改进物理实验教学 发挥实验探究功能

史孝武

摘 要：本文针对如何在物理实验教学中体现科学探究思想，以《闭合电路的欧姆定律》教学过程中的若干问题为例，提出了把科学探究思想融入物理实验的教学策略。

关键词：实验教学；科学探究；闭合电路的欧姆定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）5-0007-3

物理实验是在理性思维指导下的手脑并用的实践活动。目前，实验教学主要集中在传统实验的创新和实验类型的转型上，而如何把科学探究思想融入到物理实验之中，还缺少系统的研究。对此，笔者粗浅探讨，期望能抛砖引玉。

人教版教材对《闭合电路的欧姆定律》的安排是：直接给出全电路的概念，从功能关系出发，根据能量守恒，理论推导出闭合电路的欧姆定律是E=U外+U内； 再根据闭合电路的欧姆定律，理论分析电源的路端电压与负载的关系。这样的安排的优点是逻辑主线明了，缺点是对闭合电路特别是内电路的建构不够直观。况且，在学习本节课之前，学生认为电源两端的电压是恒定不变的。显然，教材仅从理论角度推导闭合电路的欧姆定律是不够解决学生的问题的！在教学中，我们应给学生创设认知冲突，提供有效的探究环境，激发学生的求知欲望和好奇心，促使学生进行认知结构的同化和顺应，形成正确的观点。下面，笔者试以《闭合电路的欧姆定律》的教学为例，谈一谈如何改进实验教学，以发挥实验的探究功能。

1 创设实验情景，引发认知冲突

有效的教学要求教师充分了解学生的前概念。学生在学习新知识时，总是试图通过原有的认知结构来同化新知识。因此，创设实验情景时必须考虑学生的前概念，而并非仅将实验作为课堂导入。

学生已经知道电源对电路提供电能的特性称为电动势，但关于内阻对电路的影响还不清楚，他们认为电源两端的电压是不变的。针对学生的这个前概念，我们要创设介于学生的“已知”和“未知”之间的实验情景，当学生遇到不能解释的现象时，就会产生认知冲突，激发求知欲望，从而在教师的引导下正确认识事物的本质。

例如，课堂开始，我们设计了这样的实验情景。

用两节干电池、小阻值电阻、三个灯泡连成如图1所示的电路。

把干电池、电阻R0装入黑箱（如图2所示），利用黑箱电池进行实验。逐个闭合灯泡开关，观察灯泡亮度的变化情况。

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图1 电路图 图2 电路图

灯泡亮度变暗，出乎学生意料。

教师揭开黑箱，学生看到黑箱中电池和一个电阻R0串联。学生可用部分电路的欧姆定律解释上述现象：逐个并联灯泡后，并联灯泡的总电阻变小，整个电路的总电阻变小。在电源两端电压不变的情况下，电路中的电流变大，电阻R0消耗的电压变大，灯泡两端的电压会变小，所以灯泡变暗。

学生就用“已知”解释了上述实验现象。

如果把与电池串连的电阻R0去掉（如图3所示），逐个闭合灯泡开关，灯泡的亮度会如何变化？

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图3 电路图

利用“已知”，学生普遍认为灯泡的亮度不变，因为灯泡两端的电压不变。

教师把与电池串连的电阻R0去掉，逐个闭合灯泡开关，发现灯泡亮度变暗，出乎学生意料。

显然，“已知”已不能解释上述现象，这就产生了新的“未知”，学生形成认知冲突，这样才有可能打破原有的认知平衡，从而建构新的认知平衡。

至此，通过这两个对照实验，学生自然能提出，电池具有内阻，是内阻起到了图1中的R0的作用。接着，学生便可以顺利地学习内电路、外电路、内电压、外电压等概念。

2 实验检验，培养学生寻求证据的意识

维果茨基认为，人的思维与智力是在活动中发展起来的，是各种活动、社会性相互作用不断内化的结果[1]。通过制定实验方案来证明、拓展或扬弃自己的观点，是物理实验教学中常用的探究方法。在科学探究中，好奇心、尊重证据及愿意改变看法是科学思维应有的态度。当我们做到既进行对比实验又尊重实验数据时，就具备了科学思维应有的态度[2]。

例如，在利用实验寻求证据的检验阶段，我们设计了这样的实验情景。

学生提出电动势等于内外电压之和这一猜想后，可以利用可调内阻铅蓄电池进行实验检验（如图4、图5所示）。

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图4 可调内阻铅蓄电池 图5 验证实验的电路图

有学生测得如表1所示的数据：

表1 实验数据记录

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学生发现，两表的读数之和基本不变，与电动势大小相差不大。

但是，通过这几次测量就一定能得到闭合电路的欧姆定律吗？不能！

一般来说，预测是在证据的基础上提出来的，这些证据有的来源于已有的知识和经历，有的是通过自己的观察、测量直接获取的。懂得怎样搜集证据及如何最有效地使用证据是很重要的[2]。

学生可以利用上述数据进一步预测：如果电动势等于内外电压之和，那么，在任何其他实验情景中，随着外电阻改变，外电压也会发生变化。学生可以利用图3的电路继续进行检验。

显然，逐个闭合灯泡开关，外电阻改变，外电压发生变化，灯泡变暗，实验结果与预测一致。至此，我们才有充足的理由相信：电动势等于内外电压之和。

到这里，学生便真正知道了闭合电路的欧姆定律的内容，并顺利解释了图3中的实验现象，达到了新的认知平衡。同时，学生也加深了对路端电压与负载关系的认识。

3 习题实验化，突出学生的主体地位

作为高中物理课堂教学的一个层面，习题教学不仅要让学生“听懂”，更重要的是要在习题教学活动中突出学生的主体地位，凸显物理学科的特色。

在学习完闭合电路的欧姆定律后，在巩固应用阶段，人教版教材设置了这样的例题。

例 在图6中，R1=14 Ω，R2=9 Ω。当开关处于位置1时，电流表的读数为I1=0.2 A；当开关处于位置2时，电流表的读数为I2=0.3 A。求电源的电动势E和内电阻r。（下转第12页）

（上接第8页）

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让习题教学走向多样化，让学生在实验的设计及探究中获得乐趣，对疑难问题也产生触类旁通的效应。习题实验化不是让学生多做几个实验，而是通过实验体现“实践是检验真理的唯一标准”。通过学生的参与，让课堂多一份质疑，多一份交流，多一份展示，正是新课程理念的体现。

例如，在习题实验化阶段，我们设置了这样的实验情景。

用锌片、不锈钢水杯，加入水后组成自来水电池（图7）。

提出问题：测量自来水电池的电动势和内阻。

学生结合闭合电路的欧姆定律，讨论、交流后，能设计出这样的实验方案：

①利用电压表直接测量电动势，接通电路后，测量一个定值电阻的外电压，利用公式可以求解。

②利用电流表和两个定值电阻测量两次，可利用方程组求解等等。

学生利用实验器材，可以测出自来水电池的电动势大约为0.8 V，内阻大约为4000 Ω。

综上所述，面对高中物理“难教难学”的现象，只要我们认真钻研教材，设计出学生感兴趣的实验，并让学生“卷”入其中，真正利用科学探究的方法和态度获取新的知识，并且能够实际应用，这样必然能提高高中物理实验教学的质量。

参考文献：

[1]陈琦，刘儒德.当代教育心理学[M].北京：北京师范大学出版社，1997.

[2]美国国家科学基金会教育与人力资源部中小学及校外教育处.罗星凯，李萍昌，吴娴，等，译.探究——小学科学教学的思想、观点与策略[M].北京：人民教育出版社，2003.

（栏目编辑 赵保钢）