科學思維導向下的物理實驗教學設計
——以“測定電池的電動勢和內電阻”為例

孫梅芳 張士軍

(1. 安徽省蚌埠田家炳中學，安徽 蚌埠 233010；2.安徽省懷遠第一中學,安徽 懷遠 233400)

1 引言

“測定電池的電動勢和內電阻”實驗是高中物理的重點實驗，盡管老師洞悉此事，并給予此實驗以高度的重視，但學生對于變化莫測的考題還是頻繁出錯，其根本原因在于學生的科學思維能力沒有得到很好的培養(yǎng)，面對變化的考題往往一籌莫展。

“科學思維”是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規(guī)律及相互關系的認識方式，主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等要素。

在“測定電池的電動勢和內電阻”實驗教學中，教師應抓住實驗原理這個主線，逐步引領學生發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，不斷改進實驗方案，切實培養(yǎng)學生的科學思維能力。

2 教學環(huán)節(jié)及設計意圖

2.1 以實驗事實為起點，尋求思維起源

思維的起點源于對熟悉問題的再認知，人教版高中物理選修3-1的第二章第10節(jié)是“實驗：測定電池的電動勢和內阻”，第7節(jié)是“閉合電路的歐姆定律”。在本節(jié)新課教學之前引導學生對第7節(jié)的例1再次進行探討，從而尋求思維起源：測定電池的電動勢和內阻的方法。

例1：如圖1所示，R1=14Ω，R2=9Ω。當開關處于位置1時，電流表讀數(shù)I1=0.2A；當開關處于位置2時，電流表讀數(shù)I2=0.3A。求電源的電動勢E和內電阻r。

圖1

由閉合電路的歐姆定律有：E=I1R1+I1r，E=I2R2+I2r，解得：r=1Ω，E=3V。

學生再研討該例題時，發(fā)現(xiàn)可以用例題的方法測定電池的電動勢和內阻，其原理是閉合電路歐姆定律，據(jù)此原理只要測兩組數(shù)據(jù)，就可測得電動勢和內阻，然而用這種方法測量時難免會造成較大的偶然誤差，如何減小偶然誤差呢？

2.2 逐步改進實驗方案，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力

改進1：安阻法和伏阻法

學生注意到產生偶然誤差的原因是測量數(shù)據(jù)較少，因此就需要多測幾組數(shù)據(jù)。如何達到此目的？結合以前對幾種電阻元件(定值電阻、滑動變阻器、電阻箱等)功能的了解，學生不難想到用一個電阻箱R來代替例題中的兩個電阻R1和R2，這樣就可以得到多組數(shù)據(jù)，再根據(jù)閉合電路歐姆定律，把數(shù)據(jù)兩兩一組代入E=IR+Ir中進行計算，算出每一組的E和r，最后求所有E和r的平均值，便可減小偶然誤差，我們把這種方法叫安阻法(圖2)。

圖2

圖3

改進2：伏安法

問題導引：電阻箱的電阻取值不是連續(xù)變化的，可否用連續(xù)變化的電阻來進行實驗?學生會想到用滑動變阻器進行實驗。

問題思考：若使用滑動變阻器，其電阻值無法讀出，如何解決？

原理分析：E=IR+Ir式中的“IR”即為路端電壓，則有：E=U+Ir，路端電壓可以用電壓表測出。因此，設計出如圖4所示的伏安法實驗電路。

圖4

實驗前可以讓同學們先動手移動一下滑動變阻器的滑片，可能有部分同學移動滑動變阻器的動作過猛，教師適時引導：如果移動滑動變阻器動作過猛，可能會造成外電阻等于零，從而造成短路而燒壞電表。如何避免短路現(xiàn)象的發(fā)生呢？學生進一步改進電路圖(圖5)。通過系列遞進性問題的引導，激活學生的創(chuàng)新思維。

圖5

2.3 逐步改進數(shù)據(jù)處理方法，培養(yǎng)批判性思維能力

教師引導學生：用伏安法做實驗可以測出多組數(shù)據(jù)，如果我們還用兩兩一組數(shù)據(jù)計算電動勢E和內阻r，然后用多組數(shù)據(jù)求平均值，那和前面的方法并無多大區(qū)別。我們怎樣處理實驗數(shù)據(jù)才能盡量減小偶然誤差？這時可以讓學生聯(lián)想，對于利用v-t圖像求加速度的方法學生應該印象深刻，由此不難想到圖像法是處理實驗數(shù)據(jù)極佳的方法。學生敢于否定舊方法，尋求新方法，這一過程使學生的批判性思維能力得到提高。

實驗測得的數(shù)據(jù)是U和I,是畫U-I圖像還是I-U圖像比較好呢？引導學生回到閉合電路歐姆定律分析實驗原理：外電阻R變化，導致電路中電流I變化，從而導致路端電壓U變化，電流I應是自變量，路端電壓U是因變量，即U=E-Ir，所以應畫出U-I圖像。再請學生分析U-I圖像的物理意義：縱截距代表電源電動勢E，斜率的絕對值代表電源內阻r(圖6)。

圖6

學生在處理數(shù)據(jù)時遇到了新問題，畫出的實驗圖像如圖7所示，顯然用該圖得到的實驗結論誤差比較大。怎樣改進呢？不妨引導學生對某一組實驗數(shù)據(jù)(表1)分組進行討論，有了前面的思維進階，相信會有同學想到：縱坐標可不從零開始。

圖7

表1

2.4 觸類旁通，培養(yǎng)學生的思維廣度

以圖像法處理實驗數(shù)據(jù)作為鋪墊，適時引導學生：安阻法和伏阻法都可以讀出多組實驗數(shù)據(jù)，是否也可以用圖像法處理實驗數(shù)據(jù)呢？

圖8

2.5 解決新問題，培養(yǎng)學生的思維深度

通過上述教學設計，學生的思維逐步進階，對測定電源電動勢和內阻實驗有了較全面認識。但是，還有部分學生在解決實際問題時辨別不了何時用“部分電路歐姆定律”，何時用“閉合電路歐姆定律”，或是一味依賴圖像法求解電動勢和內阻，因此筆者設計了如下一道實驗題，幫助學生理解實驗原理，拓展學生的思維深度。

例2：用如圖9所示的電路做實驗。① 斷開S2，閉合S1，記下電壓表示數(shù)為U1、電流表示數(shù)為I1；② 斷開S1，閉合S2，調節(jié)電阻箱阻值，使電壓表示數(shù)仍為U1,電流表示數(shù)仍為I1，記下此時電阻箱的示數(shù)R；③ 同時閉合S1、S2，保持電阻箱的阻值R不變，再次記下電壓表的示數(shù)為U2、電流表的示數(shù)為I2。那么，待測電阻的阻值RX=,電流表的內阻RA=,待測電源電動勢E=,電源內阻r=。

圖9

通過該環(huán)節(jié)的教學設計，不僅加強了學生對歐姆定律的全面理解，也引導學生針對所遇到的不同問題，靈活甄別物理原理和應用的方法。

3 教學設計反思

3.1 基于思維遞進設計教學，發(fā)展學生的科學思維能力

本教學設計以已講過的例題為起點，依據(jù)閉合電路歐姆定律，提出測定電源電動勢和內阻的方法，由安阻法聯(lián)想到伏阻法，再到伏安法，這種層層遞進的教學設計能夠不斷引導學生進行歸納與概括、演繹與推理、分析與建模，學生在逐步改進實驗方案的過程中實現(xiàn)了科學思維能力的進階。

教學設計的另一條線索是如何減小偶然誤差，在設計中緊抓這條線索引導學生進行辯證性思考：由例題中用兩組實驗數(shù)據(jù)求解電動勢和內阻，發(fā)展到用多組數(shù)據(jù)求解電動勢和內阻的平均值，再到用圖像法測定電動勢和內阻。學生在逐步減小實驗誤差的探究過程中，不斷分析數(shù)據(jù)，評估誤差大小，篩選信息，改進實驗方案與數(shù)據(jù)處理方法，使其思維的嚴謹性得到提高，也能切身體驗辯證思維及創(chuàng)新思維過程，從而達成提升科學思維能力的目標。

3.2 基于深度學習設計教學，深化學生科學思維

課堂教學設計最后的環(huán)節(jié)是：(1) 把伏安法中用到的圖像法處理實驗數(shù)據(jù)的方法，延伸到安阻法和伏阻法；(2) 精選一道關于部分電路歐姆定律和閉合電路歐姆定律的例題。通過這兩個環(huán)節(jié)的教學設計，對學生的思維要求層層加碼，使學生進入深度學習的狀態(tài)。

總之，科學思維的培養(yǎng)是逐步遞進的過程，即由對問題的淺層思維，慢慢深入到其本質及內在決定因素的深度思維，最后上升到質疑、批判、創(chuàng)新的思維。