以“水果电池”为例谈“无用”知识的有用性

赵玉杰

摘   要：学生通过制作水果电池经历了科学探究的几个重要环节，以此培养他们的科学思维与动手实践能力。“水果电池”由于不是中考的考点，因此在物理课堂中很少被关注。这看似“无用”的知识，不仅蕴含了丰富的物理知识和化学知识，而且在初中阶段和高中阶段都有挖掘的价值。文章以一节“水果电池”的公开课为例，谈谈对此的思考。

关键词：水果电池;跨学科教学;初高中衔接

本文中的“无用”知识，是指不是考试的考点，在教学中很少被关注的知识。就科学知识本身而言，那些中考热点、重点自然成了课堂的主角。然而，这些“无用”知识就没有教的价值吗？笔者认为，它们有的可以用来激发兴趣，有的可以用来培养科学素养，有的可以重在培养情感，还有的可以用来打通学科界限。下面以“水果电池”为例探讨“无用”知识的有用性。

1    设计思路

通过对比实验引出本节课的研究内容，以实验小组为单位，自主开展水果电池的制作、判断电源正负极、设计实验方案、收集实验数据、归纳实验结论、分析图像、发现并解决新问题等教学过程。流程图如图1所示。

2    教学片段

2.1    猜想：二极管不发光的原因可能是什么？

演示实验1：将水果电池与电子钟表相连，电子钟表指针转动，如图2所示。

演示实验2：将水果电池与一个二极管相连，二极管不发光。

通过观察对比实验，学生会产生疑问：为什么钟表指针转动，而二极管不发光？由于二极管具有单向导电性，学生猜想原因可能是二极管的正负极接反了，另一个原因可能是水果电池提供给二极管的电压过小，不足以让二极管发光。进而引入本节课的课题——通过实验判断水果电池的正负极和探究影响水果电池电压大小的因素。

2.2    提问：如何判断水果电池的正负极

实验桌上为学生提供了二极管、电流表、电压表、灵敏电流表等实验器材，学生借助学过的电学元件，判断水果电池的正负极。

学生实验1：两人一组，用梨、铜片和锌片制作一个水果电池。然后请三个小组合作，将三个水果电池串联作为电源，用二极管判断三个水果电池串联后的正负极。

交流讨论：如何判断电源正负极？判断的结果是什么？

学生1：二极管的正极接在水果电池上的铜片时发光，由此判断铜片是水果电池的正极。

学生2：将电压表的正极接在水果电池上的铜片时，指针向右偏转，因此能判断铜片是水果电池的正极。这位同学还提出一个疑问，将电流表最小的量程直接接在水果电池的两端，电流表的指针为什么不发生偏转？

思维拓展：在实验前，学生普遍认为电压表和电流表可以判断出水果电池的正负极，但通过实验学生发现电流表的指针不发生偏转。教师可以引导学生大胆地更换仪器，用灵敏电流表代替电流表，使学生认识到优化实验器材也是实验成功的关键。

2.3    探究：影响水果电池电压大小的因素

猜想：影响水果电池电压大小的因素有哪些？

学生回答：电极的材料，电极间距，电极插入的深度，水果大小等。

举例分析：探究水果电池电压大小与电极间距的关系。

实验方案设计：教师引导学生在分析时关注几个物理量。自变量是谁？（电极间距）如何测量？（用刻度尺）因变量是谁？（水果电池电压大小）如何测量？（用电压表测量）控制变量是谁？如何控制其不变？

学生实验2：2人组成一个小组，分组实验，每6人组成一大组探究同一个问题。

交流讨论：实验过程中遇到问题可组内、组外共同商讨，确定解决方案。在交流与讨论中培养学生掌握新知识的能力，与他人合作的能力，交流不同想法的能力，归纳、总结及反思学习的能力。

学生通过实验得出结论，电极之间的距离不同，水果电池电压也不同。两电极之间的距离越大，水果电池电压越低;两电极之间的距离越小，水果电池电压越高。

2.4    分析：利用图像法分析实验数据

“图像法”是一种整理、分析数据的有效方法，它可以直观、简洁地显示出因变量随自变量变化的趋势或规律。我们以水果电池电压大小与电极间距的关系为例，根据实验数据绘制物理图像，如图3。

提问：观察图像，你有什么发现？

学生回答：随着水果电池电极间距的增加，水果电池电压降低。

提问：你还有什么新的发现？

学生回答：随着水果电池电极间距的增加，水果电池电压降低得越慢。

2.5    提问：水果电池不能使小灯泡发光的原因

演示实验3：一节干电池的电压为1.5 V，与小灯泡组成简单电路，闭合开关可使其发光。用数字电压表测量水果电池的电压为2.74 V（图4），用这个电压足够大的水果电池去点亮小灯泡，小灯泡不发光。

一节电压为1.5 V的干电池可使小灯泡发光，这个电压足够大的水果电池却不能使小灯泡发光，可能的原因是什么？

猜想1：通过小灯泡的电流过小。

猜想2：小灯泡两端的电压过小。

演示实验4：水果电池与小灯泡组成简单电路，闭合开关，用电压表测量小灯泡两端的电压，发现电压表的指针几乎不偏转，用灵敏电流表测量通过小灯泡的电流，发现通过小灯泡的电流很小。

思维拓展：小灯泡的亮度由它的实际功率决定，虽然水果电池电压足够大，但实际上小灯泡两端的电压和通过小灯泡的電流很小，根据P=I2R可知，小灯泡的实际功率很小，所以小灯泡不发光。由此猜想，可能是水果电池的电阻太大，导致电路中的电流过小。

证实猜想：教师课前利用数字电压表和电流传感器测得相应数据，通过电脑作图得出水果电池的内阻约为1200 Ω。在此引入“内阻”概念，使学生意识到水果电池有内阻，且内阻很大。

2.6    拓展：水果电池的应用

希伯来大学的研究人员一直在开发“土豆电池”，一个土豆产生的能量就足以让一个房间的LED灯亮上40天。

但是，为什么土豆电池没有成功应用呢？联合国粮食与农业组织（FAO）的高级官员说道：“将食物用作能源，你必须考虑是否有足够的存储量以及是否会对销售土豆的农民产生影响。如果都没有问题，那么这一想法就能实现。”[1]

3    “无用”知识的有用性

“水果电池”并非中考的考点，却处处体现了中考对提高学生核心素养的要求。“水果电池”不仅蕴含了丰富的物理知识，同样也涉及到大量的化学知识;不仅在初中阶段有教的必要，在高中阶段同样也有挖掘的价值。

3.1    与化学学科相互渗透

随着教学改革的进一步实施，学科之间的界限正逐渐模糊，我们深刻地体会到，任何一门学科都不是孤立存在的，而是与其他学科紧密联系的。所以，物理新课程标准的课程目标中要求“关注物理学与其他学科之间的联系，知道一些与物理学相关的应用领域，能尝试运用有关的物理知识与技能解释一些自然现象和生活中的问题”[2]。

学生在化学课上也会学习水果电池及其简单的制作，但是对于“怎么证明水果电池是电池？”“水果电池为什么没有在生活中广泛应用？”等问题是化学学科所不容易解决的。物理课就可以以此作为出发点，设置任务，完成物理量测量后必然对以上问题有所解释。

在平时的教学过程中，如果我们只关注考点知识，可能忽略对知识更本质的理解。探究水果电池的奥秘时，学生从宏观视角利用灵敏电流表、电压表和发光二极管可以判断水果电池的正负极，从微观视角利用锌铜金属的活泼性同样可以得到答案。制作水果电池时，尽量选用长度、宽度、厚度相同的同种金属。把灵敏电流表直接接在水果电池两端，其指针几乎不发生偏转;但当其中一个金属插入的深度逐渐变化时，其指针发生较大的偏转。教师从宏观和微观两个视角剖析上述实验，可使学生对水果电池的工作原理、电势差产生的原因有了更为清晰的认识。

水果电池对增进学生的理解力，培养学生的理性思维大有裨益。它并非仅仅把两门学科简单地粘在一起，而是学科思想方法的整合和综合，学生对水果电池的深入研究，可以实现跨学科学习。

3.2    与高中物理衔接

坚持核心素养的物理教学衔接有利于学生知识结构体系的建构，有利于学生物理思维能力的养成，有利于对学生物理学科兴趣的培养[3]。

通过对比初、高中物理教材发现，初中物理实验的呈现方式较为完整、全面，教材中会给出实验具体的操作步骤;高中物理教材中实验的呈现方式为提纲式，仅针对实验过程中遇到的障碍性问题进行说明。

初中阶段关于“水果电池”的探究，给学生提供了一个真实的探究环境，学生经历了自主发现问题、解决问题的过程，体现了课程标准对科学探究七个要素的基本要求，为高中物理实验的学习奠定了坚实的基础。

因此，在高中阶段开展“水果电池”的探究实验时，以小组为单位根据实验器材以及教材上的提示，可自主设计实验电路图，如图5所示。学生通过交流讨论，确定了符合本实验的电路设计（图5中的电路①）。

通过改变滑动变阻器的阻值大小，进而改变水果电池两端的电压和电路中的电流，得出实验数据。运用图像法分析、处理实验数据，是初、高中教学的重点。初中阶段学生通过分析实验数据，得出水果电池两端的电压与电极间距和电极插入深度的关系图像，进而根据图像猜想引起电压变化的原因，可能是水果电池并非理想电源。在初中学生能接受的范围内进行合理扩展，使学生了解电池“内阻”的存在。

高中阶段可利用统计软件Excel处理实验数据，绘制U-I图像，拟合出电流与电压的关系式。分析数据和图像发现，水果电池的内阻与电压表内阻相比不可忽略。为了得到更为准确的实验数据，学生自主对实验电路进行改进，改进后的电路图如图6。对于这一问题的思考，使得学生的创新意识进一步加强。

本节课是从初中学生的视角出发，设计了关于“水果电池”的探究实验。在初中阶段学生多次与电源“内阻”问题不期而遇，因此，在教学中我们不能一味地避而不谈。例如，在“探究并联电路特点”时，把两只小灯泡并联在电源两端，两只灯泡都发光，但取下其中一只灯泡时，观察到没被取下的灯泡变亮了。再如，学生将电源与定值电阻组成简单电路时，用电压表测量定值电阻两端的电压，发现当定值电阻阻值分别为5 Ω、10 Ω、15 Ω时，电压表对应的示数为2.2 V、2.4 V和2.5 V。学生在实验过程中发现的这些问题使他们充满了疑惑，而这些问题都与“内阻”有关。在初中阶段适度地引入“内阻”知识，有利于学生在真实的情境中主动地建构知识。

“水果电池”充分体现了课程标准中“提高学生的科学素养，增强学生的创新意识，发展学生的自主学习能力和独立研究能力”等要求。体现了实验活动从初中定性到高中定量的转变，也为高中阶段对于实验更完整、更具体、更深入的教学要求搭建了思维的阶梯，最终通过实验培养学生发现问题、制订计划的能力等。

4    获得的启示

庄子云：“无用之用是为大用也”[4]。从升学和考试的角度看，这些知识在短期内用处不大，对于学生的长远发展而言，它们又是有用的。在兴趣的驱使下学生进行自主探究，他们学会的是一种学习方式和科学研究方式，也是他们学习科学知识、发展科学思维、形成科学态度必经的一个历程。

我们在今后的教学中，应仔细衡量、认真辨析我们的课程中哪些知识是“有用的”，哪些知識是“无用的”，找准它们之间的平衡点，这考验着我们每一位教师的智慧。或许我们可以在物理课程某一单元或者某一部分课程结束后，安排一节类似“水果电池”这样综合性强、能激发学生学习兴趣的课。例如，讲完摩擦力后，可与空间科学相结合，讲授“人造卫星”的相关知识;讲完光学后，把几章的内容融合到一起，讲授“电影的魔力”。我们利用这些综合性强，又与生活息息相关的课题，给学生一个自由开放的探索环境，毕竟兴趣是学习最好的动力。

著名物理学家和教育家费曼曾说：“物理教师的职责是让学生欣赏奇妙的世界和物理学家看待这个世界的方式”。要使物理课堂变得智慧与生机勃勃，仍需要教师们在物理教学中不断变革和创新。

参考文献：

[1]土豆电池技术的应用任重而道[J].功能材料信息，2013，10（Z1）：108-109.

[2]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2011.

[3]林钦，陈峰，宋静.关于核心素养导向的中学物理教学的思考[J].课程·教材·教法，2015，35（12）：90-95.

[4]钱颖一.“无用”知识的有用性[N].中国青年报，2012-08-27（012）.

（栏目编辑    罗琬华）