“电表改装”的体验式教学设计

颜 辉 黄树清

(1. 福建省福州格致中学,福建 福州 350001； 2. 福建师范大学物理与能源学院,福建 福州 350108)

依据物理学科和知识的特点,高中物理教学要大胆创设“实体验”环境,让学生更多的观察和实践,从中培养学生思考和质疑的能力,并能自主发现问题和解决问题.本文以鲁科版高中物理选修3-1教材中“串联电路和并联电路”的教学为例,进行电压表的改装和校准,就如何依托“实体验”实现从理论到实践的跨越,有效提升学生实验素养进行实践探讨.

1 基于“实体验”的电表的改装与封装,提升实践与应用能力

高中物理教材中对于串并联电路知识的介绍,更侧重于让学生根据串并联电路的特点进行应用与实践,将电流计改装成大量程的电压表就是利用了串联电路的分压作用,教师通常是采取纯理论推导的方式来介绍电表的改装原理,甚至还给出一些现成的公式让学生解题时套用,但是学生并没有掌握真谛,毕竟，单调、空洞地讲解永远比不上亲自动手体验.因此,笔者从电表改装的理论分析出发,准备好相关的实验器材,创设电表改装的“实体验”环节,让学生在理论分析的基础上完成电表的改装与封装,迈出理论到实践的第一步,实现学生动手实践能力和知识应用能力的有效提升.笔者所设计的3个教学与实践环节如下.

1.1 电表改装的理论分析

通过“串联电路和并联电路”第一课时的学习,学生已经掌握了串并联电路的特点和电表改装的基本原理,本节实践课可以设计一道改装电表的例题,让学生通过计算完成电表改装的理论分析过程,为接下来的实践做好知识的准备.

图1 毫安电流表

例题.如图1是一台毫安电流表,内阻Rg=100Ω,满偏电流Ig=1mA.要把它改装为量程为0～3V的电压表:

(1) 分析(串/并)联电阻,并计算电阻的阻值;

(2) 画出改装电表的结构图;

(3) 改装后新电压表的内阻是多少?

1.2 电表的改装和封装实验

在理论分析的基础上指导学生动手操作,教师准备好电表改装所需的实验器材,并提出改装电表的具体要求,让学生两两为一组完成电表的改装与封装实验.

实验器材: 1台毫安电流表(Rg=100Ω,Ig=1mA)、电阻箱(0-9999Ω)、 记号笔、硬纸板、导线若干.

实验要求:

(1) 将毫安电流表改装为量程为0～3V的电压表;

(2) 完成电阻箱阻值的设定,如图2(甲),在盒子内用导线把电阻箱与毫安电流表的表头串联;

图2

(3) 如图2(乙),用记号笔在盘面上标出对应刻度的电压值,完成电表的封装;

(4) 确定改装后电压表的精度.

1.3 实践的对比与反思

在完成电表的改装和封装之后，教师接着展示实验室的电压表的内部结构图(如图3),让学生对比自己的实验成果,从而让学生对串联电路的分压作用有了真实的认识和体会,同时让学生体会到动手实践的乐趣和成就感.教师通过设置如下问题进行实践后的反思,突破电表改装中的难点问题,从而让学生在“实体验”的基础上进一步理解改装电压表的本质.问题设置如下.

图3 电压表的内部结构图

(1) 表盘上电流值指的是流过哪个元件的电流?

(2) 表盘上电压值指的是哪两端的电压?

(3) 电表指针偏转角越大,流过表头的电流也越大吗?

2 基于“实体验”的电压表的校准与改进,提升分析和处理实验误差的能力

改装后的电压表是否有使用价值,最关键的一步就是和标准电压表放在一起进行校准,教师指导学生完成电压表校准电路的设计,创设校准电表的“实体验”环节,根据学生设计的校准电路完成实际的校准过程.实际的校准过程中会出现改装表读数总是小于标准表读数或总是大于标准表读数这两种误差情况,在充分认识电压表本质的基础上,让学生正确分析误差造成的原因,并且寻求解决办法处理所遇到的问题,提升学生分析误差和处理实际问题的能力.笔者设计以下两个教学与实践环节.

2.1 设计校准电路图,完成实物连线

教师提出校准改装的电压表的具体要求: (1) 用标准电压表校准改装的电压表; (2) 从0V到3V校准电压表.学生根据以上要求设计校准电路图,并完成实物连线(如图4).教师用手机拍摄较为典型的学生的设计电路图和实物连线,利用手机屏幕投射功能将其直接投射到白板上,对学生的设计方案和实物连线做出及时的反馈和点评,从而使学生对校准电路有更深刻的理解.

图4 校准电路设计与实物连接

2.2 用标准电压表校准改装电压表,分析误差并提出改进方案

教师按照学生设计的电路完成校准电路的实物连接,通过视频技术实时直观地呈现校准的全过程,在实际的校准过程中发现改装表读数总是小于标准表读数(如图5),让学生4个人为一小组分析和讨论造成这一误差的原因,并提出改进方案.通过分析和讨论让学生更进一步理解电压表的本质是一个电阻,表头读数偏小实质上是电流偏小.教师让学生充分表达自己的观点,并将学生讨论提出的改进方案付诸实施.学生通过改装电表的校准与改进的真实体验,掌握了分析和处理实验误差的方法,并体会到了思考和实验的乐趣,极大地促进了学生实验素养的提升.

图5 改装电表的标准结果

3 基于“实体验”的思维拓展训练,提升实验思维能力

基于“实体验”的教学的最终目的是通过学习和实践让学生掌握处理实际问题的方法,并具备一定的实践创新能力.因此,在最后环节设计基于“实体验”的思维拓展训练,让学生前后桌一起通过动手实验去寻找或验证问题的答案.本环节的设计让物理教学从实验中来到实验中去,实现了学生实验思维能力的培养和锻炼.笔者设计如下环节.

图6

思维拓展训练: 由同一表头改装而成的电压表,1台量程3V,另1台量程15V,串联接入电路中(如图6),闭合开关时: ① 两台电压表的读数是否相同?② 两台电压表的指针偏转角是否相同?③ 请前后两桌的同学为一组进行分组实验,通过实验验证你们的想法.

4 结语

本节课的教学所创设的实体验环节环环相扣,层层递进,实现了3方面的教学目标:一是利用串并联电路的知识,进行改装电表的理论计算;二是在实际进行改装和封装电表过程中,学会利用串并联电路的知识分析和解决实际问题;三是通过对改装电表的校准和改进加深了学生对串并联知识的理解和对电压表本质的认识.反思本节课的教学,在设计校准电路时教师可放手让学生自主设计实验方案,在设计实验时,每个学生的思路是不一样的,设计出来的方案也不尽相同,或许有的方案超出了所学范围,但是关键在于设计方案的过程,有利于培养学生发散性的科学探究思维,提高学生实验的创造力.[2]基于“实体验”的物理教学着眼于提升学生的实验素养,摒弃了纸上谈兵的传统教学模式,没有拘泥于知识方法的讲授,发挥物理学科的天然优势,尽可能地创设条件和情境让学生动手实验,通过实验能更好地掌握知识和方法,同时通过实验去发现和解决实际问题,造就学生敢于探索和实践的品质.