在測電阻實驗中進(jìn)行的課堂探究

雷強(qiáng)

物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，實驗是物理學(xué)研究的重要手段，是人類獲取直接經(jīng)驗的重要途徑。在探究性的實驗中，能夠?qū)崿F(xiàn)對學(xué)生的知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀等方面的教育。

用電壓表和電流表測電阻的實驗，是高中物理最重要的一個電學(xué)實驗，它綜合使用了電壓表，電流表，滑動變阻器等電學(xué)器材，綜合應(yīng)用了歐姆定律等知識。下面就以此實驗為例，探討在課堂上如何進(jìn)行探究教學(xué)。

一、知識與方法準(zhǔn)備

發(fā)現(xiàn)問題和提出問題是進(jìn)行科學(xué)探究的前提。因此，在進(jìn)行科學(xué)探究前，學(xué)生要有必要的知識與方法準(zhǔn)備。在用電壓表和電流表測電阻的實驗之前，學(xué)生已經(jīng)有了關(guān)于歐姆定律，電壓表、電流表、滑動變阻器功能方面和通路、開路、短路等等方面的知識準(zhǔn)備這些都是使科學(xué)探究得以順利進(jìn)行的保障。

二、問題的提出

作為一個完整科學(xué)探究活動，問題發(fā)現(xiàn)和提出應(yīng)該是學(xué)生在日常生活、自然現(xiàn)象或?qū)嶒灛F(xiàn)象的觀察中發(fā)現(xiàn)并提出。但課堂教學(xué)中探究的問題要受到時間和教材內(nèi)容的限制，這就需要教師在課堂上設(shè)計一些學(xué)生比較熟悉的情景讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題。

用電壓表和電流表測電阻的實驗，是用教材上一道學(xué)生熟悉的例題創(chuàng)設(shè)問題情景的。教材46頁：用電壓表測出一段導(dǎo)體兩端的電壓是7.2V，用電流表測出通過這段導(dǎo)體的電流為0.4A，求這段導(dǎo)體的電阻。在學(xué)生口算完結(jié)果后，大部分學(xué)生通過此例題能夠發(fā)現(xiàn)一種測量電阻的方法。則測量電阻的方法叫什么？實驗原理是什么？怎樣設(shè)計的實驗電路？實驗步驟是什么？等問題便會接踵提出。

三、設(shè)計實驗

設(shè)計實驗是科學(xué)探究過程中的重要環(huán)節(jié)，它是將探究的問題變成具體的可操作的程序化的內(nèi)容。

1.確定實驗原理

用電壓表和電流表測電阻的實驗是間接測量，通過計算電阻的例題，使學(xué)生能夠?qū)⒂嬎汶娮璧囊环N方法變成一種測電阻的理論根據(jù)，是學(xué)生對已學(xué)習(xí)過的物理知識的鞏固、深化和應(yīng)用的過程。對實驗原理的處理，我在三個班分別采用了兩種辦法。第一個班里，由于沒有學(xué)生能夠提出實驗原理是什么這個問題，（學(xué)生對間接測量的經(jīng)驗有限）只好由教師提出，學(xué)生回答，但有的學(xué)生還是不清楚為什么要先確定實驗原理。在后兩個班里，直接讓學(xué)生設(shè)計的實驗電路，實驗電路設(shè)計完之后，再提出這樣設(shè)計電路的理論根據(jù)是什么，使學(xué)生體驗科學(xué)理論對實驗的指導(dǎo)作用。

2.設(shè)計實驗電路

實驗電路的設(shè)計首先由學(xué)生自主完成，為使所有的小組都能夠設(shè)計出實驗電路來，還必須做一些提示，如核心電路是什么？作為電路還必須有那些的必要元件？學(xué)生在這些問題的提示和引導(dǎo)下，所有的小組都能夠設(shè)計出實驗電路，但是，只有個別組在電路中加上了滑動變阻器。為使學(xué)生最終明白滑動變阻器在實驗中起什么作用，這里只要求加上了滑動變阻器，在實驗中需要調(diào)節(jié)滑動變阻器來改變電路中的電流和電阻兩端的電壓。

3.正確選擇實驗器材

實驗電路設(shè)計完成之后，根據(jù)電路圖確定實驗器材就很容易了。

4.確定實驗步驟、實驗表格

實驗步驟是整個實驗的核心。是預(yù)先根據(jù)測量工具和被測量設(shè)計好的具體實施實驗的順序。有了實驗步驟學(xué)生就可以按照順序進(jìn)行實驗操作，由學(xué)生來計劃實驗步驟是要使學(xué)生在實驗操作前完成一次心智操作，能夠從整體上把握實驗的全過程。在實驗電路設(shè)計完成之后，按照一般電學(xué)實驗的步驟，應(yīng)有按照電路圖位置擺放元件，從電源正極按電流流向順次連接各元件，最后將電壓表并聯(lián)在被測電阻兩端。這些連接電路的實驗步驟學(xué)生能夠獨立完成。最重要的是測量過程的實驗步驟，該實驗中綜合使用了電壓表、電流表、滑動變阻器，怎樣發(fā)揮它們的綜合功能？同時用電阻圈代替小燈泡，實驗中觀察什么？怎么樣操作？這些新問題的解決，是通過學(xué)生討論完成的。討論中有的學(xué)生由不會到會，有的學(xué)生由會一點兒到全會。在調(diào)節(jié)滑動變阻器這個問題上，是用電壓表示數(shù)還是觀察電流表示數(shù)監(jiān)測兩種意見曾引起一番爭論。最后確定測量過程的實驗步驟是：閉合開關(guān)后，觀察電流表示數(shù)調(diào)節(jié)滑動變阻器，使電流表示數(shù)為某一整刻度時，再讀取電壓表示數(shù)（這樣有利于做除法計算），調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片的位置測量三次。

實驗測量出來的數(shù)據(jù)往往不是一個，多個數(shù)據(jù)間一定存在著某種關(guān)系，這就需要用表格來規(guī)范實驗測量出來的數(shù)據(jù)，以便于較直觀地發(fā)現(xiàn)各個量之間的關(guān)系。表格的設(shè)計需要給出一般的設(shè)計原則，表格中行或列中要分別填寫要測量的物理量和測量次數(shù)，一般行數(shù)要小于列數(shù)。本實驗中要測量的物理量有三個，測量三次，學(xué)生開始時設(shè)計的表格是三行三列，只有記錄部分的表格。最后才加上表頭的一行一列和平均值一列共計是四行五列。

四、進(jìn)行實驗操作

實驗操作過程是最能反映學(xué)生對實驗計劃落實情況的過程，也是暴露問題和解決具體問題的過程，也是學(xué)生最容易接受教育的過程。例如：實驗過程中，有的組電壓表有示數(shù)電流表無示數(shù)，遇到這種情況，在幫助學(xué)生排除故障的同時，還要教給學(xué)生分析這種故障出現(xiàn)的原因和判斷電路故障的方法。這種故障出現(xiàn)的原因多數(shù)情況是被測電阻部分出現(xiàn)開路，也可能是電流表被短接。需要先檢查被測電阻部分。有的電流表或電壓表指針向左偏轉(zhuǎn)，那一定是正負(fù)接線柱接反了。有的電流表或電壓表指針偏轉(zhuǎn)很小，就要檢查電流表或電壓表是否用的是大量程?？傊?，在實驗操作過程中暴露和需要解決的問題是最多的。是對學(xué)生的知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀等方面的教育的最佳時機(jī)。

五、實驗數(shù)據(jù)處理與分析

本實驗的數(shù)據(jù)處理并不難，根據(jù)測量的實驗數(shù)據(jù)各組學(xué)生都能獨立地計算出三次的電阻值。關(guān)鍵是對實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果的分析，這一點往往不受學(xué)生重視。學(xué)生總認(rèn)為實驗操作完成了，結(jié)果計算出來了，研究過程就該結(jié)束了。其實，在整個探究活動中對實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果的分析是探究活動中一個重要環(huán)節(jié)。因此，教師要通過引導(dǎo)學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果進(jìn)行分析，使學(xué)生認(rèn)識到實驗數(shù)據(jù)不等于探究的結(jié)論，實驗數(shù)據(jù)是對實驗事實的客觀記錄，探究的結(jié)論是在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過分析論證所得出的具有普遍意義的規(guī)律。本實驗中，首先要求學(xué)生分析自己的計算結(jié)果，要從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律性的問題。有的組三次計算結(jié)果相同，新問題是為什么會是相同的？有的組三次計算結(jié)果不相同但很接近，新問題是為什么會是不相同的？為什么又很接近？在對問題進(jìn)行討論后，學(xué)生認(rèn)識到導(dǎo)體的電阻不隨導(dǎo)體兩端的電壓和通過導(dǎo)體的電流變，導(dǎo)體的電阻只決定于導(dǎo)體的長度、橫截面積和材料有關(guān)，還要受到溫度的影響。三次計算結(jié)果很接近，就說明了這一點，三次計算結(jié)果不相同，是因為實驗中有誤差存在，為了減小誤差應(yīng)采用多次測量求平均值方法。在電路中接入滑動變阻器，目的就是為了進(jìn)行多次測量對計算結(jié)果求平均值。同時，對實驗數(shù)據(jù)分析還會發(fā)現(xiàn)：被測電阻一定時，通過導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體兩端的電壓成正比。另外，有的組先對電壓和電流求平均值，再用電壓和電流的平均值求電阻，通過對這個問題的解決，使學(xué)生徹底清楚了只有電阻這樣的不變量才能對其求平均值，對電壓和電流這樣的變量求平均值沒有意義。

通過引導(dǎo)學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果進(jìn)行較深入的分析，使學(xué)生找到了自己在探究活動中的一些不足，發(fā)現(xiàn)并解決了很多問題，同時，也發(fā)現(xiàn)了一些還不能解決的問題，這就為以后進(jìn)行下一輪探究活動，提供了問題準(zhǔn)備，使探究活動能夠連續(xù)開展下去。

用電壓表和電流表測電阻的學(xué)生實驗，最主要的是，學(xué)生在探究活動中得到了鍛煉，學(xué)生的知識與技能得到了鞏固，過程與方法得到了提高、情感態(tài)度與價值觀都得到了改善。為以后能夠自主地進(jìn)行電阻的串聯(lián)、電阻的并聯(lián)、"雙伏法"和"雙安法"測量電阻、測小燈泡功率等實驗探究活動奠定了基礎(chǔ)。