探究影響果蔬電池電壓大小的因素*

劉俊韜，史鏡毓，龔 穎，冼德鳳，陳曉琳，周江北，張 殷

(廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

1 引言

科學(xué)探究是學(xué)生學(xué)習(xí)物理不可或缺的重要能力，它要求學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行合理假設(shè)，并鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)小組合作方式通過(guò)多種渠道尋找證據(jù)，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)、觀察的科學(xué)方法進(jìn)行探索，最后對(duì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象進(jìn)行評(píng)價(jià)交流。在本文的教學(xué)設(shè)計(jì)案例中，以初三學(xué)生日常生活中常見(jiàn)的水果及蔬菜作為實(shí)驗(yàn)材料，立足于培養(yǎng)該群體學(xué)生科學(xué)探究領(lǐng)域的綜合能力。該單元課程旨在幫助學(xué)生簡(jiǎn)單了解果蔬電池的基本工作原理，掌握萬(wàn)用表測(cè)量電壓的方法，通過(guò)小組合作對(duì)影響果蔬電池“電壓”某個(gè)因素進(jìn)行完整的探究，并且結(jié)合所學(xué)知識(shí)能夠合理解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并應(yīng)用于生活實(shí)際。

2 教材與學(xué)情分析

2.1 教材分析

初中物理人教版教材第十六章《電壓 電阻》第一節(jié)（P55）中提到了水果電池可以作為電源，為發(fā)光二極管提供電壓，使自由電荷在回路中定向移動(dòng)，使二極管發(fā)亮。但教材中只是提及水果電池具有一般干電池的作用，卻沒(méi)有詳細(xì)地對(duì)其進(jìn)行介紹。而且，水果電池的材料也僅僅局限于水果類。本節(jié)課擴(kuò)展可以作為電池材料的范圍，將水果及蔬菜一起進(jìn)行研究，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到水果和蔬菜電池都可以給用電器提供電壓。

2.2 學(xué)情分析

學(xué)生在接觸本節(jié)課有關(guān)內(nèi)容時(shí)，已經(jīng)對(duì)電壓有了初步的認(rèn)識(shí)和了解，即將學(xué)習(xí)到部分電路歐姆定律?！半娫措妱?dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”的內(nèi)容要在高中才學(xué)習(xí)到，學(xué)生要在學(xué)習(xí)閉合電路歐姆定律的基礎(chǔ)上才能完全理解。所以在本次探究中，采用了“果蔬電池電壓”這個(gè)在初中階段使用的初級(jí)概念。盡管學(xué)生在現(xiàn)階段無(wú)法解釋實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，但該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為學(xué)生后續(xù)認(rèn)識(shí)到電源實(shí)際上存在內(nèi)阻以及電動(dòng)勢(shì)與電壓的區(qū)別，埋下一個(gè)伏筆。

3 教學(xué)流程設(shè)計(jì)與介紹

3.1 前景回顧階段

教師活動(dòng)：帶領(lǐng)學(xué)生重新回顧科學(xué)探究的八個(gè)步驟，即提出問(wèn)題、作出假設(shè)、制定計(jì)劃、搜集證據(jù)、處理信息、得出結(jié)論、表達(dá)交流、反思評(píng)價(jià)。

設(shè)計(jì)意圖：使學(xué)生熟悉并能靈活運(yùn)用科學(xué)探究的步驟去探究問(wèn)題，為初三學(xué)生進(jìn)行果蔬電池的探究提供研究方法。

3.2 情景引入階段

教師活動(dòng)：簡(jiǎn)要介紹果蔬電池以及制作方法，演示如何使用萬(wàn)用表測(cè)量果蔬電池兩端的電壓數(shù)值，進(jìn)一步引發(fā)學(xué)生對(duì)果蔬電池的興趣，引導(dǎo)學(xué)生將注意力轉(zhuǎn)移到果蔬電池兩端電壓大小的影響因素。

簡(jiǎn)要介紹：果蔬電池被稱為最天然也最沒(méi)有污染的電池，是利用水果/蔬菜中的化學(xué)物質(zhì)（比如水果酸這種良好的電解質(zhì)）和兩個(gè)金屬活動(dòng)性順序不同的金屬片作為電極材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的一種電池。

制作方法：把長(zhǎng)鐵釘和鍍鋅十字螺絲釘插入水果/蔬菜中(處于兩側(cè)，不能相碰），作為電極，這樣一個(gè)果蔬電池就制作完成。

演示操作：介紹學(xué)生萬(wàn)用表的基本操作，連接好萬(wàn)用表的紅黑表筆并測(cè)量果蔬電池兩端的電壓數(shù)值，展示如何讀取萬(wàn)用表顯示的數(shù)值及其含義。（見(jiàn)圖1）。

圖1 果蔬電池“電壓”大小的測(cè)量演示

引導(dǎo)關(guān)注：提出問(wèn)題，“影響果蔬電兩端電壓大小的因素有哪些？”給學(xué)生預(yù)留2-3分鐘時(shí)間發(fā)表意見(jiàn)并討論，教師板書(shū)學(xué)生提出的影響因素。

（1）與果蔬的大小有關(guān)；（2）與果蔬的種類有關(guān)；（3）與果蔬的水分有關(guān)；（4）與電極插入深度有關(guān)；

（5）與果蔬的酸度有關(guān)；（6）與電極的距離有關(guān)；……

設(shè)計(jì)意圖：將學(xué)生對(duì)果蔬電池能夠作為“電源”的興趣轉(zhuǎn)移到探究影響果蔬電池兩端電壓大小因素上來(lái)。給學(xué)生獨(dú)立思考問(wèn)題的時(shí)間，引導(dǎo)學(xué)生在回答問(wèn)題時(shí)考慮全面。

3.3 實(shí)驗(yàn)探究階段

教師活動(dòng)：根據(jù)假設(shè)，教師提供對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)任務(wù)單給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生聚焦特定方向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和探究。讓學(xué)生們用萬(wàn)用表測(cè)得果蔬電池兩端的電壓數(shù)值作為果蔬電池的電壓大小。同時(shí)需要在學(xué)生實(shí)驗(yàn)前糾正錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)方法，幫助學(xué)生掌握控制變量法來(lái)進(jìn)行科學(xué)探究。

實(shí)驗(yàn)儀器：萬(wàn)用表（每組一個(gè)），檸檬、香蕉、蘋(píng)果、黃瓜、土豆若干，鐵釘、鍍鋅螺絲釘若干。

試驗(yàn)任務(wù)單示例：（探究電極插入深度因素）

（1）你們的猜想；

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（3）得出的結(jié)論；

（4）解釋你們的結(jié)論；

（5）意外的發(fā)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)意圖：在該環(huán)節(jié)教師給學(xué)生自由的空間，使學(xué)生成為研究過(guò)程的主體，讓學(xué)生親歷科學(xué)探究的過(guò)程。教師的作用是將學(xué)生引領(lǐng)到探究問(wèn)題的情境之中，幫助學(xué)生在探究過(guò)程中培養(yǎng)他們作出猜想與假設(shè)、動(dòng)手操作的嚴(yán)謹(jǐn)性以及控制變量等能力。

3.4 情境引入階段

教師活動(dòng)：教師邀請(qǐng)各小組代表分享本組得到的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的所思所想所得，并初步總結(jié)學(xué)生活動(dòng)情況。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)展示：

（1）A組研究的是果蔬/蔬菜電池兩端的電壓與電極插入深度是否有關(guān)。

該組的猜想是電極插入深度與果蔬電池兩端的電壓測(cè)量值成正比。該組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 電極插入深度相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

該組得出的結(jié)論與假設(shè)不一致，在電極距離一樣的條件下，隨著電極深度的增加，黃瓜電池的電壓測(cè)量值先減小后增大，土豆電池的電壓測(cè)量值逐漸減小。

（2）B組研究的是果蔬/蔬菜電池的電壓測(cè)量值與果蔬/蔬菜的狀態(tài)是否有關(guān)。

該組的猜想是把果蔬/蔬菜切半，會(huì)導(dǎo)致電壓測(cè)量值減半。該組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 果蔬狀態(tài)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

該組得出的結(jié)論為把果蔬或者蔬菜切半，它的電壓測(cè)量值不會(huì)簡(jiǎn)單地減小一半。對(duì)于土豆來(lái)說(shuō)，切半會(huì)使電壓測(cè)量值減小，但并不是正比關(guān)系；對(duì)于蘋(píng)果來(lái)說(shuō)，切半會(huì)使其中一半果蔬電池的電壓測(cè)量值略微升高，另一半果蔬電池電壓測(cè)量值降低。

（3）C組研究的是果蔬/蔬菜電池的電壓測(cè)量值與電極距離是否有關(guān)。

該組的猜想是電極距離越大，電壓測(cè)量值會(huì)越小。該組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 電極距離相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

該組的結(jié)論是對(duì)于蘋(píng)果來(lái)說(shuō)，在控制電極插入深度一樣的條件下，隨著電極距離的增大，蘋(píng)果電池的電壓測(cè)量值逐漸減小，土豆電池的電壓測(cè)量值先增大后減小。

（4）D組研究的是果蔬/蔬菜電池的電壓測(cè)量值與果蔬/蔬菜的種類是否有關(guān)。

該組的猜想是電壓測(cè)量值會(huì)與種類有關(guān)，且猜測(cè)檸檬電池和黃瓜電池的電壓測(cè)量值會(huì)比蘋(píng)果和土豆的電壓測(cè)量值高。該組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 果蔬種類相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

該組得出的結(jié)論是在相同電極距離與電極插入深度時(shí)，黃瓜與蘋(píng)果電池的電壓測(cè)量值要小于土豆電池與檸檬電池的電壓測(cè)量值?？梢詫?duì)四種果蔬做一個(gè)大致排序：黃瓜＜蘋(píng)果＜檸檬＜土豆。

試圖解釋：研究水果/蔬菜種類影響其電壓測(cè)量值的小組：發(fā)現(xiàn)土豆電池的電壓測(cè)量值在測(cè)試的實(shí)驗(yàn)組（黃瓜、檸檬、土豆、蘋(píng)果）中最高，猜想可能是與其富含淀粉有關(guān)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)每個(gè)小組的分享與交流，教師引導(dǎo)學(xué)生表達(dá)自己小組對(duì)現(xiàn)象的探究學(xué)習(xí)過(guò)程。同時(shí)培養(yǎng)其他未分享的同學(xué)善于傾聽(tīng)發(fā)言的能力，讓學(xué)生聯(lián)系生活實(shí)際運(yùn)用所學(xué)知識(shí)合理解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

3.5 繼續(xù)思考階段

教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生分享實(shí)驗(yàn)過(guò)程中較難解決的問(wèn)題和其他意外發(fā)現(xiàn)。

課堂提問(wèn)：

（1）為什么把水果/蔬菜串聯(lián)起來(lái)，卻無(wú)法使得小燈泡點(diǎn)亮？

（2）如何處理并利用實(shí)驗(yàn)后的水果及蔬菜？

（3）為什么用萬(wàn)能表分別測(cè)鐵釘與螺絲釘，發(fā)現(xiàn)底端與頂端測(cè)得的電壓會(huì)有細(xì)微的數(shù)據(jù)差？

（4）研究電極深度的小組在展示的數(shù)據(jù)中都是鐵釘和鍍鋅螺絲釘都插入同樣的深度，如果鐵釘插入1cm，鍍鋅螺絲釘插入3cm，兩個(gè)電極插入深度不一樣是否會(huì)影響測(cè)得的電壓數(shù)值？

設(shè)計(jì)意圖：幫助學(xué)生更加深入思考果蔬電池的基本原理，為想要繼續(xù)探究的學(xué)生保留進(jìn)一步思考的空間。

3.6 交流評(píng)估階段

教師活動(dòng)：教師展示自己所做的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與學(xué)生得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行參照，師生一起討論得到的結(jié)果和各小組設(shè)計(jì)的方案，并在此階段對(duì)學(xué)生整節(jié)課的行為根據(jù)表現(xiàn)性分級(jí)量化表進(jìn)行評(píng)價(jià)。

教師展示：以探究果蔬狀態(tài)對(duì)電壓的影響為例。如圖1、圖2所示。

圖1 不同狀態(tài)土豆電池兩端電壓測(cè)量值的比較

圖2 不同狀態(tài)蘋(píng)果電池兩端電壓測(cè)量值的比較

4 表現(xiàn)性分級(jí)量化表

表現(xiàn)性分級(jí)量化表見(jiàn)表5。

表5 表現(xiàn)性分級(jí)量化表

設(shè)計(jì)意圖：對(duì)整節(jié)課經(jīng)歷的科學(xué)探究過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)和反思，師生共同研究討論實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化，方便進(jìn)一步分析討論，并預(yù)留一定程度的疑問(wèn)給學(xué)生進(jìn)一步探究和思考。

5 課后評(píng)析

這節(jié)課能夠循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)探究。教師先是引起學(xué)生們對(duì)果蔬電池的好奇心，然后引導(dǎo)學(xué)生把注意力集中到果蔬電池或蔬菜電池兩端的電壓大小上來(lái)，接著讓學(xué)生思考果蔬電池兩端電壓大小的影響因素，每個(gè)小組各自研究不同的主題。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，還有各小組交流與思考的環(huán)節(jié)，而且教師還展示自己所做的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并于學(xué)生一起研究探討。此外，該教學(xué)設(shè)計(jì)比較大的創(chuàng)新點(diǎn)是在教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用分級(jí)量化表，對(duì)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，從而獲得傳統(tǒng)紙筆測(cè)評(píng)所忽視的學(xué)生探究過(guò)程。盡管實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有些問(wèn)題并不能依靠學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)水平解釋清楚，但我們相信這種探索未知的思維方式將會(huì)幫助該組在科學(xué)的道路上走得更遠(yuǎn)。