以“水果電池”為例談“無用”知識的有用性

趙玉杰

摘? ?要：學(xué)生通過制作水果電池經(jīng)歷了科學(xué)探究的幾個重要環(huán)節(jié)，以此培養(yǎng)他們的科學(xué)思維與動手實(shí)踐能力?！八姵亍庇捎诓皇侵锌嫉目键c(diǎn)，因此在物理課堂中很少被關(guān)注。這看似“無用”的知識，不僅蘊(yùn)含了豐富的物理知識和化學(xué)知識，而且在初中階段和高中階段都有挖掘的價(jià)值。文章以一節(jié)“水果電池”的公開課為例，談?wù)剬Υ说乃伎肌?/p>

關(guān)鍵詞：水果電池;跨學(xué)科教學(xué);初高中銜接

本文中的“無用”知識，是指不是考試的考點(diǎn)，在教學(xué)中很少被關(guān)注的知識。就科學(xué)知識本身而言，那些中考熱點(diǎn)、重點(diǎn)自然成了課堂的主角。然而，這些“無用”知識就沒有教的價(jià)值嗎？筆者認(rèn)為，它們有的可以用來激發(fā)興趣，有的可以用來培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)，有的可以重在培養(yǎng)情感，還有的可以用來打通學(xué)科界限。下面以“水果電池”為例探討“無用”知識的有用性。

1? ? 設(shè)計(jì)思路

通過對比實(shí)驗(yàn)引出本節(jié)課的研究內(nèi)容，以實(shí)驗(yàn)小組為單位，自主開展水果電池的制作、判斷電源正負(fù)極、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論、分析圖像、發(fā)現(xiàn)并解決新問題等教學(xué)過程。流程圖如圖1所示。

2? ? 教學(xué)片段

2.1? ? 猜想：二極管不發(fā)光的原因可能是什么？

演示實(shí)驗(yàn)1：將水果電池與電子鐘表相連，電子鐘表指針轉(zhuǎn)動，如圖2所示。

演示實(shí)驗(yàn)2：將水果電池與一個二極管相連，二極管不發(fā)光。

通過觀察對比實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會產(chǎn)生疑問：為什么鐘表指針轉(zhuǎn)動，而二極管不發(fā)光？由于二極管具有單向?qū)щ娦裕瑢W(xué)生猜想原因可能是二極管的正負(fù)極接反了，另一個原因可能是水果電池提供給二極管的電壓過小，不足以讓二極管發(fā)光。進(jìn)而引入本節(jié)課的課題——通過實(shí)驗(yàn)判斷水果電池的正負(fù)極和探究影響水果電池電壓大小的因素。

2.2? ? 提問：如何判斷水果電池的正負(fù)極

實(shí)驗(yàn)桌上為學(xué)生提供了二極管、電流表、電壓表、靈敏電流表等實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)生借助學(xué)過的電學(xué)元件，判斷水果電池的正負(fù)極。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)1：兩人一組，用梨、銅片和鋅片制作一個水果電池。然后請三個小組合作，將三個水果電池串聯(lián)作為電源，用二極管判斷三個水果電池串聯(lián)后的正負(fù)極。

交流討論：如何判斷電源正負(fù)極？判斷的結(jié)果是什么？

學(xué)生1：二極管的正極接在水果電池上的銅片時(shí)發(fā)光，由此判斷銅片是水果電池的正極。

學(xué)生2：將電壓表的正極接在水果電池上的銅片時(shí)，指針向右偏轉(zhuǎn)，因此能判斷銅片是水果電池的正極。這位同學(xué)還提出一個疑問，將電流表最小的量程直接接在水果電池的兩端，電流表的指針為什么不發(fā)生偏轉(zhuǎn)？

思維拓展：在實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生普遍認(rèn)為電壓表和電流表可以判斷出水果電池的正負(fù)極，但通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)電流表的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。教師可以引導(dǎo)學(xué)生大膽地更換儀器，用靈敏電流表代替電流表，使學(xué)生認(rèn)識到優(yōu)化實(shí)驗(yàn)器材也是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。

2.3? ? 探究：影響水果電池電壓大小的因素

猜想：影響水果電池電壓大小的因素有哪些？

學(xué)生回答：電極的材料，電極間距，電極插入的深度，水果大小等。

舉例分析：探究水果電池電壓大小與電極間距的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)：教師引導(dǎo)學(xué)生在分析時(shí)關(guān)注幾個物理量。自變量是誰？（電極間距）如何測量？（用刻度尺）因變量是誰？（水果電池電壓大?。┤绾螠y量？（用電壓表測量）控制變量是誰？如何控制其不變？

學(xué)生實(shí)驗(yàn)2：2人組成一個小組，分組實(shí)驗(yàn)，每6人組成一大組探究同一個問題。

交流討論：實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題可組內(nèi)、組外共同商討，確定解決方案。在交流與討論中培養(yǎng)學(xué)生掌握新知識的能力，與他人合作的能力，交流不同想法的能力，歸納、總結(jié)及反思學(xué)習(xí)的能力。

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，電極之間的距離不同，水果電池電壓也不同。兩電極之間的距離越大，水果電池電壓越低;兩電極之間的距離越小，水果電池電壓越高。

2.4? ? 分析：利用圖像法分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

“圖像法”是一種整理、分析數(shù)據(jù)的有效方法，它可以直觀、簡潔地顯示出因變量隨自變量變化的趨勢或規(guī)律。我們以水果電池電壓大小與電極間距的關(guān)系為例，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制物理圖像，如圖3。

提問：觀察圖像，你有什么發(fā)現(xiàn)？

學(xué)生回答：隨著水果電池電極間距的增加，水果電池電壓降低。

提問：你還有什么新的發(fā)現(xiàn)？

學(xué)生回答：隨著水果電池電極間距的增加，水果電池電壓降低得越慢。

2.5? ? 提問：水果電池不能使小燈泡發(fā)光的原因

演示實(shí)驗(yàn)3：一節(jié)干電池的電壓為1.5 V，與小燈泡組成簡單電路，閉合開關(guān)可使其發(fā)光。用數(shù)字電壓表測量水果電池的電壓為2.74 V（圖4），用這個電壓足夠大的水果電池去點(diǎn)亮小燈泡，小燈泡不發(fā)光。

一節(jié)電壓為1.5 V的干電池可使小燈泡發(fā)光，這個電壓足夠大的水果電池卻不能使小燈泡發(fā)光，可能的原因是什么？

猜想1：通過小燈泡的電流過小。

猜想2：小燈泡兩端的電壓過小。

演示實(shí)驗(yàn)4：水果電池與小燈泡組成簡單電路，閉合開關(guān)，用電壓表測量小燈泡兩端的電壓，發(fā)現(xiàn)電壓表的指針幾乎不偏轉(zhuǎn)，用靈敏電流表測量通過小燈泡的電流，發(fā)現(xiàn)通過小燈泡的電流很小。

思維拓展：小燈泡的亮度由它的實(shí)際功率決定，雖然水果電池電壓足夠大，但實(shí)際上小燈泡兩端的電壓和通過小燈泡的電流很小，根據(jù)P=I2R可知，小燈泡的實(shí)際功率很小，所以小燈泡不發(fā)光。由此猜想，可能是水果電池的電阻太大，導(dǎo)致電路中的電流過小。

證實(shí)猜想：教師課前利用數(shù)字電壓表和電流傳感器測得相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過電腦作圖得出水果電池的內(nèi)阻約為1200 Ω。在此引入“內(nèi)阻”概念，使學(xué)生意識到水果電池有內(nèi)阻，且內(nèi)阻很大。

2.6? ? 拓展：水果電池的應(yīng)用

希伯來大學(xué)的研究人員一直在開發(fā)“土豆電池”，一個土豆產(chǎn)生的能量就足以讓一個房間的LED燈亮上40天。

但是，為什么土豆電池沒有成功應(yīng)用呢？聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織（FAO）的高級官員說道：“將食物用作能源，你必須考慮是否有足夠的存儲量以及是否會對銷售土豆的農(nóng)民產(chǎn)生影響。如果都沒有問題，那么這一想法就能實(shí)現(xiàn)?！盵1]

3? ? “無用”知識的有用性

“水果電池”并非中考的考點(diǎn)，卻處處體現(xiàn)了中考對提高學(xué)生核心素養(yǎng)的要求?！八姵亍辈粌H蘊(yùn)含了豐富的物理知識，同樣也涉及到大量的化學(xué)知識;不僅在初中階段有教的必要，在高中階段同樣也有挖掘的價(jià)值。

3.1? ? 與化學(xué)學(xué)科相互滲透

隨著教學(xué)改革的進(jìn)一步實(shí)施，學(xué)科之間的界限正逐漸模糊，我們深刻地體會到，任何一門學(xué)科都不是孤立存在的，而是與其他學(xué)科緊密聯(lián)系的。所以，物理新課程標(biāo)準(zhǔn)的課程目標(biāo)中要求“關(guān)注物理學(xué)與其他學(xué)科之間的聯(lián)系，知道一些與物理學(xué)相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域，能嘗試運(yùn)用有關(guān)的物理知識與技能解釋一些自然現(xiàn)象和生活中的問題”[2]。

學(xué)生在化學(xué)課上也會學(xué)習(xí)水果電池及其簡單的制作，但是對于“怎么證明水果電池是電池？”“水果電池為什么沒有在生活中廣泛應(yīng)用？”等問題是化學(xué)學(xué)科所不容易解決的。物理課就可以以此作為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)置任務(wù)，完成物理量測量后必然對以上問題有所解釋。

在平時(shí)的教學(xué)過程中，如果我們只關(guān)注考點(diǎn)知識，可能忽略對知識更本質(zhì)的理解。探究水果電池的奧秘時(shí)，學(xué)生從宏觀視角利用靈敏電流表、電壓表和發(fā)光二極管可以判斷水果電池的正負(fù)極，從微觀視角利用鋅銅金屬的活潑性同樣可以得到答案。制作水果電池時(shí)，盡量選用長度、寬度、厚度相同的同種金屬。把靈敏電流表直接接在水果電池兩端，其指針幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn);但當(dāng)其中一個金屬插入的深度逐漸變化時(shí)，其指針發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)。教師從宏觀和微觀兩個視角剖析上述實(shí)驗(yàn)，可使學(xué)生對水果電池的工作原理、電勢差產(chǎn)生的原因有了更為清晰的認(rèn)識。

水果電池對增進(jìn)學(xué)生的理解力，培養(yǎng)學(xué)生的理性思維大有裨益。它并非僅僅把兩門學(xué)科簡單地粘在一起，而是學(xué)科思想方法的整合和綜合，學(xué)生對水果電池的深入研究，可以實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)。

3.2? ? 與高中物理銜接

堅(jiān)持核心素養(yǎng)的物理教學(xué)銜接有利于學(xué)生知識結(jié)構(gòu)體系的建構(gòu)，有利于學(xué)生物理思維能力的養(yǎng)成，有利于對學(xué)生物理學(xué)科興趣的培養(yǎng)[3]。

通過對比初、高中物理教材發(fā)現(xiàn)，初中物理實(shí)驗(yàn)的呈現(xiàn)方式較為完整、全面，教材中會給出實(shí)驗(yàn)具體的操作步驟;高中物理教材中實(shí)驗(yàn)的呈現(xiàn)方式為提綱式，僅針對實(shí)驗(yàn)過程中遇到的障礙性問題進(jìn)行說明。

初中階段關(guān)于“水果電池”的探究，給學(xué)生提供了一個真實(shí)的探究環(huán)境，學(xué)生經(jīng)歷了自主發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程，體現(xiàn)了課程標(biāo)準(zhǔn)對科學(xué)探究七個要素的基本要求，為高中物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

因此，在高中階段開展“水果電池”的探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，以小組為單位根據(jù)實(shí)驗(yàn)器材以及教材上的提示，可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路圖，如圖5所示。學(xué)生通過交流討論，確定了符合本實(shí)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)（圖5中的電路①）。

通過改變滑動變阻器的阻值大小，進(jìn)而改變水果電池兩端的電壓和電路中的電流，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。運(yùn)用圖像法分析、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是初、高中教學(xué)的重點(diǎn)。初中階段學(xué)生通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出水果電池兩端的電壓與電極間距和電極插入深度的關(guān)系圖像，進(jìn)而根據(jù)圖像猜想引起電壓變化的原因，可能是水果電池并非理想電源。在初中學(xué)生能接受的范圍內(nèi)進(jìn)行合理擴(kuò)展，使學(xué)生了解電池“內(nèi)阻”的存在。

高中階段可利用統(tǒng)計(jì)軟件Excel處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制U-I圖像，擬合出電流與電壓的關(guān)系式。分析數(shù)據(jù)和圖像發(fā)現(xiàn)，水果電池的內(nèi)阻與電壓表內(nèi)阻相比不可忽略。為了得到更為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生自主對實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的電路圖如圖6。對于這一問題的思考，使得學(xué)生的創(chuàng)新意識進(jìn)一步加強(qiáng)。

本節(jié)課是從初中學(xué)生的視角出發(fā)，設(shè)計(jì)了關(guān)于“水果電池”的探究實(shí)驗(yàn)。在初中階段學(xué)生多次與電源“內(nèi)阻”問題不期而遇，因此，在教學(xué)中我們不能一味地避而不談。例如，在“探究并聯(lián)電路特點(diǎn)”時(shí)，把兩只小燈泡并聯(lián)在電源兩端，兩只燈泡都發(fā)光，但取下其中一只燈泡時(shí)，觀察到?jīng)]被取下的燈泡變亮了。再如，學(xué)生將電源與定值電阻組成簡單電路時(shí)，用電壓表測量定值電阻兩端的電壓，發(fā)現(xiàn)當(dāng)定值電阻阻值分別為5 Ω、10 Ω、15 Ω時(shí)，電壓表對應(yīng)的示數(shù)為2.2 V、2.4 V和2.5 V。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的這些問題使他們充滿了疑惑，而這些問題都與“內(nèi)阻”有關(guān)。在初中階段適度地引入“內(nèi)阻”知識，有利于學(xué)生在真實(shí)的情境中主動地建構(gòu)知識。

“水果電池”充分體現(xiàn)了課程標(biāo)準(zhǔn)中“提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和獨(dú)立研究能力”等要求。體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)活動從初中定性到高中定量的轉(zhuǎn)變，也為高中階段對于實(shí)驗(yàn)更完整、更具體、更深入的教學(xué)要求搭建了思維的階梯，最終通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、制訂計(jì)劃的能力等。

4? ? 獲得的啟示

莊子云：“無用之用是為大用也”[4]。從升學(xué)和考試的角度看，這些知識在短期內(nèi)用處不大，對于學(xué)生的長遠(yuǎn)發(fā)展而言，它們又是有用的。在興趣的驅(qū)使下學(xué)生進(jìn)行自主探究，他們學(xué)會的是一種學(xué)習(xí)方式和科學(xué)研究方式，也是他們學(xué)習(xí)科學(xué)知識、發(fā)展科學(xué)思維、形成科學(xué)態(tài)度必經(jīng)的一個歷程。

我們在今后的教學(xué)中，應(yīng)仔細(xì)衡量、認(rèn)真辨析我們的課程中哪些知識是“有用的”，哪些知識是“無用的”，找準(zhǔn)它們之間的平衡點(diǎn)，這考驗(yàn)著我們每一位教師的智慧。或許我們可以在物理課程某一單元或者某一部分課程結(jié)束后，安排一節(jié)類似“水果電池”這樣綜合性強(qiáng)、能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的課。例如，講完摩擦力后，可與空間科學(xué)相結(jié)合，講授“人造衛(wèi)星”的相關(guān)知識;講完光學(xué)后，把幾章的內(nèi)容融合到一起，講授“電影的魔力”。我們利用這些綜合性強(qiáng)，又與生活息息相關(guān)的課題，給學(xué)生一個自由開放的探索環(huán)境，畢竟興趣是學(xué)習(xí)最好的動力。

著名物理學(xué)家和教育家費(fèi)曼曾說：“物理教師的職責(zé)是讓學(xué)生欣賞奇妙的世界和物理學(xué)家看待這個世界的方式”。要使物理課堂變得智慧與生機(jī)勃勃，仍需要教師們在物理教學(xué)中不斷變革和創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

[1]土豆電池技術(shù)的應(yīng)用任重而道[J].功能材料信息，2013，10（Z1）：108-109.

[2]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011.

[3]林欽，陳峰，宋靜.關(guān)于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的中學(xué)物理教學(xué)的思考[J].課程·教材·教法，2015，35（12）：90-95.

[4]錢穎一.“無用”知識的有用性[N].中國青年報(bào)，2012-08-27（012）.

（欄目編輯? ? 羅琬華）