基于項目式學習的高中物理實驗探究教學
——以“用發光二極管制作電源指示燈”為例

吳志山

(江蘇省南通第一中學,江蘇南通 226001)

物理是以實驗為基礎的一門基礎學科.實驗內容本身也是物理教學的重要內容,但在應試背景下,實驗的教學時間和空間都明顯不足.目前一些學校的實驗教學主要以課本實驗知識為主,講實驗、畫實驗現象十分普遍,即使做分組實驗也有很多是“照本宣科”,學生體會不到所學內容在生活中的應用,缺乏實驗興趣.基于項目式學習的實驗探究教學是源于生活情境問題的實驗探究,其融入了杜威“做中學”的科學探究思想,在做事中學習,強調在真實問題中運用科學思維和方法進行探究,在小組合作探究過程中打磨和提升學生自身的價值判斷,提升學生學科核心素養.本文以“用發光二極管制作電源指示燈”為例,與大家交流基于項目式學習的實驗探究教學.

1 基于項目式學習的實驗教學

項目式學習具有真實情境創設、挑戰性問題驅動、產出項目成果、經歷自主探究、進行深度學習和評價方式多元化的特征.[1]高中物理實驗項目式探究教學是在真實的情境中根據學生學情提煉出合適的實驗項目,師生共同分析該項目提出具有挑戰性的驅動問題(或子項目),然后根據項目需要收集相關資源,形成個人(或團隊)探究方案,經過小組協作探究完成項目(或子項目)成果并進行展示反饋和評價.筆者參照項目式學習基本流程總結出項目式學習的實驗教學流程如圖1所示.實際教學過程中可以根據教學實際進行適當的調整.項目探究過程中也可以在完成某項目的基礎上螺旋遞進式提出新項目并進一步研究.

圖1 項目式學習實驗探究教學的一般流程

2 項目選擇與提煉

生活中與物理相關的真實情境有許多,但并不是所有項目都適合我們實驗探究教學,項目的選擇應該與實際教學活動關聯,要符合學生學習目標與學習背景.項目來源要能激發學生探究欲望,對學生知識和能力要求要在“最近發展區”,同時又要便于協同探究、多元評價.在人教版教材《物理》必修3中“電路及其應用”“電能 能量守恒定律”這兩章學習結束后,學生具備了有關電路知識,接觸了電壓表、電流表、多用電表等實驗儀器,掌握了閉合電路歐姆定律應用以及電源電動勢和內阻測量方法,具備了一定的理論知識和實驗能力.起初筆者準備開展“探究發光二極管伏安特性”項目,主要考慮發光二極管具有二極管一樣單向導通的特性,可以讓學生練習使用多用電表判斷二極管的正負極;另外,發光二極管的伏安特性曲線是非線性曲線,在新教材刪除了“描繪小燈泡伏安特性曲線”實驗的情況下,該項目可以作為一個補充,但這樣的項目有為了實驗而實驗的感覺,和生活實際沒有緊密聯系.把項目改成“用發光二極管制作電源指示燈”后,除了要研究發光二極管的特性還要研究電源特性,并且要運用閉合電路歐姆定律選擇合適的限流電阻,與生活中電源指示燈制作流程相似.這個項目符合項目式學習來源于生活情境、挑戰性問題驅動、綜合知識能力應用的特征,可以很好地激發學生學習興趣,提升學生解決問題的綜合能力,學生在科學素養提升的同時能夠獲得成就感.

3 項目設計與實施

3.1 驅動性問題設計

驅動性問題設計是項目設計的基礎,對項目目標分析后,結合實驗器材等實驗支撐實際來設計驅動性問題,形成實驗探究總體方案.本項目驅動性問題如表1所示.

表1 “用發光二極管制作電源指示燈”項目學習驅動性問題

3.2 項目實施

任務1:判斷發光二極管的正負極.

學生通過前面的學習已經知道,多用電表電流從紅表筆流進、黑表筆流出,發光二極管也有單向導通性,測量方法與普通二極管相似.在實際實驗過程中發現,多用電表電池為1.5 V的歐姆表調零后可以測出普通二極管正負極,但測量發光二極管電阻時,正反向電阻都顯示是無窮大,無法判斷其正負極.學生查找資料發現,普通的紅色發光二極管正偏壓約為1.6 V,黃色約為1.4 V,藍白為至少2.5 V.正向導通所需電壓大于電表電源電動勢1.5 V,二極管正向也不導通,需要更換電源為更高電動勢(3 V或9 V)的多用電表,學生測出發光二極管長腳為其正極,與資料所查信息相同.另外,學生還發現了“異常現象”:分別用多用電表歐姆擋×1 K、×100、×10、×1的不同倍率測量發光二極管正向導通電阻時,測量值相差很大,并且所用倍率越小二極管發光的亮度越高,電阻測量值越小,如圖2所示.學生對此現象還提出了新的探究項目.

圖2 “×100”和“×1”亮度和讀數

任務評價:二極管正負極判斷的常規方法是用多用電表測其正反電阻,學生通過學習掌握了多用電表理論知識與一般操作方法,但在實際實驗過程中會遇到與設想不同的實際問題,需要學生根據實際情況查找資料或重新立項探索.這時學生的探索學習是一種帶著任務的主動學習過程,他們會協同配合解決問題從而提升能力.通過查閱資料學生還發現可以從二極管外形判斷其正負極:新的發光二極管長腳為正極;發光端半透明時內部正負極形狀不同也可以作為判斷依據.還有學生提議可以用一個電阻與二極管串聯,再與電源“試觸”看是否能點亮來判斷正負極等方法.學生思維活躍,勇于面對挑戰性問題.

任務2:描繪發光二極管伏安特性曲線.

為進一步了解發光二極管的電學特性,項目組決定利用DIS系統描繪其伏安特性,二極管是非線性元件,測量數據要多,學生選擇了如圖3所示分壓電路進行測量.為了保證初始電路安全,滑片在開關閉合前應移至最左側.實驗前查得該型二極管正常工作電流約20～30 m A.開關閉合后緩慢向右移動滑片,觀察通過發光二極管的電流和亮度情況.電壓傳感器和電流傳感器能實時測出其電壓和電流并描繪伏安曲線,如圖4實線所示.學生由圖像發現,該型發光二極管在1.8 V左右時才有導通電流,所以實驗室原來1.5 V電源的多用電表無法使其導通,所以正反電阻都是無窮大;學生還發現,發光二極管導通后電流隨電壓變化很快,較小的電壓誤差會引起很大的電流變化,而電流太大容易燒壞二極管.

圖3 伏安特性曲線測量電路

任務評價:該任務要求學生熟練掌握伏安法分壓測量方法,描繪發光二極管伏安曲線特性.實驗任務作為整個項目的一環,是要得出結論并加以應用,所以為了測量快捷方便,筆者選擇了數字實驗系統記錄實驗數據,在自動采樣過程中會有些數據多余重復,要讓學生進行甄別和刪除.得到圖像后學生會自覺用于解釋前面實驗現象,并發現電壓波動對二極管的傷害很大.此時教師可以呈現教室里照明LED燈的驅動器并引導學生發現,實際使用中LED燈用恒流源驅動,如圖5所示.這種驅動器輸入電壓可以波動較大,但電流誤差要求在5%以內.學生再次發現物理與生活的緊密性,學有所用.

圖5 LED燈驅動電源

任務3:選擇合適的限流電阻.

通過以上實驗圖像可知,發光二極管若直接接在3 V電源兩端電流太大,需要選擇合適的定值電阻與之串聯后再連接到電源,該型二極管額定電流約為20 m A.由圖像可知,當電流I=20 m A時,二極管對應工作電壓約為2.2 V,由歐姆定律E=U+IR可求得R=40Ω,實驗室與之相近的常見定值電阻有36Ω、39Ω、43Ω、47Ω等,學生容易選出43Ω或47Ω電阻.

任務評價:該任務結合圖線經過簡單計算即可完成.這是解決實際問題的重要環節.在研究過程中會有許多的實驗現象或圖表信息,如何利用這些信息來找到規律或解決問題是十分重要的能力,就像開普勒從無數的數據中歸納出開普勒三定律是一種偉大的能力一樣.通過這個任務,學生還發現“試觸法”具有一定的隨機性,不能貿然使用,串聯太小的電阻會燒毀二極管,串聯太大的電阻二極管可能不亮,無法分辨二極管的正負極,試觸不同的電源風險也很大.可見,隨著探究的不斷深入學生會進行反思和改進,進行更深入的學習和思考,這也是我們運用項目探究教學的目的之一.

任務4:計算接入電路的實際功率.

不同的場景下指示燈所需要的亮度不同,而其亮度與其工作電流相關,可以通過調節串聯電阻的阻值來改變其工作狀態.雖然每個指示燈的電流不大,但家里指示燈很多,并且許多指示燈總會長時間開著,會造成能源的浪費,所以計算發光二極管實際接入電路時消耗的功率具有實際意義.若用50Ω電阻與二極管串聯接入3 V電源,其實際消耗功率多大呢?學生在實驗室電池盒放入2節新的干電池,與發光二極管和50Ω定值電阻串聯,用電壓和電流傳感器測出二極管兩端電壓和電流即可求得其實際功率.也有學生利用二極管伏安特性曲線求解,設二極管兩端電壓為U,對應內部電流為I,與電阻串聯后接在電源上,則E=U+IR,代入數值可得3=U+50I,再將直線畫在二極管伏安特性圖上,如圖4虛線所示,兩圖線的交點即為二極管接入該電路的實際工作點,由圖可得該情況下二極管的工作電流約為18 mA,工作電壓約為2.2 V,功率約為39.6 mW,電路接入指示燈多消耗的功率約為54.0 mW,如果指示燈接在家里常用220 V電源上,則該指示燈電路(包括限流電阻)要消耗約220 V×20 mA=4.4 W(學生還沒有交流電知識基礎,未考慮整流,實際功率要小一些),家里有許多電源指示燈,總功耗還是相當可觀的,所以要及時關閉電源節約能源.

任務評價:該任務可以用實驗測量電壓和電流完成,也可以運用二極管伏安特性曲線結合實際工作電路作圖求出工作點.該工作點既要適合該電路的電壓電流特征,又要適合元件的伏安特性曲線,所以交點即為其工作點.該任務的處理方法也是處理非線性伏安特性曲線問題的重要方法.學生在以后的問題處理中還會經常使用.另外,對學生的環保節能教育也是實實在在體驗式的.

生成任務:探究多用電表不同倍率下的二極管亮度變化原因.

在判斷二極管正負極時,實際是測量其導通電阻,按照學生的最初設想,應該像電阻測量一樣有個最合適的倍率使指針在中間1/3范圍內,實際測量發現,二極管的測量值在不同倍率下阻值變化很大,亮度還隨所選倍率變小而變亮.學生主動提出要探究該問題.通過前面的探究學生知道,二極管的亮度與電流相關,實驗中小倍率測量時變亮說明通過二極管的電流變大了,由多用電表原理學生知道倍率越小時,多用電表的內阻越小.由任務4的分析可知,二極管的電流越大二極管將會更亮.這和圖2中“×1”倍率測量時比“×100”測量時更亮是吻合的,但根據原人教版教材中提供的歐姆表原理圖(如圖6的3、4兩擋位),各倍率使用同一個電流表,更亮的“×1”倍率電流大,偏角應該更大,細心的學生從實驗對比中卻發現,更亮的“×1”倍率指針偏角較小(如圖2中指針所示),與教材原理圖矛盾.可能的解釋是在倍率變化時,電表的量程也跟著變化,經過研究歐姆表的實際電路圖(如圖7所示)和拆解實物發現,一般歐姆表在變換倍率時會在改變串聯內阻的同時通過改變與表頭串、并聯的電阻來改變電流表的量程.圖7所示電路的歐姆調零電阻與表頭是間接并聯關系,“×100 K”的倍率接入電路的電源也變成了15 V,所以實際電路比原理圖復雜很多.為了更好說明原理,教材采取了簡化方式.這樣更能突出原理,也更利于教學應用.通過該探究任務,學生解決了實驗過程中的疑惑,同時對多用電表的原理和結構有了更進一步的認識.

圖6 教材提供的原理圖

圖7 MF-10型多用電表原理圖

任務評價:該任務是學生在項目實驗過程中生成的探究任務.該任務源于實驗現象與學生電阻測量原有認知的沖突,激發了學生探究的欲望.學生不但發現不同倍率下測量的明顯“異常”,還發現了亮度和電流指針偏轉角度的“異常”,進而主動研究原教學過程中教材上的電路圖來解釋實驗現象,發現矛盾提出猜想后還主動尋找相關多用電表電路圖資料進行佐證.項目式學習過程中學生自己發現的問題更容易點燃學生探究熱情.項目式學習過程中基于實際生活的情境中有許多“出乎意料”的問題,容易激發學生真正的實驗探究進行協同與深度學習.

4 項目評價與反思

項目式實驗探究教學的項目來源于生活情境,基于問題驅動,在做中學,在實驗中進行探究,學習的成果可以是一件作品,可以是問題的解決,更重要的是探究學習的投入和深度學習的狀態以及飽滿的學習熱情.這就需要我們教師在項目的選擇上要“離生活近一些”,要“學有所用”,要在能力“最近發展區”,例如力學部分的球類拋體運動的實驗探究、圓周運動的實驗探究、最速降線問題,電學的電磁鐵、電動機、發電機等制作都是很好的探究項目.在項目實施過程中教師要積極關注學生需求,及時搭建資源型支架,例如準備多種類的實驗器材,提供信息搜索渠道等.還要設計好驅動性問題,提供思維性支架,捕捉學生的想法和思維難點,在學生困難的時候提供必要的引導.在項目展示評價時要不拘一格,加強正面引導,在確保安全的前提下允許“試錯”,對有些“超綱”內容適當“容忍”,有些項目所用知識和能力并不限于考綱或課程標準要求,甚至有一些跨學科內容,重要的是要利于激發學生深度學習的發生,提升學生學科核心素養.