設計探究實驗 培養(yǎng)思維能力
——以“探究電感和電容對交變電流的影響”為例

胡 佳 陳志軍

(1. 安徽省績溪縣適之中學，安徽 宣城 245300； 2. 安徽省績溪中學，安徽 宣城 245300)

1 問題的提出

人教版教材中“電感和電容對交變電流的影響”一節(jié)主要討論簡單的交流電路中電感、電容元件對交流電路的影響，這一節(jié)內容放在正弦式交流電的產(chǎn)生和描述等的學習之后，可以突出交變電流和恒定電流的區(qū)別，有利于加深學生對交變電流特點的認識。[1]教材針對直流電和交流電能否通過電感器和電容器給出了實驗電路，但對于電感器和電容器對交流電是否有阻礙作用、電感器和電容器對交流電阻礙作用的大小與什么因素有關，沒有給出實驗設計，也沒有提及用什么科學研究方法進行探究，而是直接給出結論，導致學生在學習過程中不能理解，只能死記硬背，對學生的思維能力、探究能力、活動設計能力以及創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)造成了較大的限制。在教學中設計和改進探究電容器和電感器對交變電流的影響實驗，自制實驗探究電路板，運用控制變量法，通過演示實驗、探究實驗、理論分析、歸納討論，突破教學重點和難點，有效解決了學生理解模糊的學習難題，提升他們的科學思維和科學探究能力。

2 實驗設計與意圖

2.1 電容器對交變電流的影響

問題1：直流電能否通過電容器？交流電能否通過電容器？

學生猜想：直流電不能通過電容器，交流電能通過電容器。

實驗探究1：如圖1所示，師生設計制作實驗探究電路板，將兩個不同的電容器與兩個相同的小燈泡分別串聯(lián)后接入電路，取其中一路，電路如圖2所示，先把它們接到直流電源上，觀察燈泡是否發(fā)光，再用導線將電容器短路，觀察燈泡是否發(fā)光；再把它們接到交流電源上，觀察燈泡是否發(fā)光。實驗中取直流電源的電壓與交流電壓的有效值相等。

圖1

圖2

設計意圖：師生設計、制作實驗探究電路板，培養(yǎng)學生將物理與生活相聯(lián)系、理論與實踐相結合的能力，并通過問題引導學生猜想、思考并設計實驗。在接直流電時，學生因學過電容器知識，很自然得出直流電不能通過電容器的結論，此時可提出問題：燈泡不亮，會不會是電源故障或導線接觸不良？你怎么排查？引導學生提出將電容器短路、觀察燈泡是否變亮的思路，并進行推理論證，以促進深度學習，提升思維能力。

問題2：電容器對交流電是否有阻礙作用？

實驗探究2：如圖3所示，電容器與小燈泡串聯(lián)，把它們接到交流電源上，再用導線將電容器短路，觀察燈泡的亮度變化情況。

圖3

設計意圖：在實驗探究1的啟示下，引導學生將電容器短路、比較燈泡的亮度變化來確定是否有阻礙作用培養(yǎng)學生的分析推理和實驗設計能力。

問題3：電容器對交流電阻礙作用的大小與什么因素有關？

實驗探究3：探究影響容抗大小的因素，采用控制變量法。

(1) 交流電的頻率一定，改變電容器的電容

如圖4所示，交流電的電壓為6 V，頻率為50 Hz，將電容為470 μF和1 000 μF的兩個不同電容器，分別與規(guī)格為“6 V 0.7 A”的兩個相同的小燈泡串聯(lián)，再并聯(lián)接到交流電源上。比較兩個燈泡的亮度，根據(jù)實驗現(xiàn)象完成表1。

圖4

表1

(2) 電容器的電容一定，改變交流電的頻率

如圖4所示，撤去其中一個支路，保留電容為470 μF的支路，接通交流電源，保持交流電壓為6 V，改變交流電的頻率，分別調為50 Hz、60 Hz、100 Hz、200 Hz，比較燈泡的亮度變化情況，根據(jù)實驗現(xiàn)象完成表2。

表2

設計意圖：按照交流電能通過電容器、電容器對交流電有阻礙作用、電容器對交流電的阻礙作用與什么因素有關的順序進行探究，符合學生的認知規(guī)律，在探究的過程中引導學生猜想，并采用控制變量法設計探究實驗3，通過觀察到的實驗現(xiàn)象(與較大電容的電容器串聯(lián)的燈泡比較亮；頻率越大，燈泡越亮)，學生討論、交流、總結得出電容器的作用以及影響容抗大小的因素，得出結論：交流電頻率越大容抗越小、電容越大容抗越小。

2.2 電感器對交變電流的影響

基于前面電容器對交變電流的影響實驗設計的基礎，與之類似，仍然按照交流電能否通過電感器、電感器對交流電是否有阻礙作用、電感器對交流電的阻礙作用與什么因數(shù)有關的順序進行探究，將電感器與小燈泡串聯(lián)，接到交流電源上，觀察燈泡的亮暗情況，再用導線將電感器短路，觀察燈泡的亮度變化情況，引導學生通過電感器被短路后燈泡更亮的實驗現(xiàn)象，得出結論：電感器對交變電流有阻礙作用，進而提出感抗的概念，并提出問題：影響感抗大小的因素有哪些？學生進行猜想，同樣，采用控制變量法探究影響感抗大小的因素，設計交流電的頻率一定、改變電感和電感一定、改變交流電的頻率兩種實驗進行探究，學生動手繞好圈數(shù)不同的帶鐵芯的電感，分別與規(guī)格為“6 V 0.7 A”的小燈泡串聯(lián)，再并聯(lián)接入交流電路，比較燈泡的亮暗情況；再選擇其中一個支路，保持電感一定，改變交流電的頻率，分別調節(jié)為50 Hz、60 Hz、100 Hz、200 Hz，觀察燈泡的亮度，學生通過探究實驗，討論、交流、總結電感器的作用以及影響感抗大小的因素。

3 實驗探究教學反思

3.1 以問題驅動實驗探究

在課堂教學中，教師通過問題引導學生對新知識進行定位，引發(fā)學生猜想，啟發(fā)教學與情境創(chuàng)設相結合，指導學生對研究的問題進行分析討論，提出開放性的問題：如何驗證？如何避免？如何推理？如何解決？結合探究實驗，引導學生對情境現(xiàn)象進行觀察、描述、解釋、討論、再解釋、評價，激發(fā)學生學習興趣，提高學生的科學思維和探究能力，培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)。

3.2 推理論證與實踐相結合，自制實驗探究電路板

通過推理分析設計實驗，自制實驗探究電路板，結合實驗現(xiàn)象再進行推理、分析、論證、歸納、總結，使學生體驗“分析——實踐——總結”的探究過程，將推理論證與實驗相結合，鍛煉學生的動手能力，體驗科學探究過程，促進學生認知的發(fā)展。

3.3 聚焦科學方法，提升思維品質

思維品質主要包括深刻性、靈活性、批判性、獨創(chuàng)性和敏捷性五個方面，教學中教師要引導學生針對問題全面、深入地進行分析，進行整體綜合判斷，運用已有的經(jīng)驗和知識體系從不同角度、不同方向、不同深度去思考問題，運用控制變量、圖像等方法，借助探究實驗和信息技術多角度解決問題，強化拓展探究，做到從分析到綜合，再從綜合到分析，提高學生的科學思維能力和創(chuàng)新能力。[2]