實驗為“根”思維為“魂”

沈志斌

物理學是以實驗為基礎的科學，科學的本質是求真，求真過程即思維發(fā)展的過程。

1問題提出

測定電池的電動勢和內阻的學生實驗，教材提供了3種實驗方案：一是電壓表、電流表、滑動變阻器法；二是電流表、電阻箱法；三是電壓表、電阻箱法。

關于數(shù)據(jù)處理，對于第一種實驗方案，教材既介紹了解方程組法，又介紹了圖像處理法，并指出相比于解方程組，圖像處理誤差更小、更簡便、更直觀。教材提供的范例是要求學生用圖像法處理。對第二、三種實驗方案，教材沒有介紹圖像處理法，筆者猜測其原因是第二、三種實驗方案中，電流強度與電阻、或路端電壓與電阻成非線性關系，不經過變量轉換，無法得到線性圖像。

學校教學的現(xiàn)狀是，多數(shù)學校只要求學生按照教材提供的第一種實驗方案去做，這樣的做法留有后患。其一是學生缺失第二、三種方案的實驗體驗，有可能導致學生不會用電阻箱，因為學生此前沒有用過電阻箱；其二是學生缺失變量轉換的思維訓練。

2教學處理

2.1學習理論

根據(jù)美國學者、著名的學習專家愛德加·戴爾提出的學習金字塔理論，平均學習保持率（兩周后保持的比例）與學習方式有很大關系。在聽講、閱讀、視聽、示范、小組討論、做中學、教別人共7種學習方式中，做中學的平均保持率為75%，排7種學習方式的第二位，因而它是有效學習的方式。物理學是以實驗為基礎的科學，實驗是物理學的“根”，學生缺乏第二、三種方法的體驗，也就沒有了“根”；求真過程即思維發(fā)展的過程，思維是物理學的“魂”，變量轉換的思想就是本節(jié)課的“魂”。

2.2教學目標

本節(jié)課的教學目標定位如下：

（1）經歷用電流表、電壓表和滑動變阻器測定U-I值，繪制U-I圖像求E、r值。

（2）經歷用電流表和電阻箱測定I-R值，通過坐標變換繪制1/I-R圖像求E、r值。

（3）經歷用電壓表和電阻箱測定U-R值，通過坐標變換繪制1/U-1/R圖像求E、r值。

2.3實驗器材的選配

電池：R20P/D SIZE/SUM-1/.5V高功率堿性電池（舊）；

電流表：J0407（0-0.6-3A）雙量程電流表；

電壓表：J0408（0-3-15V） 雙量程電壓表；

滑動變阻器：D-HD-L20/2；

電阻箱：J2362-1（0-99999Ω）；

電鍵、導線。

2.4實驗過程

2.4.1電流表電壓表滑動變阻器法

[實驗原理]實驗電路圖如圖1所示，根據(jù)閉合電流歐姆定律U=E-Ir，只要測出多組（U、I）數(shù)據(jù)，如表1所示，在坐標紙上選取合適的標度，畫出U-I直線圖像，U軸上的截距為E值，直線的斜率的絕對值為r。

圖1實驗電路圖[實驗數(shù)據(jù)]（數(shù)據(jù)來源于學生實驗）

表1電流表、電壓表、滑動變阻器法測量數(shù)據(jù)U、I

I/A0.0600.0800.1000.1400.1600.2000.2400.260U/V1.151.101.000.850.750.650.500.38[實驗圖象]

利用Excel作圖功能繪制圖如圖2所示，可得電動勢為1.38 V，內阻為3.77 Ω（學生數(shù)據(jù)處理時通過描點連線，利用U軸截距求電動勢，利用斜率的絕對值求內阻）。

圖2U-I圖2.4.2電流表電阻箱法

[實驗原理]如圖3所示，根據(jù)閉合電流歐姆定律，E=I（R+r），變量變換1I=1ER+rE，測出（1I、R）數(shù)據(jù)，如表2所示，繪制1I-R圖像，斜率為電動勢的倒數(shù)K=1/E，截距為內阻與電動勢的比值r/E。

圖3實驗電路圖[實驗數(shù)據(jù)]（數(shù)據(jù)來源于學生實驗）

表2電流表、電阻箱法測量I數(shù)據(jù)

R/Ω9754321I/A0.1000.1200.1400.1600.1850.2200.2701/I（1/A）10.008.337.146.255.414.553.70[實驗圖象]

利用E-XCEL作圖功能繪制圖如圖4所示，可得電動勢為E=1/0.7773=1.29V，內阻為r=3.91 Ω（學生數(shù)據(jù)處理時通過描點連線法）。

圖41/I-R圖2.4.3電壓表電阻箱法

[實驗原理]如圖5所示，根據(jù)閉合電流歐姆定律，E=U+Ur/R，變量變換，1U=rE×1R+1E，測出（1U、1R）數(shù)據(jù)，如表3所示，繪制1U、1R圖像，斜率為K=r/E，截距為1/E。

圖5實驗電路圖[實驗數(shù)據(jù)]（數(shù)據(jù)來源于學生實驗）

表3電壓表、電阻箱法測量R、U數(shù)據(jù)

R/Ω10864211/R（1/Ω）0.100.130.170.250.501.00U/V1.000.900.800.700.500.301/U（1/V）1.001.111.251.432.003.33[實驗圖象]

利用Excel作圖功能繪制圖如圖6所示，可得電動勢為E=1/0.782 5=1.28 V，內阻為r=3.24 Ω（學生數(shù)據(jù)處理時通過描點連線法）

圖61U-1R圖3教學反思

3.1教學知識層面

教材是教學的重要參考資源，新課程指出，教師要從教教材逐漸走向利用教材教，這要求教師既要重視教材的教學功能，又不拘泥于教材。教師通過教學設計，編制符合學情的學歷案，聚焦教學重點和難點，同樣的一節(jié)課，學生順利完成了3個實驗任務，經歷了2次變量轉換，3次坐標標度的選擇，3次描點連線的實踐，相信學生會有更多的體驗和收獲。

3.2學科知識層面

本節(jié)課得到的3種測量結果，也是下一節(jié)分析實驗誤差的重要資源。如圖3所示，測得的電源內阻值（r=3.91 Ω）等于電源內阻加安培表電阻，應大于真實值；如圖5所示測得的電源內阻值（r=3.24 Ω）等于伏特表內阻與電源內阻的并聯(lián)值，應小于真實值，實驗數(shù)據(jù)符合理論分析的結果，學生實驗報告數(shù)據(jù)表明64%的學生是成功的。

3.3學生認知層面

通過實驗報告批改，教師對學生多了一份了解。統(tǒng)計表明，100%的學生完成了實驗操作；第一、第二、第三種實驗學生綜合正確率分別達到636%、709%、600%。存在的問題是12.1%的學生直圖線不延長，10.3%的學生連成曲線，這說明學生對于實驗原理的理解不到位；8.5%的學生坐標軸分度不合理，這也是一個教學的難點，說明今后教學中要加強相關的訓練。