基于信息技術(shù)支持的物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略
——以“探究導(dǎo)體的電阻規(guī)律”教學(xué)為例

安徽省合肥市教育局教育科學(xué)研究院(230000) 陶士金

安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)(231551) 劉信生

2018年國家教育部發(fā)布《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》要求落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”，堅(jiān)持信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的核心理念，堅(jiān)持應(yīng)用驅(qū)動(dòng)和機(jī)制創(chuàng)新的基本方針，實(shí)現(xiàn)教育的可持續(xù)發(fā)展。正是由于當(dāng)今的信息化潮流勢(shì)不可擋，我們的學(xué)生早已就是信息時(shí)代的“原居民”而不是“闖入者”，信息技術(shù)對(duì)他們的生活和學(xué)習(xí)已無法替代，傳統(tǒng)教學(xué)模式儼然無法滿足如今學(xué)生學(xué)習(xí)的需求，特別是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)更要插上信息技術(shù)的翅膀，實(shí)現(xiàn)新的跨越。

1 引言

教育信息化在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)由“起步”“應(yīng)用”階段正在向“融合”“創(chuàng)新”階段邁進(jìn)。這幾年，初中物理實(shí)驗(yàn)的信息化應(yīng)用高歌猛進(jìn)，特別是基于傳感器技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的快速融合成燎原之勢(shì)，銳不可擋。以初中物理“探究影響導(dǎo)體電阻的因素”實(shí)驗(yàn)為例，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在以往的教學(xué)過程中的作用功不可沒，但是在新時(shí)代的坐標(biāo)軸上看存在諸多不足：①在將不同金屬線接入電路中的時(shí)候，小燈泡的亮暗發(fā)生變化，小燈泡的電阻也隨之發(fā)生變化，設(shè)計(jì)方案與控制變量法的思維有相悖之處；②學(xué)生用的電流表可視性差，演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，教室后排的學(xué)生無法看清楚；③由于干電池存在內(nèi)阻，在不同的電路中，無法保證每次實(shí)驗(yàn)時(shí)提供的電源電壓為一定值，直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論的可靠性；④初中學(xué)生對(duì)鎳鉻金屬絲比較陌生，心理上一時(shí)難以理解。最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是串并聯(lián)電路的電阻規(guī)律教學(xué)，教師都是從歐姆定律、串并聯(lián)電路電壓和電流規(guī)律的物理理論出發(fā)，運(yùn)用等效法思維進(jìn)行抽象思維的理論推導(dǎo)和論證，沒有站在實(shí)施實(shí)驗(yàn)探究的角度進(jìn)行研究，筆者通過一系列的數(shù)字化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)導(dǎo)體電阻的影響因素和串、并聯(lián)電阻規(guī)律進(jìn)行量化實(shí)驗(yàn)探究。

2 數(shù)字化傳感器和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有機(jī)融合

由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的問題，筆者帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)施創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，將各種“金屬線”改為學(xué)生身邊每天使用、非常熟悉的鉛筆作為實(shí)驗(yàn)器材，選用同一廠家、不同規(guī)格的鉛筆芯作為研究對(duì)象；將干電池組更換為學(xué)生電源供電；將實(shí)驗(yàn)室電流表更換為電流傳感器、信息收集器和帶軟件筆記本電腦。

2.1 探究影響導(dǎo)體電阻的因素?cái)?shù)字化實(shí)驗(yàn)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)器材

同一廠家(均是中華繪圖鉛筆)同種型號(hào)的鉛筆組合(2H、HB、2B、3B、4B、5B、6B)、亞克力板條2根(20 cm×8 cm×1 cm)、薄免漆板1塊(30 cm×30 cm)，電流傳感器、數(shù)據(jù)收集器、帶有數(shù)字化軟件的電腦、學(xué)生電源、帶有鱷魚夾的導(dǎo)線若干、圓柱強(qiáng)磁體若干、鋼鋸條、裁紙刀、手電鉆、膠棒槍。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

取中華繪圖鉛筆組合(其中2H、HB、3B、4B、5B、6B鉛筆各1支，2B鉛筆2支)，用鋸條將每支鉛筆距離兩端0.5 cm處木質(zhì)層鋸出深2 mm的凹槽，再用裁紙刀小心地將兩端的木質(zhì)層去掉，漏出鉛筆芯。將2塊長(zhǎng)方體亞克力重疊放置，每間隔2 cm用手電鉆打穿8對(duì)圓孔，依次將2H、HB、2B、2B、3B、4B、5B、6B鉛筆，按照從上到下順序整齊地穿過這對(duì)亞克力板條，用膠棒槍的熱熔膠將其整體固定在薄免漆板上(如圖1所示)。

圖1 將型號(hào)相同、材料不同的鉛筆整體固定

如圖2所示，使用學(xué)生電源為電路供電(控制工作電壓不變)，將電流傳感器(注意正負(fù)接線柱)與鉛筆串聯(lián)接入電路，用數(shù)據(jù)線將傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接，再與帶有數(shù)字化軟件的電腦相連，用膠棒槍將圓柱強(qiáng)磁分別固定在薄免漆板、電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器上，再將這些器件吸附在豎直放置的長(zhǎng)方形白色鐵板上，便于向?qū)W生展示。

圖2 探究影響導(dǎo)體電阻的因素?cái)?shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置

2.1.3 實(shí)驗(yàn)操作過程

在課堂教學(xué)中，電阻的概念建立后，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)：同一個(gè)電路中導(dǎo)體的電阻越大，電路中電流反而會(huì)越小。因此，學(xué)生只有通過電路中電流大小的變化來間接反應(yīng)電阻的變化。接著教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行猜想和假設(shè)。

師：同學(xué)們閱讀教材中內(nèi)容，猜想一下導(dǎo)體的電阻大小與哪些因素有關(guān)？

生：導(dǎo)體的材料、長(zhǎng)度、橫截面積(粗細(xì))、溫度……

師：很好。我們?cè)谏钪薪佑|稀有金屬鎳、鉻的機(jī)會(huì)不多，但是，同學(xué)們接觸鉛筆的機(jī)會(huì)是很多的，你們知道我們使用的鉛筆中的主要成分是什么嗎？能導(dǎo)電嗎？鉛筆通常有“H”與“B”之類的區(qū)別，知道其中的含義嗎？

生：主要成分是石墨，可以導(dǎo)電的。“H”與“B”具體表示什么就不是很清楚……

教師此時(shí)在百度搜索引擎中搜索鉛筆中“H”和“B”的含義，并通過白板展示，學(xué)生發(fā)現(xiàn)“H”前的數(shù)字越大筆芯的硬度越大，摻入的黏土越多，含有的石墨越少，導(dǎo)電的性能越差；相反“B”前面的數(shù)字越大，摻入的黏土越少，含有石墨越多，導(dǎo)電性能越好。

師：實(shí)驗(yàn)的結(jié)果真如同學(xué)們的猜想一致嗎？下面我們用實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證了。

探究活動(dòng)：首先將學(xué)生電源接入220 V家庭電路中，連接好串聯(lián)的數(shù)字化電路，注意連接鉛筆兩端的各帶有鱷魚夾的導(dǎo)線。教師將多余的鉛筆組合分發(fā)給學(xué)生觀察比較。

師：型號(hào)相同的鉛筆有什么外部特征？

生：這些鉛筆長(zhǎng)度和橫截面積(粗細(xì))都相同。

師：那么現(xiàn)在我們進(jìn)行如下操作步驟：①將學(xué)生電源電壓調(diào)至3 V，打開電腦中的數(shù)字化軟件系統(tǒng)界面，在接通電路前將數(shù)字化電流值“調(diào)零”；②將2只鱷魚夾住2H鉛筆的兩端，閉合電源開關(guān)，電腦屏顯示的電流值為0.09 A，將數(shù)據(jù)記錄在表1中；③斷開電源開關(guān)，依次將2H鉛筆兩端的鱷魚夾，順次將HB、2B、3B、4B、5B、6B鉛筆分別接入電路中，閉合電源開關(guān)，記錄電路中電流數(shù)據(jù)，填入表1中。

表1 分別將不同材料的鉛筆接入電路中的電流值

分析表1中的1～7組數(shù)據(jù)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在導(dǎo)體長(zhǎng)度和橫截面積(粗細(xì))相同時(shí)，導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體材料有關(guān)。

師：圖2演示板上我們放置了2支相同的2B鉛筆，作用是什么？又可以完成哪些實(shí)驗(yàn)？

生：可以完成導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的長(zhǎng)度、橫截面積之間的關(guān)系實(shí)驗(yàn)。

師：很好。下面請(qǐng)同學(xué)們上來進(jìn)行操作，探究這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生用帶鱷魚夾的導(dǎo)線將兩支相同的2B鉛筆頭、尾相連，然后再將剩下的頭尾兩端接入電路中，形成兩支鉛筆串聯(lián)的電路，閉合電源開關(guān)，讀出電路電流大??；再用鱷魚夾將兩支2B鉛筆頭頭、尾尾相連，形成兩支鉛筆并聯(lián)電路，閉合電源開關(guān)，讀出電路電流大小，將以上數(shù)據(jù)填入表1中。

師生合作分析表1中的數(shù)據(jù)8和9組，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：①在導(dǎo)體材料、橫截面積相同時(shí)，導(dǎo)體越長(zhǎng)，其電阻越大；②在導(dǎo)體材料、長(zhǎng)度相同時(shí)，導(dǎo)體橫截面積越大，導(dǎo)體電阻越小。在師生的共同參與中，非常輕松愉悅地完成了探究實(shí)驗(yàn)，在玩實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)思維的啟迪和理論的升華。

2.2 探究串并聯(lián)導(dǎo)體電阻規(guī)律的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

通過以上電阻實(shí)驗(yàn)探究得出：導(dǎo)體的電阻大小與導(dǎo)體材料、長(zhǎng)度和橫截面積有關(guān)，為了進(jìn)一步探究導(dǎo)體電阻大小與導(dǎo)體的長(zhǎng)度和橫截面積之間的數(shù)量關(guān)系，教師再一次帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，采用控制變量研究方法，展開數(shù)字化創(chuàng)新探究。

實(shí)驗(yàn)器材的準(zhǔn)備與組裝：取一段直徑為2 mm、長(zhǎng)度為20.80 cm密繞的鎳鉻合金絲，為了研究問題的方便，讓學(xué)生用毫米刻度尺將金屬絲進(jìn)行4等分，在每一等份的節(jié)點(diǎn)上裝備一個(gè)金屬柱(方便接入電路中)。由于金屬絲之間是密繞在一起，為了避免金屬絲接入電路中的電流直接從匝與匝之間流動(dòng)，必須將金屬絲進(jìn)行拉伸，再固定在PVC板上備用，如圖3所示。

圖3 將鎳鉻合金絲四等分并均勻拉伸、固定

以教學(xué)片段為例，在具體的教學(xué)環(huán)境中解決實(shí)際問題。取下裝置中的薄免漆板上的鉛筆組合，換上PVC板上的鎳鉻合金絲裝置，將金屬絲的接線柱從左向右標(biāo)上序號(hào)1、2、3、4、5。

師:我們將該鎳鉻合金絲看成一個(gè)電阻，我們?yōu)榱颂骄繉?dǎo)體的電阻與導(dǎo)體長(zhǎng)度之間的數(shù)量關(guān)系，需要進(jìn)行哪些實(shí)驗(yàn)操作？

生:采用控制變量法思維，保證導(dǎo)體的橫截面積不變，只改變導(dǎo)體的長(zhǎng)度，將鎳鉻合金絲接入電路中的接線柱分別有1與2、1與3、1與4、1與5四種接法。

師：很好。下面,我們就分別將以上四種接法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，用4.5 V的電源進(jìn)行供電，接通電路，在電腦界面上讀出電流傳感器上的電流值，將數(shù)據(jù)填入表2中。

表2 將鎳鉻合金絲的不同接線柱接入電路中的電流大小

師生合作完成實(shí)驗(yàn)，整個(gè)鎳鉻合金絲相當(dāng)于四個(gè)相同小電阻串聯(lián)，將表2中的1、2、3、4組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，畫出電流和電流倒數(shù)與串聯(lián)導(dǎo)體個(gè)數(shù)的關(guān)系圖像(如圖4所示)，讓學(xué)生走上講臺(tái)，宣布實(shí)驗(yàn)結(jié)論：串聯(lián)在同一電路中的導(dǎo)體數(shù)目成整數(shù)倍增加，電路中電流就減小到原來的幾分之一，說明電壓一定時(shí)，電路中總電阻值與流過的電流成反比例。進(jìn)一步推導(dǎo)得出：串聯(lián)在電路中導(dǎo)體越多，相當(dāng)于接入電路中導(dǎo)體的長(zhǎng)度就越長(zhǎng)，導(dǎo)體的電阻越大(或者串聯(lián)導(dǎo)體相當(dāng)于增加導(dǎo)體的長(zhǎng)度)。

圖4 圖像1

師:我們能否用同樣的方法來探究導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體橫截面積之間的數(shù)量關(guān)系？需要進(jìn)行哪些實(shí)驗(yàn)操作？能否將等效電路先畫出來？

生：當(dāng)然能，我們將鎳鉻合金絲中一些接線柱組合在一起后分別接入電路中就能達(dá)到目的，控制導(dǎo)體長(zhǎng)度一定時(shí)，只改變導(dǎo)體的橫截面積大小，將接線柱1、3與2，1、3、5與2、4，1、5與3(注意：“與”前面的接線柱共接正極端，后面的接線柱共接負(fù)極端)三種方法，等效電路如圖5所示。

圖5 鎳鉻合金絲的等效電阻

師：我們就按照你們的想法，請(qǐng)同學(xué)到講臺(tái)上來親自完成這些實(shí)驗(yàn)步驟，祝你們成功！

學(xué)生帶著畫好的等效電路圖，認(rèn)真連接好三種實(shí)物電路，接通開關(guān)，點(diǎn)擊電腦軟件系統(tǒng)，讀出電路中電流值大小，將數(shù)據(jù)填入表2中。

師生共同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探討：將表2中的1、5、6組進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，畫出電路中電流大小與并聯(lián)導(dǎo)體個(gè)數(shù)的關(guān)系圖像(如圖6所示)，得出結(jié)論：同一電路中的導(dǎo)體長(zhǎng)度一定時(shí)，導(dǎo)體的橫截面積成整數(shù)倍的增加，電路中的電流也成整數(shù)倍增加，電路中的總電阻成整數(shù)倍的減小。說明并聯(lián)導(dǎo)體越多，導(dǎo)體的橫截面積越大，電阻就越小(或者說并聯(lián)導(dǎo)體相當(dāng)于增加導(dǎo)體的橫截面積)。

圖6 圖像2

3 教學(xué)反思

由于該節(jié)內(nèi)容是安排在歐姆定律內(nèi)容的前面，無法直接用伏安法測(cè)出導(dǎo)體的電阻，只能通過同一電路(導(dǎo)體兩端電壓不變)的電流值大小間接地比較電路中的電阻值變化規(guī)律，所以是本節(jié)課無法繞開的難點(diǎn)。如果只是通過鉛筆組合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)來探究導(dǎo)體的電阻與哪些因素有關(guān)，感覺實(shí)驗(yàn)說服力有些不夠，再用數(shù)字化傳感器與改裝后的鎳鉻合金絲進(jìn)行串、并聯(lián)導(dǎo)體的電阻規(guī)律之量化實(shí)驗(yàn)探究，強(qiáng)化了導(dǎo)體串、并聯(lián)電阻改變的本質(zhì)就是改變了導(dǎo)體的長(zhǎng)度或橫截面積的道理，為下一步歐姆定律的教學(xué)掃除了科學(xué)思維的障礙，為后面歐姆定律的應(yīng)用——串并聯(lián)電路中電阻規(guī)律的理論推導(dǎo)做好了鋪墊。

4 結(jié)語

本節(jié)課將數(shù)字化傳感器與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深度融合，讓數(shù)字化軟件系統(tǒng)與班級(jí)的多媒體展臺(tái)進(jìn)行無縫鏈接，學(xué)生可以通過大屏幕讀出實(shí)驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，可視性強(qiáng)。巧妙運(yùn)用學(xué)生非常熟悉的鉛筆組合進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究，增強(qiáng)了親切感。將鉛筆的兩端露出一部分，避免在使用中被折斷，可以反復(fù)使用，也體現(xiàn)了運(yùn)用生活物品進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)化思想。運(yùn)用鎳鉻合金絲進(jìn)一步探究串、并聯(lián)電路的電阻規(guī)律，培養(yǎng)了學(xué)生的物理思維能力，在信息化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中使學(xué)生的物理核心素養(yǎng)落到實(shí)處。