實(shí)驗(yàn)教學(xué)中原始物理問題的生成

摘 要：學(xué)生在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境中，自發(fā)地生成原始物理問題，并通過獨(dú)立思考、深入探究、合作交流來解決這些問題，可以加強(qiáng)問題意識，培養(yǎng)物理學(xué)科素養(yǎng)，提高解決實(shí)際問題的能力.

關(guān)鍵詞：原始物理問題;生成;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）05-0042-04

作者簡介：王永（1968- ），男，安徽人，本科，中學(xué)高級教師，中學(xué)特級教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué)、高考命題.

阿爾伯特·愛因斯坦說過：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要.因?yàn)榻鉀Q問題也許僅是一個數(shù)學(xué)上或?qū)嶒?yàn)上的技能而已，而提出新的問題，卻需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步.”

1 原始物理問題在中學(xué)物理教學(xué)中的意義

好奇心是學(xué)習(xí)的原始動力之一，學(xué)生通常會對學(xué)習(xí)和生活中遇到的未知事物感興趣，由于不明白而產(chǎn)生的疑惑就是問題，問題會一直伴隨著學(xué)習(xí)的過程，問題教學(xué)也是中學(xué)物理教學(xué)中重要的組成部分.

中學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中會遇到大量問題，其中大部分是經(jīng)過整理的傳統(tǒng)習(xí)題，是模型化的“抽象問題”，也有一部分是“原生態(tài)”的原始問題.原始物理問題是對自然界及社會生活、生產(chǎn)中客觀存在且未被加工的物理現(xiàn)象的描述.原始物理問題不同于一般物理習(xí)題，它是在真實(shí)生活情境中存在的原汁原味的實(shí)際問題，沒有明確的已知量和未知量，解決問題所需的條件需要學(xué)生自己提取或設(shè)定.

原始物理問題源于真實(shí)的學(xué)習(xí)過程，它比抽象問題更加接近物理學(xué)的學(xué)科本質(zhì)，通過對原始物理問題的思考，學(xué)生可以學(xué)習(xí)科學(xué)家的思維方式，經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，提高科學(xué)思維能力，讓學(xué)習(xí)回歸物理學(xué)科的本原.原始物理問題源于自然，聯(lián)系生產(chǎn)生活，能更好體現(xiàn)物理學(xué)的實(shí)用價值，通過解決貼近現(xiàn)實(shí)的原始物理問題，學(xué)生可以體會物理學(xué)在現(xiàn)實(shí)生活和科技前沿的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高探究意識和解決實(shí)際問題的能力.中學(xué)生通過物理原始問題的思考和解決，可以鞏固知識基礎(chǔ)，聯(lián)系生活實(shí)踐，拓寬科學(xué)視野，提高物理學(xué)科素養(yǎng).

2 中學(xué)物理原始物理問題的來源

中學(xué)物理涉及到的原始物理問題從何而來？從問題產(chǎn)生的背景和素材來看，原始問題有理論和實(shí)踐兩種來源.理論原始問題來源于物理知識的學(xué)習(xí)過程，常常伴隨著概念和規(guī)律的形成.實(shí)踐原始問題來源于實(shí)驗(yàn)研究、科技進(jìn)展或者生產(chǎn)生活實(shí)際.第二類問題依托真實(shí)的背景，來源廣泛，素材豐富，貼近生活，更加容易引起學(xué)生的興趣，也更具有實(shí)際意義.

而從問題提供的角度來看，原始物理問題有外界提供和自我生成兩種來源.學(xué)生遇到的絕大多數(shù)問題都是外界提供的，一般來源于物理學(xué)發(fā)展的歷史遺存，或者物理教學(xué)長期的資料積累.例如，物理學(xué)史上的著名問題、教材編寫者提供的部分習(xí)題、中高考物理試卷中聯(lián)系實(shí)際的試題、物理實(shí)驗(yàn)中遇到的問題和生活中的物理問題等等.隨著學(xué)習(xí)的不斷深入，中學(xué)生能逐漸在學(xué)習(xí)和實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)和提出一些問題，這些問題源于自然、基于真實(shí)情境，具有原創(chuàng)性，這是自發(fā)生成的原始物理問題.

相比于外界提供問題，學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)和提出問題更有意義，教師應(yīng)當(dāng)在教學(xué)中倡導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成思考的習(xí)慣，鼓勵學(xué)生多提問題，特別是原始問題.

3 原始物理問題生成的課堂實(shí)錄

如何在教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出原始物理問題？這需要教師在教學(xué)中合理設(shè)置內(nèi)容，積極提供問題情境，巧妙設(shè)置問題線索，調(diào)動學(xué)生深入思考，鼓勵學(xué)生不斷質(zhì)疑，讓問題在課堂上不斷涌現(xiàn)出來.可是，要在教學(xué)實(shí)踐中真正做到這一點(diǎn)卻并不容易.

最近一次在高二電學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂上的經(jīng)歷，讓筆者印象深刻.這是一節(jié)練習(xí)使用多用電表的實(shí)驗(yàn)課，其中一項(xiàng)內(nèi)容是用多用電表測量二極管的正反向電阻，并以此判斷二極管的正負(fù)極.在這節(jié)課上，學(xué)生們就提出了一些很有價值的原始問題.

問題1：二極管正向電阻到底是多少？

剛上課不久，A學(xué)生首先發(fā)現(xiàn)一個問題：在用多用電表（型號J0411）歐姆檔測二極管（型號2P5A）正向電阻時，如果選用不同的倍率，測得的正向電阻差異很大，在已經(jīng)進(jìn)行電阻調(diào)零的情況下，分別在“×1”“×10”“×100”“×1k” 的倍率下進(jìn)行測量，得到的測量值分別為5Ω、45Ω、350Ω、3000Ω，為什么測量結(jié)果的差異如此巨大？A學(xué)生隨即提出兩種可能：一是多用電表有問題，二是二極管損壞了.教師讓同學(xué)們做同樣的測量，大家得到了幾乎相同的結(jié)果，絕大多數(shù)同學(xué)認(rèn)為，多用電表和二極管都是完好的.

這時B同學(xué)提出：我們應(yīng)該用歐姆表哪個檔位進(jìn)行測量？二極管的正向電阻到底是多少？教師讓同學(xué)們思考這個問題，大家各執(zhí)一詞.

接著C同學(xué)闡述了自己的觀點(diǎn)：二極管的正向電阻，本來就不是一個確定值，這一點(diǎn)可以從高中物理課本上二極管的伏安特性圖線上看出，如圖1所示，在正向電壓大于0.5V以后，正向電流會迅速增大，正向電阻會迅速減小，在不同電壓下，正向電阻自然不同.這個解釋很快得到了多數(shù)同學(xué)的支持.

這時候D同學(xué)提出：我們可以用一只電壓表，并聯(lián)在二極管兩端，再用多用電表的歐姆檔，換用不同檔位進(jìn)行測量，實(shí)際記錄下二極管兩端的電壓，并在伏安特性圖線上找出二極管的工作狀態(tài)，就可以粗略算出正向電阻的數(shù)值，并與歐姆表的測量值做對比.

這個提議遭到了E同學(xué)的反對：一只量程3V的電壓表，內(nèi)阻大約3kΩ，用它跟二極管并聯(lián)，如果二極管的正向電阻是幾百或者幾千歐，對測量結(jié)果影響很大.同學(xué)們覺得他說的有道理.

怎樣測量二極管的正向電壓呢？教師拿來一只數(shù)字式多用電表（DT9205），并且告訴同學(xué)們：數(shù)字式電壓表內(nèi)阻很大，是比較理想的測量電壓的工具.然后，師生們一起再次進(jìn)行測量，記錄歐姆表“×1”“×10”“×100”“×1k” 倍率下二極管兩端電壓分別為： 0.73V、0.64V、0.54V、0.45V，對照二極管的伏安特性圖線，就可以解釋為什么測量二極管正向電阻時有不同的結(jié)果了.

問題2：把小燈泡和二極管串聯(lián)接到兩節(jié)電池上，小燈泡能發(fā)光嗎？

接著教師請同學(xué)們思考：能用手邊的器材通過簡單實(shí)驗(yàn)反映二極管的單向?qū)щ娦詥幔?F同學(xué)提出一個方案：用二極管與一個小燈泡（額定電壓2.5V）和兩節(jié)干電池串聯(lián)，如圖2所示，看小燈泡能不能發(fā)光就能判斷二極管是否正向?qū)?而G同學(xué)有不同看法：即使二極管正向?qū)?，電路中有電流通過，也不一定能看到小燈泡發(fā)光.

這種情況下小燈泡能不能發(fā)光呢？同學(xué)們一時難以回答，很快有同學(xué)動手做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小燈泡基本上可以正常發(fā)光，用數(shù)字式電壓表可以量得小燈泡兩端電壓約為1.95V，二極管的兩端電壓大約為0.75V，說明此時二極管正向電阻很小.

H同學(xué)問：為什么會得到這樣的結(jié)果呢？二極管此時的正向電阻為什么不是很大呢？ 教師提示同學(xué)們可以把燈泡和電池作為等效電源看待，作出等效電源的伏安特性圖線，在同一個坐標(biāo)系中，再畫出二極管的伏安特性圖線，通過兩個圖像的交點(diǎn)，來找二極管的工作狀態(tài).這時候I同學(xué)指出：小燈泡的電阻也是變化的，這樣做不合適.接著J同學(xué)說：不久前我們測量過這種小燈泡的伏安特性，小燈泡正常工作的電阻大約是5Ω，據(jù)此我們可以進(jìn)行粗略的估算.然后師生一起按照這個思路進(jìn)行分析：電源電動勢約為3V，內(nèi)阻約為1Ω，小燈泡工作的電阻約為5Ω，則等效電源短路電流大約為0.5A，作出的伏安特性圖線如圖3所示，從圖線交點(diǎn)可以看出，此時二極管兩端電壓約為0.8V，電路電流約0.37A，同學(xué)們覺得這個分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致.

K同學(xué)又提出了一個問題：如果選用不同的二極管，結(jié)果還一樣嗎？

教師拿來一種發(fā)光二極管（型號BT1142），同學(xué)們進(jìn)行了同樣實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮.

教師做了進(jìn)一步解釋：從理論上看，不同參數(shù)的元件會有不同的伏安特性圖線，如果換用不同的二極管或者小燈泡，實(shí)驗(yàn)結(jié)果就會不同，即使一次實(shí)驗(yàn)中小燈泡能夠發(fā)光，也不能認(rèn)為這是普遍成立的結(jié)論.

問題3：實(shí)際歐姆表的內(nèi)部電路是怎樣的？

接著，L同學(xué)提出了一個新問題：按照中學(xué)物理課本上所說的歐姆表的工作原理，如圖4的電路中，滿偏電流為Ig=ERg+r+R，如果按照課本上如圖5所示的多用電表電路來分析，在倍率增大10倍的情況下，滿偏電流不變，內(nèi)阻會增大10倍，電源電動勢也應(yīng)該增大10倍，在用歐姆表測量二極管正向電阻時，如果把歐姆表作為電源看待，我們可以在同一坐標(biāo)系作兩次實(shí)驗(yàn)中電源和二極管的伏安特性圖線，如圖6，假設(shè)某個倍率下等效電源伏安特性圖線是實(shí)線a，而我們換用更大的倍率進(jìn)行測量時，等效電源伏安特性圖線應(yīng)該是虛線b，從電源與二極管的伏安特性圖線的交點(diǎn)變化上會發(fā)現(xiàn)二極管工作電流增大，二極管的正向電阻應(yīng)當(dāng)減小，為什么實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻恰恰相反？難道是課本說錯了？

師生們都覺得L同學(xué)的分析邏輯嚴(yán)密，問題可能出在歐姆表內(nèi)部電路上.教師很快查閱實(shí)驗(yàn)室資料，發(fā)現(xiàn)常用歐姆表的實(shí)際內(nèi)部電路如圖7所示，在倍率增大一檔時，并不是僅僅靠增大串聯(lián)電阻來增加內(nèi)阻，還在表頭上并入電阻，通過并聯(lián)電阻的變化實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，表頭的電流并非總電流，電源電動勢也沒有增大10倍.

通過教師的解釋，L同學(xué)提出的問題解決了.同學(xué)們明白了中學(xué)物理教材中只介紹了歐姆表的基本工作原理，并沒有介紹電表的實(shí)際電路，要真正弄清楚歐姆表如何改變倍率的細(xì)節(jié)，還需要深入了解其電路結(jié)構(gòu)和工作過程.

至此，課堂上生成的所有問題都得到了圓滿的解決.

4 關(guān)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中原始物理問題生成的思考

在本節(jié)實(shí)驗(yàn)課上，同學(xué)們在實(shí)驗(yàn)過程中不斷發(fā)現(xiàn)和提出問題，特別是生成了一些有價值的原始問題，這些問題的提出和解決在教學(xué)上很有意義.在教學(xué)過程中，因?yàn)橐鉀Q自己遇到的真實(shí)問題，同學(xué)們投入了更大的熱情，在激烈的課堂討論中，迸發(fā)出思維的靈感，在問題的一一化解中，體驗(yàn)到了學(xué)習(xí)的樂趣，感受到了成功的喜悅.筆者還欣喜地看到，伴隨著問題的提出與探討，同學(xué)們積極思考，主動探究，尊重事實(shí)，不斷質(zhì)疑，深入探尋問題的本質(zhì)，表現(xiàn)出良好的科學(xué)素養(yǎng).

一名中學(xué)生能在學(xué)習(xí)中提出有價值的原始問題，既體現(xiàn)學(xué)習(xí)的主動性和對事物的洞察力，還反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)潛質(zhì)與創(chuàng)造能力，這標(biāo)志著學(xué)生學(xué)習(xí)能力到了一個新的層次.在學(xué)習(xí)中生成原始問題是一種良好的學(xué)習(xí)品質(zhì)，發(fā)現(xiàn)、提出和解決這些問題不僅具有實(shí)際價值，還對學(xué)生的未來發(fā)展具有長遠(yuǎn)意義.

鑒于原始物理問題在中學(xué)物理教學(xué)中的重要作用，教師應(yīng)當(dāng)鼓勵學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出原始問題，不斷加強(qiáng)學(xué)生的問題意識.為此，教師需要調(diào)整教學(xué)思路，課前需要做精心的教學(xué)設(shè)計，課上要營造民主自由的課堂氛圍，適時做出巧妙而合理的引導(dǎo)，其中最重要的是創(chuàng)設(shè)具體的物理問題情境.創(chuàng)設(shè)物理問題情境有很多方式，在需要建立真實(shí)的問題情境時，實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢，因?yàn)榛谡鎸?shí)的實(shí)驗(yàn)場景，有具體的任務(wù)引導(dǎo)，學(xué)生能夠身臨其境，在邊學(xué)邊做中原始物理問題應(yīng)運(yùn)而生.教師可以充分利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)這個良好的機(jī)會，來促進(jìn)學(xué)生自然地生成原始物理問題.

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材開發(fā)研究中心.普通高中教科書物理（必修第三冊）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]閻元紅.基于開闊背景下的原始物理問題探析[J].教學(xué)與管理，2003（19）：60-61.

[3]楊蕾，胡銀泉.論中學(xué)物理教學(xué)中引入原始問題的重要性[J].物理教學(xué)探討，2015（09）：9-10+13.

[4]邢紅軍，石堯.原始物理問題教學(xué)：一個本土化教學(xué)理論的創(chuàng)生[J].教育學(xué)術(shù)月刊，2016（09）：83-90.

[5]王興乃，張誠，陳準(zhǔn)，何振華.中學(xué)物理儀器的使用與檢驗(yàn)[M].福州：福建教育出版社，1984.

（收稿日期：2020-11-26）