巧設物理實驗 突破教學難點
——初中物理“電流和電路”教學片斷案例研究

韋 超

(重慶市永川區(qū)教育科學研究所，重慶 402160)

1 教學設計

教學流程如下.

師:在前面的實驗中,我們用鹽水電池點亮了20盞LED燈,如果直接把電池的兩極連接起來,會發(fā)生什么現(xiàn)象呢?

生1: 燈泡不亮．(生2:燈泡燒壞;生3:導線燃燒起來．)

演示實驗1.斷開開關,用導線將鹽水電池的兩極連接起來,再閉合開關,你們觀察到什么實驗現(xiàn)象?(圖1是用碳片和鋅片自制的鹽水電池盒,在盒中加入鹽水就可以點亮LED燈)．

圖1 自制的鹽水電池盒

生1:燈泡不發(fā)光．(生2:導線沒有燃燒起來.)

師:燈泡燒斷沒有?怎樣檢驗?

生:斷開連接電源兩極的導線,觀察燈泡是否發(fā)光．

師:(斷開開關,斷開連接電源兩極的導線,再閉合開關,觀察燈泡的發(fā)光情況)燈泡燒壞了嗎?

生:燈泡發(fā)光了,說明沒有燒壞．

師:剛才我用導線直接將電源兩極連接起來,電路中就會有很大的電流,這種情況叫短路,短路會不會有什么危害?

生:沒有危害．

演示實驗2.我們再來看一個實驗,將口香糖的錫紙直接接在干電池的兩極,請觀察會發(fā)生什么現(xiàn)象?

生1:錫紙冒煙了.(生2:錫紙快燒起來了．)

師:錫紙冒煙了,說明溫度很高,這是因為干電池被短路后,電路中的電流很大所導致的．如果在家庭電路中發(fā)生短路則會引發(fā)火災,所以在連接電路時不允許發(fā)生短路．

生:家庭電路中發(fā)生短路空氣開關要跳閘．

師:是的,空氣開關對家庭電路有保護作用．我們來看看短路的另一種情況．

演示實驗3.(用磁吸式電路演示器材連接兩個燈泡的串聯(lián)電路)我們用導線將其中一個燈泡兩端連接起來,觀察燈泡的發(fā)光情況．

生1:一個燈泡不發(fā)光,另一個燈泡發(fā)光．(生2:另一個燈泡更亮了.)

師:像剛才這樣,用導線將一個用電器兩端直接連接起來,叫做用電器短接．在剛才的實驗中一個燈泡被短接,為什么另一個燈泡還要發(fā)光?

生:說明還有電流通過燈泡．

師:電流從哪兒通過的?

生:連接用電器兩端的那根導線．

師:實驗表明,小燈泡因被短接而熄滅,電流經(jīng)外加導線繞過了小燈泡,所以另一個小燈泡仍然發(fā)光．

評析： 在本教學片斷中,教師設計了3個實驗來突破教學難點．第1個實驗教師用自制的電源演示了短路,學生只看到了燈泡不發(fā)光,并沒有感知到因電流大而產(chǎn)生的具體情景,所以印象不深刻;第2個實驗教師將干電池用錫紙短路,可以看到錫紙明顯冒煙,是因為發(fā)熱而冒煙,說明短路時電流很大可能導致火災的發(fā)生,第1個實驗為第2個實驗作了鋪墊和對比的作用;第3個實驗是用磁吸式電路演示器材演示了用電器短接時的情形．總體來講設計的實驗效果好,能給學生建立具體形象的思維過程,并且在教學過程中蘊含了促進思維發(fā)展的推理過程,從鹽水電池短路似乎沒有什么危害,到干電池短路可能起火,可以推知家庭電路發(fā)生短路的危害,在邏輯上有水到渠成的感覺．

存在的問題: (1) 用鹽水電池做電源有畫蛇添足之嫌,本片斷教學的主題是電路,用非常規(guī)的電源可能會干擾學生對電路的認知; (2) 鹽水電池的輸出功率太小,將鹽水電池短路之后,再次接通時小燈泡可能不亮,就會給學生造成燈泡壞了的錯覺,有較大的失敗風險; (3) 將干電池用錫紙短路,可以看到錫紙明顯冒煙,但沒有明顯的火焰,實驗效果不算明顯,教室后部分的學生無法看清楚．并且筆者試做了多次,有時能出現(xiàn)火焰,有時是冒煙,有時無明顯現(xiàn)象,實驗失敗的風險較大; (4) 情境創(chuàng)設不夠生動,3個實驗間的聯(lián)系比較生硬,缺乏內(nèi)在聯(lián)系和過渡,特別是第3個實驗,有為短路而短路之嫌．

2 教學設計的改進

教學流程如下.

師:當電路接通后,是不是所有的用電器都一定要工作?

生:是的.

師:請大家注意觀察,我把剛才電路中的電源兩極用導線直接連通,閉合開關,燈泡還能發(fā)光嗎?(在演示電路中,把電源兩極連接起來,嘗試著短時間閉合開關.)

師:燈泡是否發(fā)光?

生:沒有發(fā)光.

師:燈泡沒有發(fā)光,是否意味著電路中沒有電流呢?

生1:沒有電流．(生2:有電流； 生3:不確定.)

師:為了實驗效果更明顯一些,我換用一根剝?nèi)チ私^緣皮且有一半繞了棉花的細銅線將電源兩極連接起,請大家觀察閉合開關時發(fā)生的現(xiàn)象(圖2是自制的短路導線)．

演示實驗1.電源短路(實驗現(xiàn)象:先是細銅線發(fā)熱紅熾約3s,然后棉花猛烈燃燒起來)．

生:哇!

自制的短路導線

導線處于紅熾狀態(tài)導線上的棉花猛烈燃燒

師:剛才用導線把電源正負極直接連通了,這種情況叫做電源短路,發(fā)生電源短路后用電器不工作,電路中有很大的電流．如果家庭電路中發(fā)生電源短路會給人們帶來災難．我們來觀看一起因電源短路引發(fā)的火災．

播放視頻:(央視新聞)家庭電路短路引發(fā)的火災.

師:通過剛才的實驗,我們知道了電路不允許發(fā)生短路．請你說說,在實驗中為了避免短路發(fā)生,我們在連接電路中應該注意什么問題?

生1:連接電路時要斷開開關．(生2:連接電路時要認真檢查．)

師:剛才我們看到的是電源短路,實驗中的電路還有另一種狀態(tài)．如果有兩個小燈泡象這樣(兩燈串聯(lián))連接在電路中,其中一個燈泡的兩端用一根導線連接起來,另一個燈泡還發(fā)光嗎?

生1:要發(fā)光．(生2:不發(fā)光.)

師:演示實驗2(將導線直接接在一個小燈的兩端),觀察到什么現(xiàn)象?

生:其中一個燈泡不發(fā)光,另一個燈泡更亮了．

師:象這種情況叫做用電器短接,用電器被短接后,電流經(jīng)外接導線流過,用電器不工作．

師:我們學習了電路的3種狀態(tài),接下來就來判斷一下．這里有一個神奇的電源,它是用食鹽水和金屬片組成．倒入鹽水,觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況．

師:請觀察電路,你能判斷發(fā)光二極管不發(fā)光的原因是什么嗎?

生1:其中一個小燈是斷路．(生2:有一個小燈是短路； 生3:發(fā)光的小燈是通路．)

師:我們排除故障后你們再觀察,試試你們的判斷是否正確?請同學們注意觀察小燈的亮度相同嗎?

師:演示實驗3(排除故障,3個燈發(fā)光,亮度不同,引導學生關注電路的連接方式．)

生:3個燈都發(fā)光,其中有兩燈發(fā)光較暗．

師:在有多個小燈的情況下,小燈的連接方式可能是不一樣的,發(fā)光情況也可能是不一樣的,是什么原因造成的呢?我們在后面的學習中將會得到解答.

評析： 在本教學片斷中,對前面的實驗設計進行了大膽的修改,3個實驗間的內(nèi)在聯(lián)系更緊密了,實驗效果也更好了,非常有震撼力,在邏輯思維上更有連續(xù)性和因果關系．首先是提出問題:當電路接通后,是不是所有的用電器都一定要工作?然后用嘗試短路的方法激發(fā)認知沖突,引起探究欲望．接著用自制的細銅線短接入電路中,學生觀察到細銅線約有3s的時間處于紅熾狀態(tài),從而引燃棉花．短短的3s是寶貴的,是精心設計實驗得出來的,讓學生用具體形象的方法看清了導體有電流而發(fā)熱這一本質特性,隱含了電流的熱效應這一關鍵知識點,也為后續(xù)學習埋下伏筆．第三,在學習家庭電路短路時,引入了微視頻元素,讓學生清楚明白了家庭電路發(fā)生短路的危害．第四,在學習短路的知識后加入了實踐訓練,從實際電路中判斷哪些是斷路、通路和短路,學以致用,當堂實踐．

存在的問題: (1) 鹽水電池的出現(xiàn)仍然對本節(jié)的難點知識有干擾,從教學流程來講影響了教學的流暢性,有節(jié)外生枝的感覺．(2) 在實踐訓練的環(huán)節(jié),出現(xiàn)了混聯(lián)電路來判斷電路的狀態(tài),對學生來講為時太早,在一個難點沒有突破之前又疊加一個新的難點會影響本內(nèi)容的學習,造成認知模糊．混聯(lián)電路的出現(xiàn)也超出了課程標準的要求,拔高了學習的難度．

3 教學設計的進一步改進

教學流程如下.

師:同學們想一想,是不是處處接通的電路,用電器都要工作呢?

生:不是．

師:為什么?

生:因為電路發(fā)生短路時也是處處接通的．

師:我們用實驗來試一試,在不確定的情況下,我們可以用試一試的辦法,就是用導線迅速地碰一碰接線柱．

演示實驗1.接通電路,觀察燈泡發(fā)光,用導線試觸燈泡兩端,觀察燈泡的發(fā)光情況．

生:沒有發(fā)光．

師:燈泡不發(fā)光,電路中有電流通過嗎?

生:有．

師:電流是看不見的,我們怎么才能知道電路中有沒有電流呢?

師:(邊實驗邊講解)為了讓實驗效果更明顯一些,筆者換上了一段剝了皮的細銅線,銅線的一部分繞上棉花,一部分裸露在外,把它接入電路中,閉合開關,請觀察……

師:燈泡發(fā)光了嗎?

生:發(fā)光了．

師:此時電路中有……

生:電流．

師:(斷開開關)用一根導線接在燈泡的兩端,現(xiàn)在請3個同學近距離的觀察,你們3個同學各有分工,其中一位同學觀察燈泡的發(fā)光情況,另一位同學觀察細銅線上的棉花,另一位同學觀察裸露的銅線,其余的同學注意觀察實驗現(xiàn)象．

演示實驗2.短路引發(fā)火災．(閉合開關)觀察實驗現(xiàn)象．

師:你們3個同學分別匯報一下看到了什么實驗現(xiàn)象?

生1:燈泡不發(fā)光．

生2:裸露的銅線變紅了．

生3:看到棉花燃燒起來．

師:此時,電流從哪兒通過的呢?

生:(用手在演示電路中比劃)從外接導線通過．

師:說得非常好,謝謝!這種情況叫做短路,也叫電源短路,相當于用導線將電池的兩端直接連接起來．(板書:短路、電源短路)所以我們在上課之初的實驗中要求不能用導線將電池的兩端連接起來,這樣會造成短路．

師:在家庭電路中,如果發(fā)生短路,就不會是這么簡單了,可能會帶來危及生命的災難!

觀看央視微視頻:25號在廣州建業(yè)大廈火災的直接原因,是電工違規(guī)作業(yè),導致電線短路引發(fā)火災．

師:看了視頻,你知道在實驗中連接電路時要注意什么?

生:不能用導線直接連接電池的兩端．

師:是不是所有的短路都會帶來很大的危害呢?請看老師連接一個電路,接入了兩個燈泡,閉合開關,燈泡發(fā)光了嗎?(在電路中串聯(lián)接入兩個燈泡)

生:兩個燈泡都發(fā)光了．

演示實驗3.(用電器短接)斷開開關,將一段導線短接在一個燈泡的兩端,再閉合開關,觀察燈泡的發(fā)光情況．

生:一個燈泡不發(fā)光,另一個燈泡發(fā)光更亮了．

師:電流從哪兒通過的?

生:從外接導線．

師:對,我們把這種情況叫做用電器短接(板書: 用電器短接)．

師:今天我們學習了電流和電路,老師運用今天的知識制作了一個模擬炸彈(如圖3,內(nèi)有一個充足氣的氣球),這是它的指示燈,指示燈發(fā)光表示電路已經(jīng)接通,隨時可能發(fā)生爆炸,外面有兩根導線,請你通過觀察拆除其中一根,如果拆除正確,指示燈熄滅,爆炸裝置拆除,如果拆除錯誤,炸彈立即啟爆!

模擬炸彈的外觀模擬炸彈的內(nèi)部結構

師:哪位勇敢的同學來試一試？你有5s的觀察時間.

師:這里有位勇敢的女同學,你來試試.同學們,倒計時開始!

生:5、4、3、2、1.

生:拆除其中一根導線,指示燈熄滅(掌聲鼓勵)．

師:她成功了，她正確地排除了啟爆裝置，她在5s內(nèi)看清楚了電路的連接.

師:有同學會懷疑,老師做的炸彈是不是不炸喲?我們來試試看.

師:(演示實驗:閉合剛才斷開的開關恢復電路,隨后斷開另一個開關)砰……

生:哇(尖叫)……

師:剛才只有一個同學看清了模擬炸彈的內(nèi)部電路,我們現(xiàn)在一起來看看模擬炸彈的內(nèi)部電路連接,是怎么回事兒呢?你能說說其中的原理嗎?(多媒體展示模擬炸彈的內(nèi)部電路)

生:電動機和小燈泡連在一起．

師:電動機處于什么狀態(tài)?

生:短接狀態(tài)．

師:如果拆除藍色導線,就是剛才那位勇敢的女同學拆除的藍色導線,會是什么結果?

生:電路形成斷路,指示燈熄滅,模擬炸彈拆除.

師:如果拆除的是短接導線呢?

生:電動機啟動,引爆炸彈(氣球爆炸)．

評析： 在本教學片斷中,保留了前一次設計中的優(yōu)秀實驗,對前兩次實驗設計進行了大膽的取舍和再創(chuàng)造,舍去了鹽水電池,整個實驗始終圍繞著黑板上的磁吸式電路演示器材進行,主題突出,有效突破學習難點．在實踐訓練的環(huán)節(jié)新增加一個排除模擬炸彈,學生非常感興趣,實驗效果有很強的視覺沖擊力,全體學生留下深刻的印象．同時,實驗過程中無形滲透了物理思想和方法,如試觸的方法、轉換的思想、對結果逆向檢驗等,這些思想和方法對學生能力的提高非常有用,就算不用于解決物理問題,而在生活中也是一種基本能力,無形中提高了學生的科學素養(yǎng)．

4 結束語

教師在怎樣突破“短路”的教學案例研究過程中,通過自制實驗教具,反復修改實驗設計, 多次進行研課磨課,對比同一內(nèi)容所采用的教學方法、實驗方法、學習效果,有效地突破了教學難點,用具體形象的方法讓學生感知到了什么是短路及短路帶來的危害．學習過程中對突破難點最有幫助的是兩個自制的教具,在演示短路實驗時,用12 V的蓄電池既安全又保證了實驗的效果明顯穩(wěn)定,通過對細銅絲規(guī)格的選取,延長了細銅絲處于紅熾狀態(tài)的時間長達3s,讓學生看清了短路的危害,短路引發(fā)火災的根本原因是電流

的熱效應．在課堂內(nèi)設計了實踐環(huán)節(jié)排除模擬炸彈,達到了學以致用、解決問題、提高能力的基本要求．在以后的教學中,我們還要多進行類似的案例研究,積累方法和經(jīng)驗,提高實驗設計的能力和自制教具的能力,為初中物理教學提供有效的保障．

1 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準[S].北京:北京師范大學出版社，2012.

2 彭前程.義務教育教科書九年級物理[M].北京:人民教育出版社，2013.

3 邢紅軍.中學物理實驗教學的調(diào)查研究[J].物理教師,1998(4):17-19.

4 祁映宏.中美物理教材學生實驗的比較研究[J].物理教師,2007(3):4-6.