改進(jìn)物理實驗教學(xué) 發(fā)揮實驗探究功能

史孝武

摘 要：本文針對如何在物理實驗教學(xué)中體現(xiàn)科學(xué)探究思想，以《閉合電路的歐姆定律》教學(xué)過程中的若干問題為例，提出了把科學(xué)探究思想融入物理實驗的教學(xué)策略。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；科學(xué)探究；閉合電路的歐姆定律

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）5-0007-3

物理實驗是在理性思維指導(dǎo)下的手腦并用的實踐活動。目前，實驗教學(xué)主要集中在傳統(tǒng)實驗的創(chuàng)新和實驗類型的轉(zhuǎn)型上，而如何把科學(xué)探究思想融入到物理實驗之中，還缺少系統(tǒng)的研究。對此，筆者粗淺探討，期望能拋磚引玉。

人教版教材對《閉合電路的歐姆定律》的安排是：直接給出全電路的概念，從功能關(guān)系出發(fā)，根據(jù)能量守恒，理論推導(dǎo)出閉合電路的歐姆定律是E=U外+U內(nèi)； 再根據(jù)閉合電路的歐姆定律，理論分析電源的路端電壓與負(fù)載的關(guān)系。這樣的安排的優(yōu)點(diǎn)是邏輯主線明了，缺點(diǎn)是對閉合電路特別是內(nèi)電路的建構(gòu)不夠直觀。況且，在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生認(rèn)為電源兩端的電壓是恒定不變的。顯然，教材僅從理論角度推導(dǎo)閉合電路的歐姆定律是不夠解決學(xué)生的問題的！在教學(xué)中，我們應(yīng)給學(xué)生創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突，提供有效的探究環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的求知欲望和好奇心，促使學(xué)生進(jìn)行認(rèn)知結(jié)構(gòu)的同化和順應(yīng)，形成正確的觀點(diǎn)。下面，筆者試以《閉合電路的歐姆定律》的教學(xué)為例，談一談如何改進(jìn)實驗教學(xué)，以發(fā)揮實驗的探究功能。

1 創(chuàng)設(shè)實驗情景，引發(fā)認(rèn)知沖突

有效的教學(xué)要求教師充分了解學(xué)生的前概念。學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識時，總是試圖通過原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)來同化新知識。因此，創(chuàng)設(shè)實驗情景時必須考慮學(xué)生的前概念，而并非僅將實驗作為課堂導(dǎo)入。

學(xué)生已經(jīng)知道電源對電路提供電能的特性稱為電動勢，但關(guān)于內(nèi)阻對電路的影響還不清楚，他們認(rèn)為電源兩端的電壓是不變的。針對學(xué)生的這個前概念，我們要創(chuàng)設(shè)介于學(xué)生的“已知”和“未知”之間的實驗情景，當(dāng)學(xué)生遇到不能解釋的現(xiàn)象時，就會產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激發(fā)求知欲望，從而在教師的引導(dǎo)下正確認(rèn)識事物的本質(zhì)。

例如，課堂開始，我們設(shè)計了這樣的實驗情景。

用兩節(jié)干電池、小阻值電阻、三個燈泡連成如圖1所示的電路。

把干電池、電阻R0裝入黑箱（如圖2所示），利用黑箱電池進(jìn)行實驗。逐個閉合燈泡開關(guān)，觀察燈泡亮度的變化情況。

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圖1 電路圖 圖2 電路圖

燈泡亮度變暗，出乎學(xué)生意料。

教師揭開黑箱，學(xué)生看到黑箱中電池和一個電阻R0串聯(lián)。學(xué)生可用部分電路的歐姆定律解釋上述現(xiàn)象：逐個并聯(lián)燈泡后，并聯(lián)燈泡的總電阻變小，整個電路的總電阻變小。在電源兩端電壓不變的情況下，電路中的電流變大，電阻R0消耗的電壓變大，燈泡兩端的電壓會變小，所以燈泡變暗。

學(xué)生就用“已知”解釋了上述實驗現(xiàn)象。

如果把與電池串連的電阻R0去掉（如圖3所示），逐個閉合燈泡開關(guān)，燈泡的亮度會如何變化？

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圖3 電路圖

利用“已知”，學(xué)生普遍認(rèn)為燈泡的亮度不變，因為燈泡兩端的電壓不變。

教師把與電池串連的電阻R0去掉，逐個閉合燈泡開關(guān)，發(fā)現(xiàn)燈泡亮度變暗，出乎學(xué)生意料。

顯然，“已知”已不能解釋上述現(xiàn)象，這就產(chǎn)生了新的“未知”，學(xué)生形成認(rèn)知沖突，這樣才有可能打破原有的認(rèn)知平衡，從而建構(gòu)新的認(rèn)知平衡。

至此，通過這兩個對照實驗，學(xué)生自然能提出，電池具有內(nèi)阻，是內(nèi)阻起到了圖1中的R0的作用。接著，學(xué)生便可以順利地學(xué)習(xí)內(nèi)電路、外電路、內(nèi)電壓、外電壓等概念。

2 實驗檢驗，培養(yǎng)學(xué)生尋求證據(jù)的意識

維果茨基認(rèn)為，人的思維與智力是在活動中發(fā)展起來的，是各種活動、社會性相互作用不斷內(nèi)化的結(jié)果[1]。通過制定實驗方案來證明、拓展或揚(yáng)棄自己的觀點(diǎn)，是物理實驗教學(xué)中常用的探究方法。在科學(xué)探究中，好奇心、尊重證據(jù)及愿意改變看法是科學(xué)思維應(yīng)有的態(tài)度。當(dāng)我們做到既進(jìn)行對比實驗又尊重實驗數(shù)據(jù)時，就具備了科學(xué)思維應(yīng)有的態(tài)度[2]。

例如，在利用實驗尋求證據(jù)的檢驗階段，我們設(shè)計了這樣的實驗情景。

學(xué)生提出電動勢等于內(nèi)外電壓之和這一猜想后，可以利用可調(diào)內(nèi)阻鉛蓄電池進(jìn)行實驗檢驗（如圖4、圖5所示）。

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圖4 可調(diào)內(nèi)阻鉛蓄電池 圖5 驗證實驗的電路圖

有學(xué)生測得如表1所示的數(shù)據(jù)：

表1 實驗數(shù)據(jù)記錄

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學(xué)生發(fā)現(xiàn)，兩表的讀數(shù)之和基本不變，與電動勢大小相差不大。

但是，通過這幾次測量就一定能得到閉合電路的歐姆定律嗎？不能！

一般來說，預(yù)測是在證據(jù)的基礎(chǔ)上提出來的，這些證據(jù)有的來源于已有的知識和經(jīng)歷，有的是通過自己的觀察、測量直接獲取的。懂得怎樣搜集證據(jù)及如何最有效地使用證據(jù)是很重要的[2]。

學(xué)生可以利用上述數(shù)據(jù)進(jìn)一步預(yù)測：如果電動勢等于內(nèi)外電壓之和，那么，在任何其他實驗情景中，隨著外電阻改變，外電壓也會發(fā)生變化。學(xué)生可以利用圖3的電路繼續(xù)進(jìn)行檢驗。

顯然，逐個閉合燈泡開關(guān)，外電阻改變，外電壓發(fā)生變化，燈泡變暗，實驗結(jié)果與預(yù)測一致。至此，我們才有充足的理由相信：電動勢等于內(nèi)外電壓之和。

到這里，學(xué)生便真正知道了閉合電路的歐姆定律的內(nèi)容，并順利解釋了圖3中的實驗現(xiàn)象，達(dá)到了新的認(rèn)知平衡。同時，學(xué)生也加深了對路端電壓與負(fù)載關(guān)系的認(rèn)識。

3 習(xí)題實驗化，突出學(xué)生的主體地位

作為高中物理課堂教學(xué)的一個層面，習(xí)題教學(xué)不僅要讓學(xué)生“聽懂”，更重要的是要在習(xí)題教學(xué)活動中突出學(xué)生的主體地位，凸顯物理學(xué)科的特色。

在學(xué)習(xí)完閉合電路的歐姆定律后，在鞏固應(yīng)用階段，人教版教材設(shè)置了這樣的例題。

例 在圖6中，R1=14 Ω，R2=9 Ω。當(dāng)開關(guān)處于位置1時，電流表的讀數(shù)為I1=0.2 A；當(dāng)開關(guān)處于位置2時，電流表的讀數(shù)為I2=0.3 A。求電源的電動勢E和內(nèi)電阻r。（下轉(zhuǎn)第12頁）

（上接第8頁）

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讓習(xí)題教學(xué)走向多樣化，讓學(xué)生在實驗的設(shè)計及探究中獲得樂趣，對疑難問題也產(chǎn)生觸類旁通的效應(yīng)。習(xí)題實驗化不是讓學(xué)生多做幾個實驗，而是通過實驗體現(xiàn)“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”。通過學(xué)生的參與，讓課堂多一份質(zhì)疑，多一份交流，多一份展示，正是新課程理念的體現(xiàn)。

例如，在習(xí)題實驗化階段，我們設(shè)置了這樣的實驗情景。

用鋅片、不銹鋼水杯，加入水后組成自來水電池（圖7）。

提出問題：測量自來水電池的電動勢和內(nèi)阻。

學(xué)生結(jié)合閉合電路的歐姆定律，討論、交流后，能設(shè)計出這樣的實驗方案：

①利用電壓表直接測量電動勢，接通電路后，測量一個定值電阻的外電壓，利用公式可以求解。

②利用電流表和兩個定值電阻測量兩次，可利用方程組求解等等。

學(xué)生利用實驗器材，可以測出自來水電池的電動勢大約為0.8 V，內(nèi)阻大約為4000 Ω。

綜上所述，面對高中物理“難教難學(xué)”的現(xiàn)象，只要我們認(rèn)真鉆研教材，設(shè)計出學(xué)生感興趣的實驗，并讓學(xué)生“卷”入其中，真正利用科學(xué)探究的方法和態(tài)度獲取新的知識，并且能夠?qū)嶋H應(yīng)用，這樣必然能提高高中物理實驗教學(xué)的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳琦，劉儒德.當(dāng)代教育心理學(xué)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，1997.

[2]美國國家科學(xué)基金會教育與人力資源部中小學(xué)及校外教育處.羅星凱，李萍昌，吳嫻，等，譯.探究——小學(xué)科學(xué)教學(xué)的思想、觀點(diǎn)與策略[M].北京：人民教育出版社，2003.

（欄目編輯 趙保鋼）