運(yùn)用DIS探究“導(dǎo)體的伏安特性”教學(xué)設(shè)計(jì)

張建國(guó)

摘 要：本研究分為3部分：1.采用傳感器和DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）獲取導(dǎo)體的伏安特性曲線，完成采用傳統(tǒng)教學(xué)手段一課時(shí)不可能實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)！2.本節(jié)課設(shè)計(jì)了四個(gè)探究環(huán)節(jié)：（1）描繪金屬導(dǎo)體伏安特性曲線；（2）線性元件與歐姆定律；（3）描繪小燈泡（二極管）的伏安特性曲線；（4）非線性元件、非線性伏安特性曲線的理解與應(yīng)用。3.本節(jié)課采用小組合作形式，通過多媒體教學(xué)網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)共享實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：歐姆定律；教學(xué)設(shè)計(jì)；傳感器；DIS 線性元件；非線性元件；伏安特性；屏幕廣播

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）6-0073-6

1 教學(xué)內(nèi)容分析

（1）教材分析：“人教版”高中物理（選修3-1）第二章《恒定電流》中的第3節(jié)《歐姆定律》，教材首先回顧了初中學(xué)過的電阻的定義式及歐姆定律，然后重點(diǎn)闡述了導(dǎo)體的伏安特性，并分別描繪了小燈泡、半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線，對(duì)比了它們的導(dǎo)電性能。

（2）《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求：①觀察并嘗試識(shí)別常見的電路元器件，初步了解它們?cè)陔娐分械淖饔?；②分別描繪電爐絲、小燈泡、半導(dǎo)體二極管的I-U特性曲線，對(duì)比它們導(dǎo)電性能的特點(diǎn)。

2 教學(xué)對(duì)象分析

（1）學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)習(xí)過的電阻的測(cè)量、電壓的調(diào)節(jié)等電路的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，為本節(jié)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)；

（2）初中已經(jīng)學(xué)習(xí)過的歐姆定律基礎(chǔ)知識(shí)，為歐姆定律的深化理解起了鋪墊作用；

（3）學(xué)生具備了一定的探究能力、邏輯思維能力和歸納演繹能力。

3 教學(xué)目標(biāo)

3.1 知識(shí)與技能

（1）了解線性元件及其特點(diǎn)；

（2）理解歐姆定律及其適用條件；

（3）了解非線性元件及其特點(diǎn)。

3.2 過程與方法

（1）通過親歷“導(dǎo)體伏安特性曲線”描繪的全過程，進(jìn)一步熟知科學(xué)探究的各環(huán)節(jié)；

（2）通過描繪導(dǎo)體伏安特性曲線，體會(huì)圖線法在物理學(xué)中的作用；

（3）初步掌握傳感器、DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）的操作和使用方法。

3.3 情感態(tài)度與價(jià)值觀

（1）通過使用傳感器和DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)），增強(qiáng)數(shù)字化、信息化科學(xué)意識(shí)；

（2）通過與同學(xué)的討論、交流、合作，提高學(xué)生主動(dòng)與他人合作的意識(shí)；

（3）通過多媒體教學(xué)網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)共享實(shí)驗(yàn)結(jié)果，享受分享和成功帶來的喜悅、提高學(xué)生合作共享意識(shí)。

4 教學(xué)重點(diǎn)

（1）線性元件與歐姆定律

（2）線性伏安特性曲線的理解與應(yīng)用

5 教學(xué)難點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與電路連接、DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）的使用；

（2）非線性伏安特性曲線的理解與應(yīng)用。

6 教學(xué)策略設(shè)計(jì)

6.1 《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求

（1）觀察并嘗試識(shí)別常見的電路元器件，初步了解它們?cè)陔娐分械淖饔茫?/p>

（2）分別描繪電爐絲、小燈泡、半導(dǎo)體二極管的I-U特性曲線，對(duì)比它們導(dǎo)電性能的特點(diǎn)。

這是采用傳統(tǒng)的教學(xué)手段一課時(shí)不可能實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)！而采用傳感器和DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）獲取導(dǎo)體的伏安特性曲線，利用現(xiàn)代化信息技術(shù)，不僅大大提高了課堂教學(xué)效率，而且增強(qiáng)了學(xué)生數(shù)字化、信息化科學(xué)意識(shí)。

6.2 本節(jié)課設(shè)計(jì)了四個(gè)探究環(huán)節(jié)

（1）探究環(huán)節(jié)一：描繪金屬導(dǎo)體（合金絲繞成的5 Ω、10 Ω電阻）伏安特性曲線

該環(huán)節(jié)包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、電路連接、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)的圖線法處理，得出金屬導(dǎo)體的伏安特性曲線是“過原點(diǎn)的直線”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。其中，包含了科學(xué)探究的“提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)收集、分析論證、結(jié)論評(píng)估”諸多環(huán)節(jié)，使學(xué)生進(jìn)一步熟知科學(xué)探究的各環(huán)節(jié)。

（2）探究環(huán)節(jié)二：線性元件與歐姆定律

（3）探究環(huán)節(jié)三：描繪小燈泡（二極管）的伏安特性曲線

（4）探究環(huán)節(jié)四：非線性元件與非線性伏安特性曲線的理解與應(yīng)用

其中，環(huán)節(jié)一、三均采用兩組差異化的實(shí)驗(yàn)器材——合金絲繞成的5 Ω與10 Ω電阻，小燈泡與二極管。這樣設(shè)計(jì)，既提高了實(shí)驗(yàn)效率，又使實(shí)驗(yàn)具有了普遍性。而通過尋找兩組不同曲線的異同，又能自然總結(jié)出線性元件、非線性元件的概念和特點(diǎn)。

6.3 本節(jié)課采用小組合作形式

使學(xué)生通過與同學(xué)的討論、交流、合作，提高學(xué)生主動(dòng)與他人合作的意識(shí)；通過多媒體教學(xué)網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)共享實(shí)驗(yàn)結(jié)果，享受分享和成功帶來的喜悅，提高學(xué)生合作共享意識(shí)。

7 教學(xué)設(shè)備

25組描繪導(dǎo)體伏安特性曲線器材、“友高”數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、多媒體教學(xué)網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)、多媒體課件展示、實(shí)物投影儀、半波全波整流、濾波線路板。

8 教學(xué)過程

引入新課

【教師】

實(shí)物投影：整流、濾波線路板，介紹元件、功能。

引入課題：該線路板為何能實(shí)現(xiàn)如此神奇的功能呢？那就要求設(shè)計(jì)者對(duì)各元件的性能非常了解，而導(dǎo)體的伏安特性就是其中一項(xiàng)重要的性能。

【學(xué)生】

觀察、思索、好奇、興奮。

【設(shè)計(jì)說明】

激發(fā)學(xué)生研究導(dǎo)體伏安特性的興趣。

新課教學(xué)

探究環(huán)節(jié)一：描繪金屬導(dǎo)體伏安特性曲線

（一）提出問題

【教師】

（1）今天我們就首先探究金屬導(dǎo)體（合金絲繞成的5 Ω、10 Ω電阻）的伏安特性。

（2）劃分四個(gè)研究小組，每組六臺(tái)電腦。

【學(xué)生】

熟悉小組成員，選出小組長(zhǎng)。

【設(shè)計(jì)說明】

小組合作。

（二）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

（1）方案設(shè)計(jì)

【教師】

導(dǎo)體的伏安特性曲線——用橫軸表示電壓U，縱軸表示電流I，畫出的I-U圖線叫做導(dǎo)體的伏安特性曲線。

注意解決三個(gè)問題：

①如何測(cè)量導(dǎo)體的電流、電壓？

②如何改變導(dǎo)體的電流、電壓？

③怎樣描繪導(dǎo)體的伏安特性曲線？

【學(xué)生】

分組討論：

①達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康乃璧膶?shí)驗(yàn)器材；

②畫出實(shí)驗(yàn)電路圖、概述實(shí)驗(yàn)方案。

【設(shè)計(jì)說明】

①提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力；

②利用學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)習(xí)過的電阻的測(cè)量、電壓的調(diào)節(jié)等電路的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。

（2）方案論證

【學(xué)生】

小組長(zhǎng)說明實(shí)驗(yàn)器材。

【教師】

展示實(shí)驗(yàn)器材實(shí)物圖（圖1）。

【學(xué)生】

小組長(zhǎng)投影實(shí)驗(yàn)電路、簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)方案。

【教師】

展示實(shí)驗(yàn)電路（圖2）。

（3）方案改進(jìn)

【教師】

在數(shù)字化時(shí)代，我們利用電壓傳感器、電流傳感器替代電壓表、電流表，利用“友高”數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)替代手工記錄和坐標(biāo)紙來完成此實(shí)驗(yàn)探究（圖3）。

【學(xué)生】

閱讀《描繪導(dǎo)體伏安特性曲線》操作指南。

【設(shè)計(jì)說明】

采用傳感器和DIS，提高效率，完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材不可能完成的任務(wù)。

（三）數(shù)據(jù)收集

（1）分組實(shí)驗(yàn)

【學(xué)生】

分組實(shí)驗(yàn)：1、2組10 Ω電阻；3、4組5 Ω電阻，同組成員相互協(xié)作。

【教師】

①指導(dǎo)學(xué)生打開軟件、實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、傳感器調(diào)零，按操作指南要求收集數(shù)據(jù)、保存實(shí)驗(yàn)，暫不關(guān)閉等待分享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖4）。

②巡回指導(dǎo)。

④利用多媒體網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)了解各組實(shí)驗(yàn)進(jìn)度情況。

（2）成果分享

【教師】

通過廣播系統(tǒng)向全體同學(xué)展示4個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

【學(xué)生】

觀察、對(duì)比。

【設(shè)計(jì)說明】

采用兩組差異化的實(shí)驗(yàn)器材，既提高了實(shí)驗(yàn)效率，又使實(shí)驗(yàn)具有了普遍性。而通過尋找兩組不同圖線的異同，又能自然總結(jié)出線性元件的概念。

（四）結(jié)論評(píng)估

【教師】

請(qǐng)分析兩圖線的異同。

【學(xué)生】

（1）兩圖線均為過原點(diǎn)的直線——線性元件。

（2）兩圖線的斜率不同——電阻值不相等。

探究環(huán)節(jié)二：線性元件與歐姆定律

（一）線性元件

【教師】

（1）金屬導(dǎo)體的伏安特性曲線是通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，具有這種伏安特性的元件稱為線性元件。

那么，線性元件有什么特點(diǎn)呢？

【學(xué)生】

觀察、思考后回答。

（2）通過同一線性元件的電流強(qiáng)度與加在導(dǎo)體兩端的電壓成正比。

【教師】

展示兩個(gè)電阻的伏安特性曲線（圖5）。

【學(xué)生】

觀察、思考后回答。

（3）電壓一定時(shí)，通過導(dǎo)體的電流強(qiáng)度與導(dǎo)體本身的電阻成反比。

【教師】

線性元件這兩大特點(diǎn)你聯(lián)想到哪條規(guī)律？

【學(xué)生】

齊答：歐姆定律。

【設(shè)計(jì)說明】

線性元件與歐姆定律兩知識(shí)點(diǎn)自然銜接。

（二）歐姆定律

【教師】

內(nèi)容：通過導(dǎo)體的電流強(qiáng)度跟加在導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟導(dǎo)體本身的電阻成反比。

適用范圍線性元件金屬導(dǎo)體電解液純電阻電路

【學(xué)生】

回顧、歸納。

【教師】

情感教育：介紹歐姆及其實(shí)驗(yàn)裝置（圖6），闡述原創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的開拓性及對(duì)科學(xué)發(fā)展的重大影響！

【學(xué)生】

好奇、興奮。

探究環(huán)節(jié)三：描繪二極管小燈泡伏安特性曲線

（一）提出問題

【教師】

下面我們分四小組、兩大組分別描繪二極管和小燈泡的伏安特性曲線。

【學(xué)生】

更換器材、連接電路（圖7）。

（二）數(shù)據(jù)收集

（1）分組實(shí)驗(yàn)

【學(xué)生】

分組實(shí)驗(yàn)：1、2組二極管；3、4組小燈泡，同組成員相互協(xié)作。

【教師】

①指導(dǎo)學(xué)生打開軟件、實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、傳感器調(diào)零，按操作指南要求收集數(shù)據(jù)、保存實(shí)驗(yàn)，暫不關(guān)閉等待分享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

②巡回指導(dǎo)。

③利用多媒體網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)了解各組實(shí)驗(yàn)進(jìn)度情況。

（2）成果分享

【教師】

通過廣播系統(tǒng)向全體同學(xué)展示4個(gè)小組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

【學(xué)生】

觀察、對(duì)比。

【設(shè)計(jì)說明】

采用兩組差異化的實(shí)驗(yàn)器材，提高了實(shí)驗(yàn)效率，而通過尋找兩組不同圖線的異同，又能自然總結(jié)出非線性元件的概念。

（三）結(jié)論評(píng)估

【教師】

請(qǐng)分析兩圖線的異同（圖8）。

【學(xué)生】

（1）兩圖線均為曲線——二極管為非線性元件。

（2）兩圖線的彎曲方向不同——二極管的電阻隨電壓升高而減小；鎢絲的電阻隨電壓升高而增大。

（四）知識(shí)點(diǎn)辨析

【教師】

鎢絲（小燈泡燈絲）屬于金屬導(dǎo)體，但其伏安特性曲線為何呈現(xiàn)曲線？（圖9）

【學(xué)生】

因?yàn)闊艚z溫度變化范圍過大。

【教師】

動(dòng)畫：手工繪制鎢絲伏安特性曲線。

可以看出：曲線起始端溫度變化很小，呈現(xiàn)線性。

探究環(huán)節(jié)四：非線性元件

（一）非線性元件的概念

【教師】

（1）氣態(tài)導(dǎo)體和二極管的伏安特性曲線不是直線，這種元件稱為非線性元件。

（2）對(duì)非線性元件，歐姆定律不適用。

（3）非線性元件的電阻除了由材料本身決定外，還與加在其兩端的電壓有關(guān)。

【學(xué)生】

觀察、思考。

【設(shè)計(jì)說明】

實(shí)驗(yàn)與知識(shí)點(diǎn)自然銜接。

（二）非線性伏安曲線的理解與應(yīng)用

（1）跟蹤練習(xí)——非線性伏安曲線的理解

【教師】

①小燈泡通電后其電流I隨所加電壓U變化的圖線如圖10所示，P為圖線上一點(diǎn)，PN為圖線在P點(diǎn)的切線，PQ為U軸的垂線，PM為I軸的垂線，則下列說法中正確的是（ ）

（2）拓展練習(xí)——非線性伏安曲線的應(yīng)用

【教師】

②一小燈泡的伏安特性曲線如圖11所示，將該燈泡與一個(gè)R=6 Ω的定值電阻串聯(lián)，接入輸出電壓U=3 V的恒壓電源，如圖12所示，試求通過小燈泡的電流強(qiáng)度。

【學(xué)生】

解析：在小燈泡的伏安特性曲線中做出U=3-6I 的圖線（圖13）。

從兩圖線的交點(diǎn)求出通過小燈泡的電流強(qiáng)度為I = 0.22 A。

【設(shè)計(jì)說明】

拓展學(xué)生解題思路，增強(qiáng)學(xué)生圖線法解決問題的意識(shí)！

課堂小結(jié)

【教師】

引導(dǎo)學(xué)生回顧、歸納總結(jié)。

知識(shí)小結(jié)：線性元件、歐姆定律、非線性元件。

方法小結(jié)：實(shí)驗(yàn)探究、圖線法、數(shù)字化。

【設(shè)計(jì)說明】

比知識(shí)更重要的是方法！

作業(yè)布置

【教師】

（1）課本P48頁(yè)2、3、4題。

（2）請(qǐng)你設(shè)計(jì)一套描繪二極管完整伏安特性曲線（含正、反向電壓）的方案。

（3）網(wǎng)上查閱歐姆定律的發(fā)現(xiàn)歷程。

【設(shè)計(jì)說明】

三道作業(yè)分別對(duì)應(yīng)“知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀”三維目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張金權(quán).DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與物理探究教學(xué)整合的策略[J].物理教學(xué)探討，2013，（11）：56.

[2]劉茂軍，劉惠蓮，肖利.基于數(shù)字化傳感器開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題、方法與策略[J].物理教學(xué)探討，2013，（11）：71.

（欄目編輯 鄧 磊）