中学物理探究式实验设计

陈耀 桑芝芳

摘   要：新课程注重对学生科学探究能力的培养，因此让学生自己思考与探究物理实验具有十分重要的意义。文章以手摸发电仪器为例，设计探究性实验，引导学生从仪器原理、影响因素两个方面对手摸发电仪器进行深入探究和思考。

关键词：探究性实验;手摸发电机;仪器原理;影响因素

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）5-0049-3

探究式实验设计，就是教师提前做好框架设计，让学生通过自己设计探究实验掌握结论猜想，以问题为导向，采取小组合作交流的教学形式，是探究式实验教学的主要形式[1]。能够让学生在整个探究式的学习过程中发挥他们的主体作用，很好地贯彻新课标的教学理念：以学生为中心，充分发挥他们在学习中的主体作用[2]。

手摸发电仪器是一种科学演示仪器，主要用在展现科学奥秘，传递科学魅力，激发孩子兴趣的科普宣传展览上。这个仪器操作步骤十分简单，将双手按压在两个不同颜色的金属板上，就会发现电流计的指针发生了明显的偏转，是一个操作简单、现象清楚、安全性高的科普仪器。手摸发电仪器演示人体导电和生物电流现象，含两对铜铝电极。这是仪器标签上的简单介绍。虽然这个仪器操作简单，现象也非常清楚，但其中还是有不少问题值得深入探究。因此，笔者认为可以以手摸发电仪器为中心，引导学生针对仪器的原理、影响因素自己设计实验，进行实验探究。这符合新课标培养学生核心素养的要求，对培养学生科学思维和科学探究能力具有重要意义。

1    仪器原理的探究

首先让学生自己先接触仪器（如图1），阅读仪器的介绍说明，用学生自己的方式、方法认识这个仪器。在学生对仪器有一个大概的了解后，提出问题：使电流表指针偏转的电流是怎么产生的？教师在黑板上画出表格，统计不同猜想学生的人数（见表1）。在此基础上，将学生按不同观点分成两个不同的“阵营”，各自设计实验验证自己的猜想，并将实验思路和现象记录在表格中。

通过两个“阵营”设计的实验以及实验现象分析，学生可以得出结论：手掌与金属板接触产生了电流。

通过教师的引导，学生通过自己设计的实验确定了是手掌与铜铝金属板接触产生了电流，到这里还可以继续深入探究一下“手掌上的什么物质与铜铝极板发生反应”。教师向学生提出问题：手掌上有什么物质与极板反应而产生电流呢？并在黑板上统计学生的猜想，并列出表格统计（见表2）。

按照上述猜想，将学生分成3个小组，设计实验探究自己支持的猜想。

（1）猜想一：手掌上的水与铜铝极板发生反应产生电流。

实验器材：手摸发电仪器，蒸馏水，导线，塑料手套。

设计实验：学生在两极板滴上蒸馏水，用导线连接两金属板，观察3分钟内电表指针的偏转情况。

实验现象：3分钟内电表指针不偏转。

（2）猜想二：手掌上分泌汗液含有的盐分与铜铝极板反应产生电流。

实验器材：手摸发电仪器，食用盐（细鹽），导线。

设计实验：在铜铝极板上分别撒上食用盐，并将盐粒平铺开来，使盐粒和金属板接触面积尽量大一些，并用导线将两金属板连接，因为盐粒是固体，固体反应可能比较缓慢，因此观察3～6分钟内电表指针的偏转情况。

实验现象：3～6分钟内电表指针一直没有偏转。

（3）猜想三：盐水与铜铝极板发生反应产生电流。

实验器材：手摸发电仪器，生理盐水，胶头滴管，导线。

设计实验：取一杯生理盐水，稀释一下，用胶头滴管吸取稀释后的盐水，分别在铜铝极板上各滴数滴，用导线将两金属极板连接，观察3分钟内电表指针的偏转情况。

实验现象：电表指针有偏转，但是偏转角度小于手掌直接按压在金属极板上的偏转角度。

经过学生验证实验现象的对比，学生自己得出了结论：手掌上的汗液与铜铝金属极板发生反应产生电流。但是，学生并不能理解这个“反应”的实质，这涉及高中化学的知识，教师可以通过网络查阅相关知识，给学生简单讲述内在原理：人手掌上有汗液，其成分与生理盐水一致，是一种电解质，里面含有许多正负离子（钠离子和氯离子为主）。同时，铝板比铜板活泼，与汗液中的负离子发生化学反应，使铝板表面聚集了大量电子，用导线将两金属极板连接，铝板表面的电子通过电流计向铜板移动，电子的定向移动产生电流，所以电流表指针发生偏转。

2    影响现象的因素探究

通过上面学生自己设计探究实验，学生已经明白了手摸发电仪器的原理，接下来教师将会继续引导学生深入探究手摸发电仪器的“奥秘”——探究影响电流表指针偏转角度的因素。

在以小组为单位自主认知仪器的过程中，学生必然发现指针偏转的变化。教师在黑板上画出表格，学生先凭借之前对仪器的探究提出自己的猜想（见表3）。

按照上述猜想，将学生分成3个小组，分别研究3个因素的影响。

（1）猜想一：手掌与金属板的接触面积。

实验器材：手摸发电仪器。

设计实验：同一个学生，分别以手掌全部按压在金属板上、手心按压在金属板上和手指按压在金属板上，观察这3种情况下指针的偏转情况，记录电表读数，换几个学生进行相同的实验，记录读数（见表4）。

得出结论：手掌与金属板接触面积越大，指针偏转角度越大;接触面积越小，指针偏转角度越小。

（2）猜想二：手掌的潮湿程度。

实验器材：手摸发电仪器，蒸馏水。

设计实验：同一个学生，分别以正常状态下的手掌与手心蘸水的手掌按压在金属板上，观察指针的偏转角度，记录数据。换几个学生，重复上述操作，记录数据（见表5）。

得出结论：手掌潮湿时的读数大于手掌干燥时的读数。

（3）猜想三：手掌所带电荷的多少。

实验器材：手摸发电仪器。

设计实验：同一名学生，先将手掌完全按压在金属板上，读出示数;将手掌与头发摩擦，再完全按压在金属板上，读出示数。换几个学生重复上述操作，记录数据（见表6）。

得出结论：摩擦后的指针偏转比摩擦前偏转大。

3个小组在设计实验时都运用了控制变量的方法，多次测量减小偶然误差，基本验证了猜想。综合3个小组的结论，手掌与金属板的接触面积、手掌的潮湿程度以及手掌所带电荷都会对指针偏转产生影响，且都是正相关。

手摸发电机是科普展览上很常见的一个小仪器。在科普展览上，学生见得到、摸得到，但是缺少有目的、有引导的思考。通过这样的课外实验，在教师的引导下，学生大胆猜想，合作探究，运用所学的知识设计实验并验证猜想。虽然这样的实验课堂涉及的知识不仅仅是物理学科，还有化学学科的知识，但是也具有跨学科教学的探究意义。在帮助学生巩固所学的物理知识，发展学生的科学思维外，还对帮助学生构建一个完整的科学观，弥补分科教学的弊端进行了有意义的探究。

参考文献：

[1]孙子彪.新课程标准下高中物理探究式实验教学研究初探[J].学周刊，2018（16）：40-41.

[2]乔秀宏.新课程标准下高中物理探究式实验教学研究[J].课程教育研究，2019（36）：49-50.

（栏目编辑    王柏庐）