提升科學(xué)探究能力 落實核心素養(yǎng)培養(yǎng)任務(wù)
——以“練習(xí)使用多用電表測電阻”教學(xué)為例

胡瀚瑋 崔壤化

(1. 浙江省北侖明港高級中學(xué)，浙江 寧波 315800；2. 吉林省圖們市第二高級中學(xué)，吉林 延邊 133100)

科學(xué)探究能力是基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想與假設(shè)、設(shè)計實驗和制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力，科學(xué)探究主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素。

在“練習(xí)使用多用電表測電阻”的教學(xué)中，筆者采用人教版新教材和老教材相結(jié)合的方式，以科學(xué)探究作為教學(xué)主線，把問題，證據(jù)，解釋和交流等4個環(huán)節(jié)的教學(xué)形成邏輯鏈，既培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的意識，又提高學(xué)生科學(xué)探究能力，對落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)有較好的效果。

1 問題的提出與猜測

通過實驗現(xiàn)象提出所要研究的問題，并對問題進行分析，提出猜想與假設(shè)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和提出問題的能力、分析問題并能進行猜想假設(shè)的能力。在“練習(xí)使用多用電表測電阻”的教學(xué)中所要探究的問題及學(xué)生思維活動如下。

1.1 通過觀察多用電表提出問題

教師展示：如圖1所示，觀察多用電表表盤上的電阻刻度線，其特征是刻度線左密右疏、左大右小。

圖1

提出問題：多用電表中電壓示數(shù)，電流示數(shù)都是均勻的，為什么電阻擋的刻度出現(xiàn)了左密右疏的現(xiàn)象？

學(xué)生分析：多用電表內(nèi)部是有電源的，電源電動勢保持不變，待測電阻大小等于電源電動勢除以電流再減去內(nèi)阻，與電流大小成反比。

學(xué)生猜測：多用電表歐姆擋出現(xiàn)“左大右小、左密右疏”現(xiàn)象應(yīng)該由電流表改裝成歐姆表而引起的，即待測電阻的大小與通過多用電表的電流成反比。

1.2 由實驗步驟提出問題

教師演示：用多用電表歐姆擋測量待測電阻，先將量程選在×1000擋，歐姆調(diào)零后測量電阻,發(fā)現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)角度過小，重新選擇量程×10,調(diào)整歐姆調(diào)零旋鈕后測量發(fā)現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)角度過大；之后選擇量程×100擋，調(diào)整歐姆調(diào)零旋鈕后測量電阻，發(fā)現(xiàn)指針指在中間刻度附近，讀取電阻阻值=讀數(shù)×100。

提出問題：測量電阻的實驗過程中，為什么要求指針指在中間刻度附近？為什么每次換擋后都要調(diào)整歐姆調(diào)零旋鈕。

學(xué)生分析：從剛才讀數(shù)上來看，當(dāng)指針指在中間刻度附近時，可能誤差最小。每次換擋后表內(nèi)電阻發(fā)生變化，使得通過電表的電流發(fā)生變化，因此需要重新調(diào)整歐姆調(diào)零旋鈕。

學(xué)生猜測：指針在指在中間附近時誤差最小，換擋以后歐姆表內(nèi)阻會發(fā)生變化。

1.3 觀察“對比實驗”提出問題

教師演示：歐姆表從小倍率換成大倍率后，直接短接發(fā)現(xiàn)指針在0刻度線右方。

提出問題：從小倍率換成大倍率，電表的中值電阻增加，流過電表的電流應(yīng)該減小，但在實驗過程中發(fā)現(xiàn)電流反而增大了，為什么會出現(xiàn)這樣的情況？

學(xué)生分析與猜測：多用電表是由電流表改裝而來的，歐姆表由低擋切換到高擋可能是并聯(lián)了一個大電阻。

針對上述問題進行探究，教學(xué)中設(shè)置直觀的數(shù)據(jù)分析、多用電表內(nèi)部構(gòu)造分析，旨在提升學(xué)生的問題意識、質(zhì)疑能力、分析能力等。

2 證據(jù)的獲取和結(jié)論的得出

針對上述問題，為了論證猜測的科學(xué)性，需要獲取實驗數(shù)據(jù)，在實驗測量過程中，可以培養(yǎng)學(xué)生制定實驗方案的能力、獲取數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的能力以及實驗動手能力。

2.1 分析數(shù)據(jù)，提高學(xué)生解決抽象問題的能力

圖2

教師引導(dǎo)：從原理上看，前面的猜想是正確的，現(xiàn)在根據(jù)數(shù)據(jù)分析，論證刻度是否符合左密右疏、左大右小的結(jié)論。假設(shè)通過電流表滿偏時偏轉(zhuǎn)角為θ，此時待測電阻阻值為0。

課堂分組進行計算，有的學(xué)生推算偏轉(zhuǎn)0.2θ的待測電阻，有的學(xué)生推算偏轉(zhuǎn)0.3θ的待測電阻等等，分別將得到的數(shù)據(jù)填入表1中。

表1

由表1可見：偏轉(zhuǎn)角度變化相同的情況下，左邊的電阻變化大，右邊的電阻變化小，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度最大時，電阻為0。

2.2 利用Excel作圖，提升學(xué)生應(yīng)用計算機處理數(shù)據(jù)的能力

教師：前面有同學(xué)猜想，換擋以后電表的內(nèi)阻即中值電阻發(fā)生了變化，并且指針在中間區(qū)域附近誤差最小?，F(xiàn)在從多用電表測電阻的原理來驗證該猜想的正確性。

圖3

2.3 拆解多用電表，提升學(xué)生動手能力和物理建模能力

教師：前面的實驗中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)從小倍率換成大倍率時，在中值電阻增加，流過電表的電流應(yīng)該減??；但從實驗過程中，發(fā)現(xiàn)電流反而增大了，這與常識不符。可以通過拆解多用電表，分析多用電表多擋位測電阻的原理，從而解決相關(guān)問題。

學(xué)生：將多用電表拆解后觀察分析，多擋位歐姆表的原理圖如圖4所示。

圖4

教師：從圖4中可見：歐姆表由低擋切換到高擋不是串聯(lián)一個大的電阻，而是通過改變并聯(lián)電阻的大小來改變內(nèi)阻的大小。指針的偏轉(zhuǎn)角度是由流過表頭G的電流決定的，并不是由總電流決定的。通過查閱說明書后，發(fā)現(xiàn)R4?R3?R2?R1，選擇高擋位以后，會導(dǎo)致總電阻增加，總電流減小，從而使內(nèi)電壓減小，路端電壓增大，流過表頭的電流增加，即偏轉(zhuǎn)角度增加，這就是為什么換成高倍率擋位后，短接調(diào)零前指針偏右的原因，也是測量同一個電阻使用高倍率擋位比低倍率擋位指針偏轉(zhuǎn)角度大的原因。每次調(diào)擋，都會導(dǎo)致歐姆表的內(nèi)阻發(fā)生變化，因此換擋后都要重新進行歐姆表調(diào)零。

3 結(jié)語

在多用電表測電阻的教學(xué)中，從提出問題到學(xué)生猜想，從獲取證據(jù)到得出結(jié)論，有效培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力。當(dāng)然，科學(xué)探究能力的培養(yǎng)途徑和策略多種多樣，值得我們不斷研究，只要教書育人的目標(biāo)不變，培養(yǎng)學(xué)生能力、提升學(xué)生的核心素養(yǎng)就不是一句空話，而是切實可行的。