淺析初中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)習(xí)題編寫存在的問題

符東生

(廣州市教育研究院 廣東 廣州 510000)

初中一些實(shí)驗(yàn)習(xí)題出現(xiàn)杜撰實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況.題目情境不真實(shí)，題目有科學(xué)性錯(cuò)誤.本文以電學(xué)的部分題目為案例，展示這類習(xí)題杜撰的數(shù)據(jù)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異，分析初中物理教學(xué)由于杜撰數(shù)據(jù)引起的教與學(xué)的問題，提出選編習(xí)題的注意事項(xiàng).

1 編寫的習(xí)題數(shù)據(jù)應(yīng)真實(shí) 遵從可簡化的原則

白熾燈在不同電壓下工作，燈絲電阻值會(huì)發(fā)生較大的變化.如案例1的習(xí)題在初中比較常見.

案例1：標(biāo)有“220 V，60 W”的白熾燈若在110 V電壓下工作，流過燈絲的電流是多少？

本題有一個(gè)隱藏的條件：“燈泡在不同電壓下工作，其電阻阻值不變”.而真實(shí)的情況又是如何？筆者利用變壓器改變白熾燈兩端的電壓，利用圖1所示的電力節(jié)能測試儀測出的相關(guān)數(shù)據(jù)及白熾燈在不同電壓下工作的電阻值如表1所示.

圖1 電力節(jié)能測試儀

表1 白熾燈在不同電壓下工作時(shí)電壓 電流 電阻值

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知白熾燈兩端電壓分別為220 V及110 V時(shí)的電阻值相差很大，是不可能認(rèn)為近似相等的.

另外表2和表3分別是用數(shù)顯直流電流表、電壓表測出兩種規(guī)格的小燈泡工作時(shí)的電壓、電流及對應(yīng)的電阻，會(huì)發(fā)現(xiàn)小燈泡在不同電壓下工作，燈絲電阻值也不可能認(rèn)為近似不變.

表2 額定電壓為2.5 V的小燈泡

表3 額定電壓為3.8 V的小燈泡

筆者在觀課時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把表1中的電壓、電流的數(shù)據(jù)展示給學(xué)生，問學(xué)生燈泡在不同電壓下工作，燈絲電阻是否保持不變，學(xué)生都能很快回答說燈兩端電壓不同，則燈絲的電阻不同.追問學(xué)生判斷依據(jù)，很多學(xué)生(包括基礎(chǔ)比較薄弱的學(xué)生)都能說出他們快速判斷的依據(jù)：燈泡兩端電壓變?yōu)樵瓉淼?倍時(shí)，流經(jīng)燈的電流沒有對應(yīng)變?yōu)?倍.

而教材“測小燈泡在不同電壓下工作時(shí)的電阻”實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)?zāi)康木褪亲寣W(xué)生觀察到燈泡在不同電壓下工作，燈絲電阻不是一個(gè)恒定值.實(shí)驗(yàn)結(jié)束學(xué)生能得到：“加在燈泡兩端電壓不同，燈泡的電阻也不同” 的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.但習(xí)題情境不尊重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，默認(rèn)燈泡在不同電壓下工作時(shí)，電阻是一定值，學(xué)生思維就會(huì)很混亂，不知道燈泡在不同的電壓下工作，燈絲的電阻到底是變還是不變，而有的教師干脆就告知學(xué)生：“做實(shí)驗(yàn)時(shí)燈泡電阻是變的，而到了做習(xí)題燈泡電阻就是不變的.”

物理本是了解“是什么，為什么”的學(xué)科，但上述的習(xí)題卻扭曲了物理學(xué)科的教學(xué)本意.《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》(下文簡稱“課標(biāo)”)在“情感·態(tài)度·價(jià)值觀”提出“養(yǎng)成實(shí)事求是、尊重自然規(guī)律的科學(xué)態(tài)度，不迷信權(quán)威，勇于創(chuàng)新，有判斷大眾傳媒信息是否符合科學(xué)規(guī)律的初步意識(shí)”.所以這類與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符的習(xí)題，是無法提升學(xué)生的審辯思維能力，也無法培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).筆者從廣州市中考相關(guān)題目(案例2)的數(shù)據(jù)就發(fā)現(xiàn)上述習(xí)題所帶來的不良后果.

案例2：(2018年廣州中考題)測得某白熾燈在不同電壓下的電功率如表4所示.

表4 白熾燈在不同電壓下工作電壓、電功率

(1)燈兩端電壓為220 V時(shí)，燈的電阻為多少？

(2)燈兩端電壓為110 V時(shí)，通過燈的電流為多少？通電100 s燈消耗的電能是多少？

筆者發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生解決第(2)小問燈消耗多少電能時(shí)，就是利用第(1)問求得的電阻，再利用Q=I2Rt求解燈消耗的電能，完全沒有根據(jù)題目所給的信息判斷白熾燈兩端的電壓改變時(shí)，其電阻也會(huì)發(fā)生變化.推測學(xué)生平時(shí)做的大量習(xí)題中燈泡電阻都是恒定值，遇到真實(shí)的情況學(xué)生已不會(huì)從題目中提取信息，只是按自己腦里訓(xùn)練多次的套路來解題.

有的教師認(rèn)為“理想化”是物理研究問題的一種基本思路，解題時(shí)燈泡電阻不變是一種簡化的手段，只是為了解決主要問題，為什么案例1和案例2不能認(rèn)為電阻不變？

理論物理學(xué)家麗莎·蘭道爾(Lisa Randall)在《叩響天堂之門》一書中談到：“在合適的情況下，忽略細(xì)枝末節(jié)、集中處理那些我們關(guān)心的主題是合理的，這讓我們得以不被那些非本質(zhì)的束手縛腳而寸步難行.……如果某些事物對于你的研究所涉及的尺度而言太過微小，那你就不需要了解它更精細(xì)的結(jié)構(gòu).這種方法并非科學(xué)上的自欺欺人，而是排除冗雜信息的一種方法，是一種獲得正確答案、了解你工作系統(tǒng)中有什么的‘有效’方式.”

根據(jù)上述可簡化原則，我們就要清楚在研究問題時(shí)，哪些是可以忽略的細(xì)枝末節(jié)，書中給出的解釋是：“把那些不產(chǎn)生任何可測量效應(yīng)的未知因素有效地忽略掉了.”而白熾燈的電阻會(huì)隨著燈泡兩端的電壓改變而改變，且變化值很明顯，不是“不產(chǎn)生可測量的效應(yīng)”，所以不能忽略.而且教材也有測小燈泡電阻及定值電阻的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的目的就是要知道小燈泡的電阻是會(huì)隨著燈兩端的電壓改變而改變.我們編寫的習(xí)題若不尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)，遵從可簡化的原則，題目就會(huì)有科學(xué)性錯(cuò)誤，并會(huì)引起學(xué)生思維混亂.

若想考查電阻不變的相關(guān)問題，可以選取定值電阻編寫習(xí)題，而不應(yīng)編寫一些把燈泡理想化為電阻不變的習(xí)題.

2 編寫的習(xí)題應(yīng)回避初中學(xué)生無法解決的問題

2.1 一些錯(cuò)誤的簡化會(huì)導(dǎo)致學(xué)生進(jìn)入高中學(xué)習(xí)時(shí)有錯(cuò)誤的前概念

很多物理問題初中生無法用已學(xué)的知識(shí)解決，但不代表編寫的習(xí)題數(shù)據(jù)可以與實(shí)驗(yàn)不符.如初中學(xué)生不知道干電池有內(nèi)阻，也沒有全電路歐姆定律相關(guān)知識(shí).而習(xí)題所用的電源又常是干電池，部分教師認(rèn)為初中學(xué)生能力有限，題目不需要嚴(yán)謹(jǐn)，所以編選的題目默認(rèn)外電路電阻發(fā)生變化時(shí)，電池兩端的電壓不變(如案例3).

案例3：定值電阻R1和R2與干電池組成如圖2所示電路，此時(shí)開關(guān)S斷開，若開關(guān)S閉合，問：

圖2 案例3電路圖

(1)電壓表、電流表的示數(shù)會(huì)如何變化？

(2)定值電阻R1兩端的電壓及流經(jīng)R1的電流如何變化？

圖3 開關(guān)斷開電壓表、電流表示數(shù)

圖4 開關(guān)閉合電壓表、電流表示數(shù)

但初中大量習(xí)題都認(rèn)為無論外電路電阻如何變化，干電池兩端的電壓都不變.這類習(xí)題多了，會(huì)給學(xué)生高中學(xué)習(xí)帶來負(fù)面影響.部分教師認(rèn)為：初中學(xué)生能力不夠，題目不需要這么嚴(yán)謹(jǐn).學(xué)生能力不夠，可以采取回避的方法，而不是編寫錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)誤導(dǎo)學(xué)生.

2.2 習(xí)題的錯(cuò)誤簡化會(huì)給學(xué)生完成必做實(shí)驗(yàn)帶來阻礙

“路端電壓可能會(huì)隨外電路電阻改變而改變”的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，初中實(shí)驗(yàn)是無法回避的.如在完成 “導(dǎo)體兩端電壓不變時(shí)，流過導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體電阻關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，若學(xué)生不清楚路端電壓可能會(huì)隨外電路電阻改變而改變，就不會(huì)明白實(shí)驗(yàn)為什么需要滑動(dòng)變阻器.筆者觀課時(shí)發(fā)現(xiàn)，此實(shí)驗(yàn)常與“導(dǎo)體電阻不變時(shí)，探究流過導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體兩端電壓關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)合在一起做，做完探究電流與電壓關(guān)系實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師沒有給學(xué)生思考和設(shè)計(jì)電路的機(jī)會(huì)，直接讓學(xué)生不要拆電路，把電阻換成不同的阻值進(jìn)行實(shí)驗(yàn).很多學(xué)生根本就不清楚電路中滑動(dòng)變阻器的作用，也就不清楚實(shí)驗(yàn)過程換了電阻為什么要有調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器這一操作步驟.

案例4：教學(xué)中給出探究課題“導(dǎo)體兩端電壓不變時(shí)，探究流過導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體電阻關(guān)系”,讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn).筆者在觀課時(shí)發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生設(shè)計(jì)的電路圖如圖5所示，也就是直接把不同的電阻接在干電池兩端，因?yàn)楹芏嗔?xí)題都默認(rèn)干電池兩端電壓不變，學(xué)生自然認(rèn)為用同一個(gè)干電池就能做到電阻兩端的電壓不變，因此此實(shí)驗(yàn)只要換不同阻值的電阻，測出電流就可完成實(shí)驗(yàn).

圖5 案例4電路圖

2.3 初中教學(xué)有時(shí)可讓學(xué)生“知其然而不知其所以然”

初中教學(xué)有些內(nèi)容可能無法用學(xué)生已有的知識(shí)解釋，但我們可以通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，對于現(xiàn)象的解釋可留到高中解決.如學(xué)生設(shè)計(jì)的電路圖如圖5時(shí)，可在電阻R兩端并一個(gè)電壓表，如圖6所示，讓學(xué)生觀察當(dāng)外電路電阻變換時(shí)，電阻兩端的電壓是否發(fā)生變化.

圖6 案例4改進(jìn)后的電路圖

圖7是某次實(shí)驗(yàn)同一電源、換了不同阻值的電阻時(shí)，電壓表的示數(shù).多了一步實(shí)驗(yàn)引導(dǎo).通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象讓學(xué)生了解路端電壓可能會(huì)隨外電路電阻變化而變化，學(xué)生也就明白此實(shí)驗(yàn)滑動(dòng)變阻器的作用.編寫的習(xí)題只要尊重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并不需要學(xué)生死記硬背電源兩端的電壓到底是變還是不變，源自實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)能減少學(xué)生的困惑及認(rèn)知負(fù)擔(dān).

圖7 圖6所示電路，改變R阻值，電壓表各次示數(shù)

而一些習(xí)題需要電源兩端的電壓恒定不變，習(xí)題告知學(xué)生電源是恒壓源就行，不要把干電池理想化為恒壓源.

3 編選習(xí)題要查證相關(guān)的物理知識(shí) 避免出現(xiàn)科學(xué)性錯(cuò)誤

初中常見的一類習(xí)題：根據(jù)LED燈銘牌上所給的電壓與功率計(jì)算流經(jīng)燈泡的電流.這類習(xí)題都忽視了很多用電器是含有電容、電感的.設(shè)用電器工作時(shí)其兩端的電壓為U與流經(jīng)其電流為I，根據(jù)UI計(jì)算得到的是“視在功率”，非純電阻用電器“有功功率”是不等于“視在功率”的，很多家庭電器銘牌上標(biāo)的是“有功功率”.家庭電能表計(jì)量的是有功功率乘時(shí)間得到的電能值.

圖8和圖9是利用電力節(jié)能測試儀分別測量白熾燈及LED燈的一些相關(guān)數(shù)據(jù)(圖8是白熾燈，圖9是LED燈).根據(jù)圖8測得的數(shù)據(jù)P=UI=0.173 A×223.5 V=38.7 W，計(jì)算得到的功率等于儀器顯示的功率值(38.70 W)，儀器顯示的功率因數(shù)也為1(圖8)，但測量LED燈時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)P=UI=0.037 A×230.7 V=8.5 W,并不等于測試儀顯示的功率值(5.116 W)，銘牌上標(biāo)示的功率與電力節(jié)能測試儀顯示的功率接近.因此只有純電阻用電器，根據(jù)P=UI計(jì)算得到的值才與有功功率一致.只有純電阻根據(jù)UIt計(jì)算得到的電能值與家庭電能表計(jì)量用電器消耗的電能值一致.所以在編寫根據(jù)用電器銘牌上的功率及電壓求電流的習(xí)題最好用純電阻用電器.

圖8 白熾燈銘牌標(biāo)示電功率為40 W

圖9 LED燈銘牌標(biāo)示電功率為5 W

只有尊重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，了解用電器的工作原理,才會(huì)避免選編那種沒做實(shí)驗(yàn)、紙筆杜撰數(shù)據(jù)的習(xí)題，才能真正讓學(xué)生理解物理概念，減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān).