借鑒多種版本教材優(yōu)勢(shì)，嘗試“電阻定律”創(chuàng)新教學(xué)

●施堅(jiān)

“電阻定律” 是高中物理一個(gè)重要的電路定律，國(guó)內(nèi)“人教版”、“魯教版”、“滬教版”和“粵教版”等多個(gè)版本對(duì)該內(nèi)容的處理方式和方法有著較為明顯的差異不盡相同。

一、多種版本教材的比較

首先，實(shí)驗(yàn)方案和電路的選擇上多種版本教材的指引詳略不一。 其中滬教版要求學(xué)生“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，擬定實(shí)驗(yàn)步驟”，列出了數(shù)據(jù)記錄表；人教版給出兩個(gè)探究方案，一個(gè)是實(shí)驗(yàn)探究方案，另一個(gè)是理論探究（邏輯推理）方案，其中實(shí)驗(yàn)探究方案給出了簡(jiǎn)要的實(shí)驗(yàn)方法， 而理論探究方案則顯得非常的消息；粵教版更是一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，只需學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)步驟操作即可；魯教版指引學(xué)生一步一步操作，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理。 相比較而言，滬教版和人教版顯得更為強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新、設(shè)計(jì)能力的挖掘， 其中人教版還注意到實(shí)驗(yàn)探究的局限性，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行理論探究。而粵教版和魯教版則似乎關(guān)注到了中學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究和創(chuàng)新的能力有限的現(xiàn)實(shí)，更多的是鼓勵(lì)學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，其中粵教版的指引最詳細(xì)， 包括諸多基本環(huán)節(jié)有： 提出問(wèn)題、猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析論證、評(píng)估和交流。

其次，多種版本教材對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理的方法的差異最為顯著，也從另一個(gè)側(cè)面體現(xiàn)了物理思維的靈活性和多樣性。滬教版教材電阻的測(cè)量采用多用電表，但沒(méi)有提供實(shí)驗(yàn)電路圖?；浗贪婧汪斀贪媸褂昧顺Ｒ?guī)的伏安法(如圖1)，而人教版教材則頗具創(chuàng)新的使用了串聯(lián)電路中的電壓比例法(如圖2)。而在長(zhǎng)度測(cè)量、 橫截面積的測(cè)量或者數(shù)據(jù)處理方法上多種版本教材都或多或少地比例法， 都有著追求最小實(shí)驗(yàn)繁瑣度的目標(biāo)， 其中魯教版的數(shù)據(jù)處理方法使用了圖像法。 而在教材的最后部分都對(duì)分析結(jié)論做了詳細(xì)的表述， 并對(duì)電阻率與溫度的關(guān)系做進(jìn)一步的介紹，只是側(cè)重點(diǎn)有所不同（如表1）。

表1

最后，多種版本教材在學(xué)生學(xué)科知識(shí)鋪墊上也有較大差異。 滬教版是在學(xué)習(xí)了“多用電表”，“探究電流、電壓和電阻的原因”兩部分內(nèi)容之后安排學(xué)習(xí)“電阻定律”，顯得知識(shí)點(diǎn)和規(guī)律的運(yùn)用比較自然?；浗贪婧汪斀贪姘才派蟿t顯得有些唐突， 或者安排在電路這一章第一節(jié)， 或者僅安排在電流概念的學(xué)習(xí)之后；人教版則是在學(xué)習(xí)了導(dǎo)體中的電場(chǎng)和電流、電動(dòng)勢(shì)、歐姆定律、串并聯(lián)、焦耳定律等5 節(jié)知識(shí)后學(xué)習(xí)“電阻定律”，但仍在多用表一節(jié)之前。

二、多種教材可借鑒之處分析

滬教版的實(shí)驗(yàn)探究最具開放性，無(wú)論是猜想和假設(shè)，還是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)操作步驟都由學(xué)生來(lái)完成，所以筆者在教學(xué)中大膽實(shí)踐滬教版的開放性學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究設(shè)計(jì)。人教版教材處理與中學(xué)教學(xué)最貼切，既兼顧長(zhǎng)度測(cè)量、橫截面積、電阻測(cè)量的方法等知識(shí)的全面掌握，也考慮了實(shí)驗(yàn)探究和理論探究的多樣性，并安排了探究活動(dòng)的體驗(yàn)方案，切合中學(xué)教學(xué)的實(shí)際，具有極強(qiáng)的可操作性，所以筆者在教學(xué)中主要借鑒人教版的教學(xué)思路。 粵教版教材從呈現(xiàn)的內(nèi)容來(lái)看是讓學(xué)生體驗(yàn)探究活動(dòng)， 它將實(shí)驗(yàn)探究的每一個(gè)環(huán)節(jié)，包括操作步驟都詳細(xì)地列出來(lái)，利于學(xué)生在系列的探究活動(dòng)中領(lǐng)悟和掌握實(shí)驗(yàn)探究的要領(lǐng)，但也有不利于學(xué)生自主和創(chuàng)新能力培養(yǎng)之嫌，所以筆者在教學(xué)中主要是在學(xué)生給出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案后， 教師通過(guò)學(xué)案或多媒體投影的形式指導(dǎo)學(xué)生詳細(xì)操作要領(lǐng)。

三、“電阻定律”創(chuàng)新教學(xué)過(guò)程

（一）引入

師：演示1 節(jié)南孚電池短接兩張剪有細(xì)窄條的錫箔紙，發(fā)現(xiàn)錫箔有燃燒的火星，甚至被點(diǎn)燃。如何解釋這一現(xiàn)象（如圖 3）？

目的：該情境的引入意在引起學(xué)生的好奇，引起認(rèn)知沖突，并引出課題：電阻定律。

（二）猜想

師：有哪些影響導(dǎo)體電阻的因素？

目的：?jiǎn)l(fā)學(xué)生猜想導(dǎo)體電阻的決定因素，鼓勵(lì)學(xué)生回憶初中知識(shí)，并適當(dāng)發(fā)散其他可能因素，而不局限于長(zhǎng)度、橫截面積、材料三個(gè)因素，為課堂結(jié)束時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生關(guān)注高新科技，比如超導(dǎo)、“巨磁電阻”效應(yīng)等，使物理課堂得到延伸。

（三）定性演示驗(yàn)證學(xué)生的猜想

裝置：水槽、兩塊銅片、一個(gè)帶有兩夾子的多用電表、鹽水、硫酸銅溶液（如圖4）。

現(xiàn)象：當(dāng)銅片也部分沒(méi)在鹽水中，向槽中繼續(xù)加鹽水時(shí)，可以明顯的看出歐姆表上的示數(shù)在變小。

解釋： 向槽中加鹽水引起了導(dǎo)體橫截面積的變大，說(shuō)明導(dǎo)體的橫截面積越大，電阻越小。

現(xiàn)象：當(dāng)兩銅板間距增大時(shí)，可以明顯的看出歐姆表上的示數(shù)在變大。 解釋：銅板間距增大就是導(dǎo)體變長(zhǎng)了，說(shuō)明導(dǎo)體的長(zhǎng)度越大時(shí)，電阻越大。 并要求同學(xué)記下當(dāng)時(shí)的阻值。

現(xiàn)象： 當(dāng)把鹽水更換為等體積的硫酸銅溶液， 電阻明顯不同，說(shuō)明與材料有關(guān)。

目的：讓學(xué)生體會(huì)猜想需要實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，而按照人類的認(rèn)知規(guī)律，應(yīng)該先是定性驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)都增加學(xué)生的定性感受，增加學(xué)生的物理體驗(yàn)和興趣度， 避免一上來(lái)就是冷冷的數(shù)據(jù)性實(shí)驗(yàn)。因?yàn)楣P者已前置安排多用電表及其應(yīng)用的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)探究并不顯得陌生。

（四）二次猜想

師：請(qǐng)大家猜想導(dǎo)體的電阻與長(zhǎng)度、橫截面積之間可能存在怎樣的定量關(guān)系呢？

目的：引導(dǎo)學(xué)生從長(zhǎng)度和橫截面積兩個(gè)角度猜想，即是 R∝L 還是 R∝L2或者 R∝L3，等等；是 R∝或者等等。 有了前面定性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，到此的二次猜想顯得自然而有據(jù)。

（五）定量探究實(shí)驗(yàn)

師：導(dǎo)體的電阻與幾個(gè)因素有關(guān)，那我們應(yīng)該使用什么方法進(jìn)行探究呢？ 并具體說(shuō)明探究方案。

目的：引導(dǎo)學(xué)生回憶討論某應(yīng)變量與其他多個(gè)變量間的關(guān)系時(shí)要使用控制變量法， 并能據(jù)此聯(lián)想到伏安法（圖1）或萬(wàn)用表測(cè)量法。

目的：讓學(xué)生靈活應(yīng)用前面剛學(xué)過(guò)的串并聯(lián)知識(shí)，聯(lián)想在串聯(lián)電路中電阻之比等于電壓之比(圖2)，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)測(cè)量，真正做到學(xué)以致用。

師：請(qǐng)同學(xué)們分成兩大組分別設(shè)計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄表（如表2），并簡(jiǎn)述測(cè)量步驟。

表2

目的：讓學(xué)生領(lǐng)悟和掌握實(shí)驗(yàn)探究的要領(lǐng)，教師并注意傾聽并予以悉心指導(dǎo)，比如實(shí)物展示電阻絲的串聯(lián)可以通過(guò)電阻板背面連接導(dǎo)線來(lái)實(shí)現(xiàn)器材的改良（圖5），和用學(xué)案或多媒體投影的形式呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)電路圖（圖6）和操作步驟。

師：除開同學(xué)們利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案外，還可以使用先進(jìn)的傳感器來(lái)完成探究。

目的：安排“用傳感器探究電阻定律”的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親身體會(huì)高科技應(yīng)用于物理教學(xué)的便捷，即用電壓、電流傳感器快速獲得各次實(shí)驗(yàn)的電壓、電流數(shù)據(jù)，并應(yīng)用傳感器附帶軟件或EXCEL 快速處理獲得電阻R 的數(shù)值以及1/D、1/D2等數(shù)值， 并繪制R_L（如圖 8）、R_D、R_1/D、R_1/D2的關(guān)系圖像。并通過(guò)測(cè)得數(shù)據(jù)的對(duì)比得出電阻R 與材料有關(guān)的結(jié)論。

師：繪制R_D 圖像后，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)有點(diǎn)像雙曲線的一支，但也有可能R_D2才是雙曲線的一支，我們需要更能說(shuō)明問(wèn)題的圖像來(lái)體現(xiàn)正、反比關(guān)系？當(dāng)然也有學(xué)生首先討論的即是R_D2圖像，因?yàn)榭赡苈?lián)想到截面積是

目的：讓學(xué)生體會(huì)數(shù)據(jù)處理中的圖像特征，尤其是說(shuō)明反比關(guān)系最好的方法設(shè)置變量的倒數(shù)，并通過(guò)過(guò)原點(diǎn)的直線的正比圖像來(lái)體現(xiàn)。 比如讓學(xué)生從R_D 聯(lián)想到R_1/D，而當(dāng)學(xué)生看到R_1/D 是一條過(guò)原點(diǎn)的類拋物線，比較容易想到離正確的結(jié)論不遠(yuǎn)了，完全可能去試探R_1/D2是不是一條過(guò)原點(diǎn)的直線（如）圖9。 探究的過(guò)程意在讓學(xué)生最終得出R_L和R_1/S 的結(jié)論，并寫出為比例系數(shù)）。

(六)理論探究

師：實(shí)驗(yàn)?zāi)茏屛覀儼l(fā)現(xiàn)很多物理規(guī)律，但有限的數(shù)據(jù)有其局限性，要讓結(jié)論更具說(shuō)服力和普遍性，需要理論驗(yàn)證，或者說(shuō)邏輯推理。

目的：培養(yǎng)學(xué)生對(duì)事物的辯證觀點(diǎn)，并用前面所學(xué)串并聯(lián)知識(shí)創(chuàng)造性地得出電阻定律規(guī)律， 教師最后把邏輯推理過(guò)程加以投影：

（1）將一根長(zhǎng)L 的導(dǎo)體均分為若干等份，等效于若干個(gè)電阻串聯(lián)，則R=R1+R2+R3+…Rn。

?

(2)將若干個(gè)完全相同的導(dǎo)體并在一起，等效于若干個(gè)相同電阻并聯(lián)，則

?

（七）電阻率

目的：讓學(xué)生聯(lián)想到材料是K 這個(gè)比例系數(shù)真正原因， 而物理意義顯然是不同的材料對(duì)電流有不同的阻礙能力，據(jù)此教師可引入電阻率的概念。

師：很多時(shí)候某種材料的電阻率并非確定不變，隨著材料所處環(huán)境的溫度、 電磁環(huán)境不同電阻率可能出現(xiàn)改變， 而金屬的電阻率隨溫度的改變我們通過(guò)一個(gè)傳感器實(shí)驗(yàn)來(lái)展示。

目的：通過(guò)傳感器電壓、電流采集器軟件每隔兩秒鐘自動(dòng)實(shí)時(shí)獲取加熱的金屬絲的電壓、 電流數(shù)據(jù)（如圖10），并使用傳感器軟件得出實(shí)時(shí)阻值（R=U/I）來(lái)體現(xiàn)溫度對(duì)金屬的電阻率的影響， 克服了以往燈泡亮暗的定性感受，轉(zhuǎn)化為定量數(shù)據(jù)更具說(shuō)服力。至此，投影各種材料溫度影響電阻率的表格，闡述標(biāo)準(zhǔn)電阻和電阻溫度計(jì)的由來(lái)。 并鼓勵(lì)學(xué)生課后關(guān)注和收集有關(guān)超導(dǎo)、半導(dǎo)體、巨磁，阻的相關(guān)材料，更多地了解各種材料的電阻率及其影響因素， 并投影相關(guān)網(wǎng)址，讓課堂得到延伸和拓展。