实验为“根”思维为“魂”

沈志斌

物理学是以实验为基础的科学，科学的本质是求真，求真过程即思维发展的过程。

1问题提出

测定电池的电动势和内阻的学生实验，教材提供了3种实验方案：一是电压表、电流表、滑动变阻器法；二是电流表、电阻箱法；三是电压表、电阻箱法。

关于数据处理，对于第一种实验方案，教材既介绍了解方程组法，又介绍了图像处理法，并指出相比于解方程组，图像处理误差更小、更简便、更直观。教材提供的范例是要求学生用图像法处理。对第二、三种实验方案，教材没有介绍图像处理法，笔者猜测其原因是第二、三种实验方案中，电流强度与电阻、或路端电压与电阻成非线性关系，不经过变量转换，无法得到线性图像。

学校教学的现状是，多数学校只要求学生按照教材提供的第一种实验方案去做，这样的做法留有后患。其一是学生缺失第二、三种方案的实验体验，有可能导致学生不会用电阻箱，因为学生此前没有用过电阻箱；其二是学生缺失变量转换的思维训练。

2教学处理

2.1学习理论

根据美国学者、著名的学习专家爱德加·戴尔提出的学习金字塔理论，平均学习保持率（两周后保持的比例）与学习方式有很大关系。在听讲、阅读、视听、示范、小组讨论、做中学、教别人共7种学习方式中，做中学的平均保持率为75%，排7种学习方式的第二位，因而它是有效学习的方式。物理学是以实验为基础的科学，实验是物理学的“根”，学生缺乏第二、三种方法的体验，也就没有了“根”；求真过程即思维发展的过程，思维是物理学的“魂”，变量转换的思想就是本节课的“魂”。

2.2教学目标

本节课的教学目标定位如下：

（1）经历用电流表、电压表和滑动变阻器测定U-I值，绘制U-I图像求E、r值。

（2）经历用电流表和电阻箱测定I-R值，通过坐标变换绘制1/I-R图像求E、r值。

（3）经历用电压表和电阻箱测定U-R值，通过坐标变换绘制1/U-1/R图像求E、r值。

2.3实验器材的选配

电池：R20P/D SIZE/SUM-1/.5V高功率碱性电池（旧）；

电流表：J0407（0-0.6-3A）双量程电流表；

电压表：J0408（0-3-15V） 双量程电压表；

滑动变阻器：D-HD-L20/2；

电阻箱：J2362-1（0-99999Ω）；

电键、导线。

2.4实验过程

2.4.1电流表电压表滑动变阻器法

[实验原理]实验电路图如图1所示，根据闭合电流欧姆定律U=E-Ir，只要测出多组（U、I）数据，如表1所示，在坐标纸上选取合适的标度，画出U-I直线图像，U轴上的截距为E值，直线的斜率的绝对值为r。

图1实验电路图[实验数据]（数据来源于学生实验）

表1电流表、电压表、滑动变阻器法测量数据U、I

I/A0.0600.0800.1000.1400.1600.2000.2400.260U/V1.151.101.000.850.750.650.500.38[实验图象]

利用Excel作图功能绘制图如图2所示，可得电动势为1.38 V，内阻为3.77 Ω（学生数据处理时通过描点连线，利用U轴截距求电动势，利用斜率的绝对值求内阻）。

图2U-I图2.4.2电流表电阻箱法

[实验原理]如图3所示，根据闭合电流欧姆定律，E=I（R+r），变量变换1I=1ER+rE，测出（1I、R）数据，如表2所示，绘制1I-R图像，斜率为电动势的倒数K=1/E，截距为内阻与电动势的比值r/E。

图3实验电路图[实验数据]（数据来源于学生实验）

表2电流表、电阻箱法测量I数据

R/Ω9754321I/A0.1000.1200.1400.1600.1850.2200.2701/I（1/A）10.008.337.146.255.414.553.70[实验图象]

利用E-XCEL作图功能绘制图如图4所示，可得电动势为E=1/0.7773=1.29V，内阻为r=3.91 Ω（学生数据处理时通过描点连线法）。

图41/I-R图2.4.3电压表电阻箱法

[实验原理]如图5所示，根据闭合电流欧姆定律，E=U+Ur/R，变量变换，1U=rE×1R+1E，测出（1U、1R）数据，如表3所示，绘制1U、1R图像，斜率为K=r/E，截距为1/E。

图5实验电路图[实验数据]（数据来源于学生实验）

表3电压表、电阻箱法测量R、U数据

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[实验图象]

利用Excel作图功能绘制图如图6所示，可得电动势为E=1/0.782 5=1.28 V，内阻为r=3.24 Ω（学生数据处理时通过描点连线法）

图61U-1R图3教学反思

3.1教学知识层面

教材是教学的重要参考资源，新课程指出，教师要从教教材逐渐走向利用教材教，这要求教师既要重视教材的教学功能，又不拘泥于教材。教师通过教学设计，编制符合学情的学历案，聚焦教学重点和难点，同样的一节课，学生顺利完成了3个实验任务，经历了2次变量转换，3次坐标标度的选择，3次描点连线的实践，相信学生会有更多的体验和收获。

3.2学科知识层面

本节课得到的3种测量结果，也是下一节分析实验误差的重要资源。如图3所示，测得的电源内阻值（r=3.91 Ω）等于电源内阻加安培表电阻，应大于真实值；如图5所示测得的电源内阻值（r=3.24 Ω）等于伏特表内阻与电源内阻的并联值，应小于真实值，实验数据符合理论分析的结果，学生实验报告数据表明64%的学生是成功的。

3.3学生认知层面

通过实验报告批改，教师对学生多了一份了解。统计表明，100%的学生完成了实验操作；第一、第二、第三种实验学生综合正确率分别达到636%、709%、600%。存在的问题是12.1%的学生直图线不延长，10.3%的学生连成曲线，这说明学生对于实验原理的理解不到位；8.5%的学生坐标轴分度不合理，这也是一个教学的难点，说明今后教学中要加强相关的训练。