基于问题驱动的实验探讨——以“单电表法测量小灯泡额定功率实验”为例①

(江苏省太仓市实验中学，江苏 太仓 215400)

“测量小灯泡电功率实验”是初中物理中占据重要地位的电学实验，涉及的知识面广，在此实验基础上进行拓展延伸的空间很大，尤以“单电表法测量小灯泡额定功率实验”最为典型，实验拓展的视角、方案、形式颇为多元，实验操作的难易梯度调控范围也比较大，因此成为许多地方中考压轴题的重要选题方向，同时也令不少考生颇感头疼。教学实践表明，基于问题驱动的教学方法是研究此类问题行之有效的一种重要方法。

1 基于问题驱动教学的基本思路

问题是思维的源泉，更是思维的动力。基于问题驱动的教学就是以一系列问题为学习任务的载体，在教学目标引领下，分步解决，逐层推进，螺旋上升，最终完成学习任务、达成教学目标的教学过程。这一系列问题是学生学习进程中的脚手架，是实现教学目标的阶梯，问题与问题之间具有逻辑性和递进性，同时能够有效激发学生的学习动机，“能展现和揭示学习过程与思想方法，使问题的解决过程具有普遍的知识性和方法论的意义。”[1]

如图1所示，基于问题驱动的实验探究活动可以大致分成3个阶段:(1) 提出问题阶段。在一定的情境中师生发现并提出问题，形成学习任务。(2) 设计方案阶段。通过对问题的表征，了解实验原理，规划实验步骤，分解学习任务，形成一个又一个有待解决的细化问题，它们依次递进，逐步激发。(3) 解决问题阶段。包括实验操作、搜集数据信息、分析论证、形成结论等。整个过程把落实知识点和培养学习能力紧密结合起来，以师生合作、交流互动为基本形式，以培育学生的物理学科核心素养为发展目标。

图1

2 “单电表法测量小灯泡额定功率实验”的基本类型

图2

苏科版物理九年级下册安排了“测量小灯泡电功率”的实验，实验电路如图2所示，目的是测量小灯泡的额定功率和实际功率。常规方法是伏安法，实验原理是P=UI。如果实验过程中有一个电表因故不能使用，要求用剩下的另一个电表，再加上其他必要的器材继续完成该实验，就称为“单电表法测量小灯泡额定功率实验”。主要有两大类型：一类是只用一个电压表，加其他器材；另一类是只用一个电流表，加其他器材。另外需要已知小灯泡的额定电压或额定电流。这里的“其他器材”，可选的组合很多，由此衍生出的变化很是复杂，实验要求各不相同，难度较高，实验基本要求如表1所示。

表1

3 “单电表法测量小灯泡额定功率实验”实践探索

3.1 只用一个电压表

(1) 提出问题

在“伏安法测量小灯泡额定功率”实验中，电流表损坏不能用了，补充一个滑动变阻器和两只单刀开关，如何利用现有器材继续完成上述实验？已知小灯泡额定电压为2.5V，所用滑动变阻器的最大阻值为R0。

(2) 设计方案

没有电流表就无法直接测量通过小灯泡的电流大小，提供的实验器材中测量工具只有电压表，表明该实验需要通过测量电压、借助滑动变阻器最大阻值R0来完成。教师引导学生分步思维，逐一解答，渐次深入。

问题1：如何判断小灯泡是否正常发光？

已知小灯泡额定电压为2.5V，应该把电压表并联在小灯泡两端，调节滑动变阻器，使小灯泡两端电压为2.5V，此时电灯正常发光。

问题2：实验依据的原理是什么？

问题3：如何求得小灯泡正常发光时的电阻?

可以用等效替代法，将小灯泡与一个滑动变阻器先后接入同一电路中，电源电压不变,如果它们分压相同，表明它们的阻值也相同。由此可以设计如图3所示的电路，小灯泡与一个滑动变阻器并联，分别由各自开关控制，先后接入电路，再与另一个滑动变阻器串联。这样可以通过调节滑动变阻器，使小灯泡达到正常工作状态，电压表用以监测电压。

图3

(3) 解决问题

问题4：需要进行哪些实验操作与测量？

实验步骤为：① 按图3电路图连接实验电路；

② 只闭合开关S、S1，调节R2使电压表的示数为2.5V；

③ 只闭合开关S、S2，调节R1使电压表的示数仍为2.5V；

④ 将R2的滑片P调至最左端，记下电压表的示数为U1；再将R2的滑片P调至最右端，记下电压表的示数为U2。

问题5：如何进行数据分析,得到小灯泡额定功率的表达式？

3.2 只用一个电流表

(1) 提出问题

在“测定小灯泡额定功率”的实验中，电源电压为U0，保持不变，小灯泡的额定电压为U额。在实验过程中，电压表突然损坏了，现增加一个阻值为R的定值电阻，借助原有的实验器材，如何继续进行测量？要求电路只连接一次，请设计实验方案，简述实验步骤，用已知量和测量量表示小灯泡的额定功率。

(2) 设计方案

电压表损坏不能使用了，电流表可以正常测量，现只增加一个定值电阻，电源电压已知，要测量小灯泡的额定功率，现有条件与学习目标之间跨度很大，需要教师搭建学习的脚手架，将学习任务分解成一个个驱动性问题，引导学生一步步从实验原理出发，走向问题的解决。

问题1：该实验的原理是什么？

已知小灯泡的额定电压U额，并且有电流表，依据实验原理P=UI,需要测量小灯泡的额定电流，首先要使小灯泡达到正常工作状态。

问题2：如何判断小灯泡是否正常发光？

当小灯泡两端电压等于U额时，小灯泡正常发光。

问题3：没有电压表如何知道小灯泡两端电压达到了U额？

问题4：如何测量小灯泡正常工作时的电流大小？

电流表的位置不改变，电灯与定值电阻并联，根据并联电路中电流的特点，通过小灯泡的电流I额=I总-IR，问题转化为测量干路中的电流。

问题5:如何测量干路中的电流？

问题6：如何求得滑动变阻器接入电路的阻值？

实验电路如图4所示，通过开关改变电路，断开开关，定值电阻与滑动变阻器串联，测量此时电路中电流的大小，可以运用欧姆定律结合串联电路特点进行解析。

图4

(3) 问题解决

问题7：需要进行哪些实验操作与测量？

① 按图4电路图连接实验电路；

③ 断开开关S，保持滑片位置不变，记下电流表示数为I。

问题8：如何进行数据分析得到小灯泡额定功率的表达式？

实施基于问题驱动的实验探究教学，首先，面对问题要确定其是否具有良好驱动性，分析问题所处的层次水平是否略高于学生的现有发展水平，若过于简单，答案一目了然，就失去探究的意义；相反，若问题解决的目的、过程与学生学情及教学内容的目标差距太大，也不适合作为物理学习的驱动性问题。其次，合适的驱动性问题往往是问题起始状态与目标状态存在一定的、适当的跨度与差距，需要将问题拆解成一个个子问题，组成思维进程的引导、指向与台阶，针对这些具有逻辑递进关系的子问题，可以在教师的引导启发下学生在自主探究过程中发现提出，体现了教学生成性。最后，基于问题驱动的实验探究教学，取得实效的关键在于要符合学生的认知发展规律，教学中教师要细致分析教学内容、学生的认知结构和能力水平，把握好教学内容各构成要素与学生已有认识之间的关系，提出具有良好启发性、驱动性的问题，才能实现促进学生更高效地学习物理。