反思與改進(jìn)“探究影響導(dǎo)體電阻大小的因素”

劉 征，陳 謙

1.清華大學(xué)附屬中學(xué)管莊學(xué)校，北京 100024

2.北京市朝陽(yáng)區(qū)教育研究中心，北京100021

科學(xué)思維素養(yǎng)的發(fā)展常以實(shí)驗(yàn)為載體，這就需要教師對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深度挖掘，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)內(nèi)在的價(jià)值。雖然教材為教師開展教學(xué)提供了重要參考，但教師絕不能簡(jiǎn)單地按照教材照本宣科，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行研學(xué)、反思、整合、創(chuàng)新等。本文以人教版九年級(jí)“電阻”這節(jié)課中“探究影響導(dǎo)體電阻大小的因素”的教學(xué)環(huán)節(jié)為例，對(duì)其進(jìn)行反思與改進(jìn)。

1 傳統(tǒng)教學(xué)中的常見問(wèn)題

1.1 觀點(diǎn)前后矛盾

科學(xué)思維的基本原則之一為不矛盾原則，科學(xué)思維需要前后一致，不能自相矛盾。在學(xué)習(xí)“電阻”這節(jié)課時(shí)電阻還無(wú)法直接測(cè)量，需把其轉(zhuǎn)換成對(duì)電流的測(cè)量，通過(guò)比較電流的變化來(lái)判斷電阻的變化。部分教師認(rèn)為，通過(guò)導(dǎo)體的電流越小就可以說(shuō)明導(dǎo)體的電阻越大，這樣的觀點(diǎn)與后續(xù)學(xué)習(xí)“電流與電壓和電阻的關(guān)系”形成矛盾，會(huì)造成學(xué)生思維的混亂。由于學(xué)生在學(xué)習(xí)“電阻”這節(jié)課前已經(jīng)有了“電流與電壓有關(guān)”的知識(shí)背景，所以想通過(guò)電流的變化來(lái)判斷電阻的變化需增加對(duì)其兩端電壓的分析。

1.2 論證過(guò)程不清

在探究鎳鉻絲“電阻與長(zhǎng)度”的關(guān)系時(shí)，教學(xué)過(guò)程中往往只通過(guò)圖1表格中前三行的數(shù)據(jù)直接得出結(jié)論：在金屬絲的材料和橫截面積一定時(shí)，金屬絲的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，電阻越大。這樣的論證忽視了演繹推理的過(guò)程。通過(guò)數(shù)據(jù)只能歸納出“電流與長(zhǎng)度的關(guān)系”，想要得出“電阻與長(zhǎng)度的關(guān)系”，還需經(jīng)歷演繹推理。為了讓學(xué)生更好地經(jīng)歷歸納推理過(guò)程和演繹推理過(guò)程，論證過(guò)程可如圖1所示。

圖1 直徑0.5 mm鎳鉻絲的電阻與長(zhǎng)度關(guān)系的論證過(guò)程

1.3 理論與實(shí)際情況不符

為了控制金屬絲兩端的電壓相等，人教版教材采用了如圖2所示的實(shí)物圖來(lái)探究影響導(dǎo)體電阻大小的因素［1］。由于電流表的電阻可忽略不計(jì)，所以電路中的用電器只剩金屬絲，當(dāng)更換金屬絲后，金屬絲兩端的電壓等于電源兩端的電壓，這樣就可以通過(guò)電流的變化來(lái)判斷電阻的變化。但實(shí)際數(shù)據(jù)卻與這種理想情況嚴(yán)重不符。如圖3為學(xué)生的配套實(shí)驗(yàn)器材，經(jīng)測(cè)量，康銅絲的電阻約為1.3 Ω，碳鋼絲的電阻約為0.6 Ω，鎳鉻絲的電阻約為2.8 Ω。在如圖2所示的實(shí)物圖的基礎(chǔ)上把電壓表并聯(lián)在金屬絲兩端，分別接入這三根金屬絲后，電壓值為1.5 V、0.9 V、2.1 V，就算利用穩(wěn)壓電源代替電池所對(duì)應(yīng)的電壓值相差仍然很大。經(jīng)測(cè)量，每根導(dǎo)線的電阻約為0.3 Ω，金屬絲的電阻沒(méi)有遠(yuǎn)大于導(dǎo)線的電阻，這導(dǎo)致更換不同金屬絲后金屬絲兩端電壓不能相等。

圖2 探究影響導(dǎo)體電阻大小的因素的實(shí)物圖

圖3 探究影響導(dǎo)體電阻大小的因素的實(shí)驗(yàn)器材

2 教學(xué)過(guò)程改進(jìn)

2.1 經(jīng)歷操作定義的過(guò)程

當(dāng)變量不容易測(cè)量時(shí)，可對(duì)該變量進(jìn)行操作定義［2］。操作定義是指如何測(cè)量某個(gè)特定變量的具體操作說(shuō)明，注重操作程序和測(cè)量指標(biāo)。由于電阻不可直接測(cè)量，但通過(guò)前面的實(shí)驗(yàn)和電阻的引入，學(xué)生清楚了“電流不僅與電壓有關(guān)，還與電阻有關(guān)”，于是可推理出“在電壓一定時(shí)，電阻越大，電流越小”。這樣就可對(duì)電阻進(jìn)行操作定義：在金屬絲兩端的電壓相等時(shí)，電流越小，可說(shuō)明金屬絲的電阻越大。這時(shí)可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考：選擇圖4和圖5哪個(gè)實(shí)驗(yàn)方案來(lái)比較金屬絲電阻的大小更好呢？并說(shuō)明選擇的依據(jù)。部分學(xué)生選擇圖5的依據(jù)是圖4中燈泡亮度變化較小時(shí)，無(wú)法判斷電流的大小；部分學(xué)生選擇圖4的依據(jù)是燈泡對(duì)電路有保護(hù)作用。除此之外，還應(yīng)從電阻操作定義的操作程序出發(fā)來(lái)引導(dǎo)學(xué)生思考。在“電阻”這節(jié)課前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“串并聯(lián)電路中電壓的規(guī)律”，可判斷出當(dāng)圖4中金屬絲發(fā)生變化時(shí)，金屬絲兩端的電壓可能會(huì)發(fā)生變化。這點(diǎn)與電阻操作定義的操作程序中“需控制其兩端的電壓相等”矛盾；而圖5與學(xué)生認(rèn)知的“只有一個(gè)用電器的電路中，用電器兩端的電壓等于電源兩端的電壓”觀點(diǎn)相符，所以選擇圖5。這也揭示了為什么教材中引入電阻時(shí)的電路圖為圖4，而實(shí)驗(yàn)中的電路圖為圖5。在此過(guò)程中加深了學(xué)生對(duì)操作定義的理解，發(fā)展了科學(xué)思維素養(yǎng)。

圖4 探究影響導(dǎo)體電阻大小的因素的電路圖一

圖5 探究影響導(dǎo)體電阻大小的因素的電路圖二

2.2 通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，修改操作定義，經(jīng)歷論證全過(guò)程

這里，學(xué)生理所當(dāng)然地認(rèn)為圖5中A、B兩端的電壓等于電源兩端的電壓。在常規(guī)教學(xué)中，雖然教師們也會(huì)懷疑當(dāng)改變金屬絲時(shí)，A、B兩端的電壓是否真的相等。但為了教學(xué)的流暢性，教師也不會(huì)用電壓表測(cè)量A、B兩端的電壓，這樣的治學(xué)態(tài)度不利于科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)的發(fā)展。為了論證的嚴(yán)謹(jǐn)，如圖6所示，在A、B兩端并聯(lián)一個(gè)電壓表，記錄電壓的數(shù)值。

圖6 探究影響導(dǎo)體電阻大小的因素的改進(jìn)電路圖

以探究鎳鉻絲“電阻與長(zhǎng)度”的關(guān)系為例，數(shù)據(jù)如表1所示。通過(guò)數(shù)據(jù)可以歸納出：在金屬絲的材料和橫截面積一定時(shí)，金屬絲的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，電壓越大，電流越小。但由于金屬絲兩端的電壓發(fā)生了變化，不滿足電阻操作定義的程序，所以無(wú)法演繹推理出電阻與長(zhǎng)度的關(guān)系。有的教師可能想到利用串聯(lián)滑動(dòng)變阻器來(lái)控制A、B兩端的電壓不變，但“滑動(dòng)變阻器”是“電阻”這節(jié)課之后的內(nèi)容，引入滑動(dòng)變阻器會(huì)給學(xué)生帶來(lái)新的障礙。這時(shí)似乎進(jìn)入了死局，如果金屬絲兩端的電壓不能控制不變，就無(wú)法利用電流的變化來(lái)反映電阻的變化。

表1 直徑0.5 mm鎳鉻絲的電阻與長(zhǎng)度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

這里想要破局則需更新觀念，控制“控制變量”相等是研究多變量問(wèn)題的最優(yōu)路徑，但并不是唯一路徑［3］。當(dāng)控制變量無(wú)法相等時(shí)，可利用數(shù)據(jù)和科學(xué)推理來(lái)分析因變量與自變量之間的關(guān)系。

先引導(dǎo)學(xué)生梳理知識(shí)背景：

（1）在電阻一定時(shí)，電壓越大，電流越大。

（2）在電壓一定時(shí)，電阻越大，電流越小。

通過(guò)表1的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬絲兩端的電壓變大時(shí)，通過(guò)金屬絲的電流卻變小了，由知識(shí)背景（1）（2）可判斷出：電流與電壓正相關(guān)；電流與電阻負(fù)相關(guān)。綜上進(jìn)行科學(xué)推理：當(dāng)電壓變大時(shí)，只有電阻也變大，才能讓電流變小。根據(jù)數(shù)據(jù)和推理可判斷：當(dāng)金屬絲兩端的電壓變大，電流變小時(shí)，金屬絲的電阻變大。這時(shí)就需要對(duì)之前電阻的操作定義進(jìn)行修改：當(dāng)金屬絲兩端的電壓越大、電流越小時(shí)，可說(shuō)明金屬絲的電阻越大。在經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)真實(shí)問(wèn)題、修改操作定義的過(guò)程中，由于“控制變量必須相等”這種思想已經(jīng)根深蒂固，所以此過(guò)程既是對(duì)學(xué)生的挑戰(zhàn)，也是對(duì)教師的挑戰(zhàn)。論證全過(guò)程如圖7所示。探究“電阻與材料、橫截面積”的關(guān)系與之類似，這里不予贅述。

圖7 直徑0.5 mm鎳鉻絲的電阻與長(zhǎng)度關(guān)系的論證過(guò)程

2.3 為發(fā)展科學(xué)思維提供土壤

在“探究影響導(dǎo)體電阻大小的因素”時(shí)，經(jīng)常有學(xué)生提出這樣的問(wèn)題：導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體兩端的電壓是否有關(guān)？有的教師往往會(huì)用“導(dǎo)體的電阻是導(dǎo)體本身的一種性質(zhì)”來(lái)規(guī)避這個(gè)提問(wèn)，但這樣的處理方式并不妥當(dāng)。因?yàn)椤皩?dǎo)體的電阻是導(dǎo)體本身的一種性質(zhì)”是通過(guò)“導(dǎo)體的電阻與材料、長(zhǎng)度和橫截面積有關(guān)”歸納出來(lái)的。偉大的物理學(xué)家愛因斯坦也曾說(shuō)過(guò)：“對(duì)權(quán)威的盲目尊重是真理的最大敵人”。這樣的處理方式將會(huì)扼殺學(xué)生對(duì)未知事物追求的欲望，阻礙其創(chuàng)新思維的發(fā)展。

其實(shí)，這個(gè)道理大多數(shù)教師都很清楚。在如表2所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，當(dāng)電壓改變時(shí)，電流也發(fā)生了變化，通過(guò)推理可能會(huì)向“電阻與電壓”有關(guān)的方向發(fā)展。這并不是教師想看到的，以至于教師常常出此下策。這里想要做實(shí)驗(yàn)，但又不能得出“電阻與電壓有關(guān)”的結(jié)論，需對(duì)電阻的操作定義進(jìn)行剖析。

表2 鎳鉻絲的電阻與電壓關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

探究“導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體兩端的電壓是否有關(guān)”的電路圖如圖8所示，這里的電源選擇學(xué)生電源，電阻選擇長(zhǎng)度為0.5 m、直徑為0.5 mm的鎳鉻絲，當(dāng)電源電壓分別為1.5 V、3 V、4.5 V時(shí)記錄的數(shù)據(jù)如表2所示。

圖8 探究導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體兩端的電壓關(guān)系的電路圖

之前對(duì)電阻的操作定義有兩個(gè)：

（1）金屬絲兩端的電壓相等，電流越小時(shí)，說(shuō)明金屬絲的電阻越大；

（2）金屬絲兩端的電壓越大，電流越小時(shí)，說(shuō)明金屬絲的電阻越大。

通過(guò)數(shù)據(jù)可以歸納出：在金屬絲的材料、橫截面積和長(zhǎng)度一定時(shí)，金屬絲兩端的電壓越大，電流越大。但由于數(shù)據(jù)不滿足電阻操作定義中的任何一個(gè)，無(wú)法進(jìn)行演繹推理。這時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考，能不能根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)電阻進(jìn)行新的操作定義呢？比如，在金屬絲兩端的電壓越大、電流越大時(shí)，說(shuō)明金屬絲的電阻越大。根據(jù)背景知識(shí)不難論證出這種操作定義是錯(cuò)誤的，因?yàn)楫?dāng)金屬絲電阻變大、變小或不變時(shí)，都可能出現(xiàn)金屬絲兩端的電壓變大、電流也變大的情況。綜上所述，根據(jù)數(shù)據(jù)無(wú)法判斷導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體兩端的電壓是否有關(guān)，這個(gè)探究活動(dòng)可在學(xué)習(xí)完歐姆定律后繼續(xù)探究。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在“探究影響導(dǎo)體電阻大小的因素”的論證過(guò)程中，突出了歸納推理和演繹推理，論證邏輯更為清晰。在真實(shí)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)不符時(shí)，修改電阻操作定義的過(guò)程對(duì)學(xué)生的挑戰(zhàn)很大，用時(shí)也很多，但這與傳統(tǒng)教學(xué)相比，能更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生把“變量中不可測(cè)量轉(zhuǎn)換成可測(cè)量”的能力。對(duì)比改進(jìn)方案，傳統(tǒng)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)和論證過(guò)程更為簡(jiǎn)單，在實(shí)際教學(xué)中仍然具有重要意義。