāng)學(xué)生將R調(diào)大后,表頭示數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)表偏離更大,因此學(xué)生在調(diào)整降低R的阻值過(guò)程中,能夠?qū)⒏难b電表的示數(shù)校準(zhǔn)到與標(biāo)準(zhǔn)表一致。接著讓學(xué)生以小組形式討論研究這一現(xiàn)象形成的原因。通過(guò)分析和討論使學(xué)生能夠更進(jìn)一步地理解表頭本質(zhì)上是一個(gè)電阻,但是能夠顯示流過(guò)自身的電流大小,所以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要,我們能夠通過(guò)串并聯(lián)的改裝來(lái)制作出所需量程的電表。

(三)測(cè)量方案

根據(jù)改裝后電流表和電壓表內(nèi)阻參數(shù),為了測(cè)量數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣,同時(shí)減小測(cè)量的系統(tǒng)誤差,選取分壓內(nèi)接法,對(duì)待測(cè)的定值電阻RX進(jìn)行測(cè)量。其中控制電路和測(cè)量電路的選取可由教師提供相應(yīng)資料(如圖8),交給學(xué)生小組自行設(shè)計(jì)伏安法測(cè)電阻的電路圖。

圖8 限流式和分壓式對(duì)比圖

學(xué)生在前兩次分壓測(cè)量的實(shí)驗(yàn)中,已經(jīng)對(duì)分壓電路十分熟悉。在正式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前,仍然要注意提醒學(xué)生分壓接法在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前滑動(dòng)變阻器滑塊的位置,并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后斷開(kāi)開(kāi)關(guān),讓學(xué)生明確如何保證電路中各儀器的安全。

在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,蘊(yùn)含大量的實(shí)際問(wèn)題。教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)備課過(guò)程中能夠發(fā)現(xiàn)諸多的實(shí)際問(wèn)題,選擇適當(dāng)?shù)膯?wèn)題作為活動(dòng)契機(jī)或教學(xué)內(nèi)容,有利于教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成,能夠有效提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思維能力和創(chuàng)新能力。在內(nèi)阻測(cè)量環(huán)節(jié),內(nèi)阻測(cè)量的方案眾多,不需要一一為學(xué)生介紹,而是要讓學(xué)生注意被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn),根據(jù)其特點(diǎn)分析測(cè)量方法,避免盲目測(cè)量導(dǎo)致的器材損壞。在校準(zhǔn)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),因?yàn)殡娮柘涞拇嬖?讓學(xué)生能夠便捷地修改并聯(lián)電阻,在調(diào)整并聯(lián)電阻過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)也同步發(fā)生變化,兩者示數(shù)有明顯的相關(guān)性,這便是分析的切入點(diǎn),也能夠讓學(xué)生對(duì)電表本質(zhì)的理解更加深刻。

四、 現(xiàn)實(shí)的作用分析

(一)等效思維

學(xué)生在計(jì)算改裝后電表內(nèi)阻時(shí),將其總電阻等效為單個(gè)電阻的阻值;在校準(zhǔn)環(huán)節(jié),學(xué)生認(rèn)識(shí)到表頭可以等效為一個(gè)有電流示數(shù)的電阻;在測(cè)量環(huán)節(jié),學(xué)生能通過(guò)理論分析發(fā)現(xiàn)電阻測(cè)量值其實(shí)是等效電阻值,即待測(cè)電阻與電流表的串聯(lián)值。通過(guò)多次的體驗(yàn),教師也有意識(shí)地讓學(xué)生去發(fā)現(xiàn)和尋找等效,使學(xué)生體會(huì)到等效思維能夠簡(jiǎn)化問(wèn)題,理清思路,從而高效地解決實(shí)際問(wèn)題。

(二)電學(xué)實(shí)驗(yàn)及電相關(guān)的操作注意點(diǎn)

通過(guò)對(duì)分壓電路滑動(dòng)變阻器初始位置的分析,加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電路中元件的保護(hù)意識(shí),注重觀察元件的最大電壓和電流,防止損壞。在實(shí)驗(yàn)的具體操作過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后開(kāi)關(guān)一定要斷開(kāi),并且在一些測(cè)量調(diào)整過(guò)程中也需要回避帶電操作。這些操作規(guī)范不僅僅是為了實(shí)驗(yàn)器材的安全和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確,也使學(xué)生在生活中使用電器時(shí)能養(yǎng)成注意安全規(guī)范的習(xí)慣。

(三)多用電表的結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)電流表和電壓表的拆解,驗(yàn)證了學(xué)生改裝電表的方案,因此如果需要不同量程的電表,只需要調(diào)整串并聯(lián)電阻的阻值即可。教師可將設(shè)計(jì)多用電表電壓電流擋的任務(wù)作為課后探究活動(dòng),讓學(xué)生從電路圖設(shè)計(jì)出發(fā),完成由設(shè)計(jì)到改裝的全過(guò)程,并對(duì)普通實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行嘗試測(cè)量。

(四)實(shí)際的體驗(yàn)和探究

學(xué)生在探究過(guò)程中,能夠用已有的知識(shí),經(jīng)過(guò)討論分析、自主設(shè)計(jì),配合教師簡(jiǎn)單的技術(shù)指導(dǎo),完成理論上的推演。在拆解電表的驗(yàn)證后,學(xué)生可以體驗(yàn)到探究的樂(lè)趣與成功應(yīng)用知識(shí)的成就感。學(xué)生是實(shí)驗(yàn)的主體,教師在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)既要從學(xué)生已有的知識(shí)水平出發(fā),又要有一定難度,讓學(xué)生充分參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,讓學(xué)生能夠體驗(yàn)到一定的正向反饋。學(xué)生在正向反饋中,更加愿意深入實(shí)驗(yàn)中去,這樣能夠充分拓展學(xué)生的思維,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題的能力和實(shí)踐能力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,教師指導(dǎo)學(xué)生將設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和體會(huì)以科技論文的形式記錄下來(lái),同時(shí)為今后的探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)打下良好的基礎(chǔ),在多次實(shí)踐中不斷優(yōu)化探究方法和實(shí)驗(yàn)技巧。