高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的教學(xué)策略

福建省明溪縣第一中學(xué) 饒炳生

電學(xué)實(shí)驗(yàn)是高中物理教學(xué)內(nèi)容中十分重要的一個(gè)版塊，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的能力具有重要意義。傳統(tǒng)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往是由教師主導(dǎo)的，教師先進(jìn)行演示，學(xué)生只進(jìn)行觀看，然后學(xué)生需要按照教師的指令進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的發(fā)展。想要改變這一現(xiàn)狀，教師必須轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念和方法，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、自主制定實(shí)驗(yàn)方案、獲取和處理信息，鼓勵(lì)學(xué)生從多角度思考實(shí)驗(yàn)的可能性，設(shè)計(jì)出更安全的、更精確的、更有創(chuàng)意的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，從而促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本概述

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的概念。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是指實(shí)驗(yàn)者依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，運(yùn)用物理原理和實(shí)驗(yàn)技能，借助一定的實(shí)驗(yàn)儀器，嚴(yán)格尊重實(shí)驗(yàn)要求，探究實(shí)驗(yàn)操作的活動(dòng)。具體包括實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)流程和步驟的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法的設(shè)計(jì)等。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，也是核心，為實(shí)驗(yàn)提供了理論支撐和行動(dòng)依據(jù)。其中實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)原理二者是相輔相成、密不可分的關(guān)系，一切物理實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)都應(yīng)該圍繞著一定的物理實(shí)驗(yàn)原理展開。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃要充分符合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)儀器的要求，選擇最適合的操作方法，這樣才能從實(shí)驗(yàn)中獲得更加準(zhǔn)確的、具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可能會(huì)遇到一些要求精準(zhǔn)測(cè)量的數(shù)據(jù)，這就需要實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者將各種實(shí)驗(yàn)理念相融合，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行全方位的、科學(xué)合理的預(yù)測(cè)，并且提出針對(duì)性的解決方案。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想。

不論是演示實(shí)驗(yàn)、課外實(shí)驗(yàn)還是分組實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)儀器配備、操作、數(shù)據(jù)采集和分析等各個(gè)環(huán)節(jié)都蘊(yùn)藏著豐富的實(shí)驗(yàn)思想。比如，類比思想、替代思想、轉(zhuǎn)化思想、放大思想等，只有靈活運(yùn)用這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，才能設(shè)計(jì)出更加符合實(shí)驗(yàn)要求的、精巧具體、科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)。

二、電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.基本原則。

（1）安全性。電學(xué)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行通電，當(dāng)電路選擇不正確、實(shí)驗(yàn)儀器選擇不正確時(shí)都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器和人身安全產(chǎn)生威脅，儀器可能會(huì)損壞嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)人員也有遭受電擊的危險(xiǎn)。所以進(jìn)行電學(xué)實(shí)驗(yàn)，首先要保證實(shí)驗(yàn)的安全性和可靠性，保證實(shí)驗(yàn)儀器不受到損害，人身安全不受到威脅，這也是實(shí)驗(yàn)成功的基礎(chǔ)。

（2）科學(xué)性。電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一定能夠反映真實(shí)的物理本質(zhì)，實(shí)事求是，不能存在弄虛作假，保證實(shí)驗(yàn)原理的選擇無(wú)誤，實(shí)驗(yàn)操作準(zhǔn)確無(wú)誤，實(shí)驗(yàn)儀器選擇無(wú)誤。

（3）精確性。物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果追求精準(zhǔn)、具體、有價(jià)值，所以在電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就應(yīng)該追求精準(zhǔn)性，選用優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)儀器和最規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作，控制誤差，保證實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)度。因?yàn)殡妼W(xué)實(shí)驗(yàn)很多情況會(huì)因?yàn)橐恍┘?xì)微的因素產(chǎn)生誤差，這時(shí)實(shí)驗(yàn)人員需要對(duì)誤差進(jìn)行科學(xué)分析，做出最科學(xué)的解釋，也可以進(jìn)行多次反復(fù)測(cè)量，去平均值，保證實(shí)驗(yàn)誤差最小。

（4）便捷性。在保證安全性和精準(zhǔn)性的基礎(chǔ)上，應(yīng)該采用最為簡(jiǎn)便的、最容易操作的實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)操作方法。比如，在電路實(shí)驗(yàn)中，選用滑動(dòng)變阻器可以省去了更換電阻的操作，也可以有效控制電流。

（5）經(jīng)濟(jì)性。實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)該具有節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的意識(shí)，盡量選用節(jié)能環(huán)保綠色的實(shí)驗(yàn)材料，在合理范圍內(nèi)降低實(shí)驗(yàn)成本。

（6）趣味性。用于教學(xué)的電學(xué)物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)該符合趣味性原則，可以以學(xué)生在生活中常見的，或者親身經(jīng)歷、親眼看到的物理現(xiàn)象和物理原理為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，盡量選用生活中的實(shí)驗(yàn)素材，這樣更容易激發(fā)學(xué)生的探索欲望，主動(dòng)投入到實(shí)驗(yàn)中，也更容易理解其中的實(shí)驗(yàn)原理。

2.基本思路。

首先，根據(jù)實(shí)驗(yàn)探究的目的與所給條件，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，確定合適的實(shí)驗(yàn)原理，所需的器材及相應(yīng)的規(guī)格。其次，確定控制電路（分壓或限流）和測(cè)量電路（內(nèi)接或外接）。再次，根據(jù)器材的規(guī)格（電表的量程、內(nèi)阻等），確定是否要采用特殊的設(shè)計(jì)方法，如是否要改裝、擴(kuò)程、保護(hù)等，并思考如何減小或消除系統(tǒng)誤差。最后，統(tǒng)籌考慮各方面因素和條件，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟和操作流程。

三、創(chuàng)新高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的策略分析

1.運(yùn)用信息技術(shù)手段。

高中階段的物理電學(xué)的教學(xué)內(nèi)容更抽象、更復(fù)雜，難度也更大。在設(shè)計(jì)電學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，需要考慮的條件也更多。這就需要教師提前對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的原理和過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明，引導(dǎo)學(xué)生討論分析，建立電路模型，確定實(shí)驗(yàn)原理和控制電路。我們可以巧妙運(yùn)用多媒體設(shè)備落實(shí)可視化教學(xué)，通過(guò)展示圖片、動(dòng)畫、視頻、計(jì)算機(jī)采集與處理數(shù)據(jù)的方式使教材中的物理原理活起來(lái)，將抽象難懂的物理知識(shí)形象化、具體化，使學(xué)生可以更好地、更準(zhǔn)確地模擬電學(xué)實(shí)驗(yàn)情境，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的可能情況，設(shè)計(jì)出更加安全、精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，也可以在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

例如，在“科學(xué)測(cè)量：金屬絲的電阻率”實(shí)驗(yàn)中滑動(dòng)變阻器要用限流式接法，而在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實(shí)驗(yàn)中滑動(dòng)變阻器要用分壓式接法，分壓式接法與限流式接法在對(duì)電路的控制作用上有什么區(qū)別，基于實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c器材確定滑動(dòng)變阻器的接法，以及分壓式接法時(shí)滑動(dòng)變阻器的規(guī)格等等問(wèn)題都是教學(xué)的難點(diǎn)。我們可以運(yùn)用信息技術(shù)手段努力突破教學(xué)難點(diǎn)：如通過(guò)數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)軟件處理，探究“改變分壓器的電阻大小時(shí)被測(cè)電阻上的電壓變化情況”，作出相應(yīng)的曲線，得出“滑動(dòng)變阻器相對(duì)于被測(cè)電阻越小，被測(cè)電阻上得到的電壓圖線線性越好，越便于調(diào)節(jié)”的結(jié)論，這樣既便捷又有說(shuō)服力。

2.明確實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的。

明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖沁M(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，也是影響實(shí)驗(yàn)器材的選擇、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)方法的關(guān)鍵因素，所以我們應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，根據(jù)給出的提問(wèn)，思考為什么做、怎么做，理清實(shí)驗(yàn)思路，要求學(xué)生圍繞著實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理，選擇實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，這樣才能更好保證實(shí)驗(yàn)計(jì)劃是與實(shí)驗(yàn)原理相符合，是符合實(shí)驗(yàn)室規(guī)定的，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

例如，在進(jìn)行“科學(xué)測(cè)量：金屬絲的電阻率”的教學(xué)時(shí)，需要用“伏安法”測(cè)電阻。在學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃前，應(yīng)明確本實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)量金屬電阻率，且掌握螺旋測(cè)微器的測(cè)量原理和讀數(shù)方法，基本原理是歐姆定律和電阻定律，運(yùn)用的方法是伏安法測(cè)電阻。接下來(lái)，鼓勵(lì)學(xué)生圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路，明確求什么、測(cè)什么、怎么測(cè)、用什么測(cè)、怎么減小誤差等問(wèn)題，選擇實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路。圍繞著同樣測(cè)電阻的目的，教師也可以改變實(shí)驗(yàn)條件，如無(wú)合適量程的電流表，是否可以用兩個(gè)電壓表來(lái)測(cè)電阻，這一條件下，對(duì)電壓表有何特殊要求，所需的滑動(dòng)變阻器規(guī)格與接法又要做怎樣的改變，組織學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的“伏伏法”或“安安法”測(cè)電阻的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)原理的遷移培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

3.體會(huì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想。

每一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)都有其獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，成功的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者對(duì)已掌握的物理知識(shí)的靈活應(yīng)用能力和創(chuàng)造性思維。教學(xué)中應(yīng)分析領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，并在新的實(shí)驗(yàn)中遷移運(yùn)用。比如，替代是一種重要的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，用已知的變量去代替未知的變量，保證實(shí)驗(yàn)可以保持同樣的狀態(tài)和效果，從而得出待測(cè)量。替代實(shí)驗(yàn)需要通過(guò)一個(gè)中間載體將未知量與標(biāo)準(zhǔn)量建立起聯(lián)系，再通過(guò)把控精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)儀器，保證替代的等效性。此外還有圖表法、極限思維法、整體法等實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想。應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生在設(shè)計(jì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的時(shí)候，應(yīng)該根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，選擇合適的物理實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、邏輯分析能力和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

如圖，這是為了研究小燈泡伏安特性設(shè)計(jì)的一個(gè)電路（2020年高考全國(guó)Ⅱ卷），其中包含的設(shè)計(jì)思想是：實(shí)驗(yàn)未提供電壓表，已知內(nèi)阻的兩個(gè)電流表均可發(fā)揮電壓表的作用，但量程均小于小燈泡的額定電壓，所以要用電流表A1與定值電阻R0串聯(lián)改裝成合適量程的電壓表。同時(shí)因?yàn)楦难b的電壓表支路電流可讀，用I2-I1可得小燈泡的真實(shí)電流，從而消除“伏安法測(cè)電阻”中，電流表外接電壓表分流造成的系統(tǒng)誤差。這其中的“改裝替代”及“利用串并聯(lián)電路特點(diǎn)消除系統(tǒng)誤差”的設(shè)計(jì)思想，是值得深入分析并在具體的設(shè)計(jì)問(wèn)題中遷移運(yùn)用的。

同樣的，以“電阻的測(cè)量”為核心的測(cè)量方法有“伏安法”“伏伏法”“安安法”“替代法”“半偏法”“電橋法”等，每一種方法都包含深刻的設(shè)計(jì)思想，在明確設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展變化、包括相應(yīng)的誤差分析以及提高測(cè)量精度的改進(jìn)辦法，達(dá)到提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的目的。

4.改變實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)條件。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)條件的改變，設(shè)計(jì)符合要求的實(shí)驗(yàn)方案，有助于深化實(shí)驗(yàn)原理的理解，提升分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。

例如，在“科學(xué)測(cè)量：電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻”教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)的基本原理是閉合電路歐姆定律E＝U＋I(xiàn)r，式中U為路端電壓、I為經(jīng)過(guò)電源的電流，如果有電壓表、電流表，再加滑動(dòng)變阻器即可實(shí)現(xiàn)多次測(cè)量（此為伏安法）。從理論上說(shuō)只需測(cè)出U、I兩組數(shù)據(jù)，就能求得電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻，但顯然偶然誤差較大。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中是采用圖線法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)繪制電源的U-I圖像，所畫出圖線的延長(zhǎng)線與U軸的交點(diǎn)就等于電動(dòng)勢(shì)E，圖線斜率絕對(duì)值等于電源內(nèi)阻r。

“伏安法”測(cè)電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻有1、3兩種電路，通過(guò)“圖線修正法”（分別對(duì)應(yīng)圖2、圖4）分析可知，圖1電路誤差來(lái)源為電壓表分流，所測(cè)的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r均偏小。圖3電路誤差來(lái)源為電流表分壓，所測(cè)的電動(dòng)勢(shì)與真實(shí)值相等，所測(cè)的內(nèi)阻偏大，實(shí)際等于電源內(nèi)阻和電流表內(nèi)阻之和。

圖1

圖2

圖3

圖4

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件的變化，需要做不同的方案設(shè)計(jì)：

（1）若測(cè)量對(duì)象為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)阻較小的干電池，因其內(nèi)阻與電流表內(nèi)阻接近，為了減小測(cè)量相對(duì)誤差，應(yīng)采用圖1電路。

（2）若測(cè)量對(duì)象為內(nèi)阻較大的電池（如試題常見的水果電池），應(yīng)采用圖3電路，此時(shí)所測(cè)的電動(dòng)勢(shì)是準(zhǔn)確的，所測(cè)的內(nèi)阻雖偏大，但相對(duì)誤差很小。

（3）若圖1實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電壓表示值變化范圍很窄，這個(gè)問(wèn)題怎么解決？原因在于電源內(nèi)阻太小，可設(shè)計(jì)圖5電路解決。

圖5

（4）若未提供電壓表，為了解決測(cè)電壓的問(wèn)題，需將滑動(dòng)變阻器換成電阻箱，采用“安阻法”測(cè)量，設(shè)計(jì)如圖6電路，實(shí)驗(yàn)原理為E＝IR＋I(xiàn)r。實(shí)驗(yàn)的誤差來(lái)源仍為電流表分壓，故誤差情況與圖3電路相同。

圖6

圖7

綜上所述，電學(xué)實(shí)驗(yàn)是高中物理教學(xué)的重要組成部分，而實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是開展實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)和核心。在實(shí)施新教材培育學(xué)科核心素養(yǎng)的教育背景下，教師應(yīng)該摒棄以往的以教師為主體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，傳授正確的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，運(yùn)用信息技術(shù)手段分析數(shù)據(jù)，用多媒體設(shè)備演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的時(shí)候，應(yīng)該充分圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼归_，保證電學(xué)實(shí)驗(yàn)的安全性、便捷性、精準(zhǔn)性、可行性和經(jīng)濟(jì)性，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、邏輯分析能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。