基于問題驅(qū)動的實驗探討
——以“單電表法測量小燈泡額定功率實驗”為例①

(江蘇省太倉市實驗中學，江蘇 太倉 215400)

“測量小燈泡電功率實驗”是初中物理中占據(jù)重要地位的電學實驗，涉及的知識面廣，在此實驗基礎上進行拓展延伸的空間很大，尤以“單電表法測量小燈泡額定功率實驗”最為典型，實驗拓展的視角、方案、形式頗為多元，實驗操作的難易梯度調(diào)控范圍也比較大，因此成為許多地方中考壓軸題的重要選題方向，同時也令不少考生頗感頭疼。教學實踐表明，基于問題驅(qū)動的教學方法是研究此類問題行之有效的一種重要方法。

1 基于問題驅(qū)動教學的基本思路

問題是思維的源泉，更是思維的動力?；趩栴}驅(qū)動的教學就是以一系列問題為學習任務的載體，在教學目標引領下，分步解決，逐層推進，螺旋上升，最終完成學習任務、達成教學目標的教學過程。這一系列問題是學生學習進程中的腳手架，是實現(xiàn)教學目標的階梯，問題與問題之間具有邏輯性和遞進性，同時能夠有效激發(fā)學生的學習動機，“能展現(xiàn)和揭示學習過程與思想方法，使問題的解決過程具有普遍的知識性和方法論的意義。”[1]

如圖1所示，基于問題驅(qū)動的實驗探究活動可以大致分成3個階段:(1) 提出問題階段。在一定的情境中師生發(fā)現(xiàn)并提出問題，形成學習任務。(2) 設計方案階段。通過對問題的表征，了解實驗原理，規(guī)劃實驗步驟，分解學習任務，形成一個又一個有待解決的細化問題，它們依次遞進，逐步激發(fā)。(3) 解決問題階段。包括實驗操作、搜集數(shù)據(jù)信息、分析論證、形成結(jié)論等。整個過程把落實知識點和培養(yǎng)學習能力緊密結(jié)合起來，以師生合作、交流互動為基本形式，以培育學生的物理學科核心素養(yǎng)為發(fā)展目標。

圖1

2 “單電表法測量小燈泡額定功率實驗”的基本類型

圖2

蘇科版物理九年級下冊安排了“測量小燈泡電功率”的實驗，實驗電路如圖2所示，目的是測量小燈泡的額定功率和實際功率。常規(guī)方法是伏安法，實驗原理是P=UI。如果實驗過程中有一個電表因故不能使用，要求用剩下的另一個電表，再加上其他必要的器材繼續(xù)完成該實驗，就稱為“單電表法測量小燈泡額定功率實驗”。主要有兩大類型：一類是只用一個電壓表，加其他器材；另一類是只用一個電流表，加其他器材。另外需要已知小燈泡的額定電壓或額定電流。這里的“其他器材”，可選的組合很多，由此衍生出的變化很是復雜，實驗要求各不相同，難度較高，實驗基本要求如表1所示。

表1

3 “單電表法測量小燈泡額定功率實驗”實踐探索

3.1 只用一個電壓表

(1) 提出問題

在“伏安法測量小燈泡額定功率”實驗中，電流表損壞不能用了，補充一個滑動變阻器和兩只單刀開關，如何利用現(xiàn)有器材繼續(xù)完成上述實驗？已知小燈泡額定電壓為2.5V，所用滑動變阻器的最大阻值為R0。

(2) 設計方案

沒有電流表就無法直接測量通過小燈泡的電流大小，提供的實驗器材中測量工具只有電壓表，表明該實驗需要通過測量電壓、借助滑動變阻器最大阻值R0來完成。教師引導學生分步思維，逐一解答，漸次深入。

問題1：如何判斷小燈泡是否正常發(fā)光？

已知小燈泡額定電壓為2.5V，應該把電壓表并聯(lián)在小燈泡兩端，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使小燈泡兩端電壓為2.5V，此時電燈正常發(fā)光。

問題2：實驗依據(jù)的原理是什么？

問題3：如何求得小燈泡正常發(fā)光時的電阻?

可以用等效替代法，將小燈泡與一個滑動變阻器先后接入同一電路中，電源電壓不變,如果它們分壓相同，表明它們的阻值也相同。由此可以設計如圖3所示的電路，小燈泡與一個滑動變阻器并聯(lián)，分別由各自開關控制，先后接入電路，再與另一個滑動變阻器串聯(lián)。這樣可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器，使小燈泡達到正常工作狀態(tài)，電壓表用以監(jiān)測電壓。

圖3

(3) 解決問題

問題4：需要進行哪些實驗操作與測量？

實驗步驟為：① 按圖3電路圖連接實驗電路；

② 只閉合開關S、S1，調(diào)節(jié)R2使電壓表的示數(shù)為2.5V；

③ 只閉合開關S、S2，調(diào)節(jié)R1使電壓表的示數(shù)仍為2.5V；

④ 將R2的滑片P調(diào)至最左端，記下電壓表的示數(shù)為U1；再將R2的滑片P調(diào)至最右端，記下電壓表的示數(shù)為U2。

問題5：如何進行數(shù)據(jù)分析,得到小燈泡額定功率的表達式？

3.2 只用一個電流表

(1) 提出問題

在“測定小燈泡額定功率”的實驗中，電源電壓為U0，保持不變，小燈泡的額定電壓為U額。在實驗過程中，電壓表突然損壞了，現(xiàn)增加一個阻值為R的定值電阻，借助原有的實驗器材，如何繼續(xù)進行測量？要求電路只連接一次，請設計實驗方案，簡述實驗步驟，用已知量和測量量表示小燈泡的額定功率。

(2) 設計方案

電壓表損壞不能使用了，電流表可以正常測量，現(xiàn)只增加一個定值電阻，電源電壓已知，要測量小燈泡的額定功率，現(xiàn)有條件與學習目標之間跨度很大，需要教師搭建學習的腳手架，將學習任務分解成一個個驅(qū)動性問題，引導學生一步步從實驗原理出發(fā)，走向問題的解決。

問題1：該實驗的原理是什么？

已知小燈泡的額定電壓U額，并且有電流表，依據(jù)實驗原理P=UI,需要測量小燈泡的額定電流，首先要使小燈泡達到正常工作狀態(tài)。

問題2：如何判斷小燈泡是否正常發(fā)光？

當小燈泡兩端電壓等于U額時，小燈泡正常發(fā)光。

問題3：沒有電壓表如何知道小燈泡兩端電壓達到了U額？

問題4：如何測量小燈泡正常工作時的電流大??？

電流表的位置不改變，電燈與定值電阻并聯(lián)，根據(jù)并聯(lián)電路中電流的特點，通過小燈泡的電流I額=I總-IR，問題轉(zhuǎn)化為測量干路中的電流。

問題5:如何測量干路中的電流？

問題6：如何求得滑動變阻器接入電路的阻值？

實驗電路如圖4所示，通過開關改變電路，斷開開關，定值電阻與滑動變阻器串聯(lián)，測量此時電路中電流的大小，可以運用歐姆定律結(jié)合串聯(lián)電路特點進行解析。

圖4

(3) 問題解決

問題7：需要進行哪些實驗操作與測量？

① 按圖4電路圖連接實驗電路；

③ 斷開開關S，保持滑片位置不變，記下電流表示數(shù)為I。

問題8：如何進行數(shù)據(jù)分析得到小燈泡額定功率的表達式？

實施基于問題驅(qū)動的實驗探究教學，首先，面對問題要確定其是否具有良好驅(qū)動性，分析問題所處的層次水平是否略高于學生的現(xiàn)有發(fā)展水平，若過于簡單，答案一目了然，就失去探究的意義；相反，若問題解決的目的、過程與學生學情及教學內(nèi)容的目標差距太大，也不適合作為物理學習的驅(qū)動性問題。其次，合適的驅(qū)動性問題往往是問題起始狀態(tài)與目標狀態(tài)存在一定的、適當?shù)目缍扰c差距，需要將問題拆解成一個個子問題，組成思維進程的引導、指向與臺階，針對這些具有邏輯遞進關系的子問題，可以在教師的引導啟發(fā)下學生在自主探究過程中發(fā)現(xiàn)提出，體現(xiàn)了教學生成性。最后，基于問題驅(qū)動的實驗探究教學，取得實效的關鍵在于要符合學生的認知發(fā)展規(guī)律，教學中教師要細致分析教學內(nèi)容、學生的認知結(jié)構(gòu)和能力水平，把握好教學內(nèi)容各構(gòu)成要素與學生已有認識之間的關系，提出具有良好啟發(fā)性、驅(qū)動性的問題，才能實現(xiàn)促進學生更高效地學習物理。