基于发展学生核心素养的物理实验有效教学探讨

龚浩 田仁军 彭丽丹 陈忠阳 齐恋

摘   要：通过理论与实验结合突破欧姆表表盘刻度、中值电阻、欧姆调零等教学难点，把科学思维、科学探究等物理学科核心素养落实到高中物理教学中，能够加深学生对相关概念和操作的理解。

关键词：欧姆表;表盘刻度;中值电阻;欧姆调零

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）5-0073-3

普通高中物理课程标准提出，发展核心素养是物理课程的基本理念，物理学科核心素养包括四个方面，要求学科课程培养学生的探究意识，培养学生能在实验中发现问题、设计探究方案和获取证据的能力[1]。高中物理实验教学可以培养学生探究问题、获取事实依据的能力，因而是培养学生核心素养的重要途径。本文以“多用电表的原理”第一课时为例，探讨基于培养学生核心素养的物理实验教学方法。

1    教材及学情分析

多用电表的原理和使用是闭合电路欧姆定律的具体应用，旨在提高学生灵活运用知识解决实际问题的能力。通过本节课的教学使学生知道欧姆表测量电阻的原理，了解欧姆表的内部结构和刻度特点，通过实验操作学会使用多用电表测量电压、电流和电阻，养成良好的多用电表使用习惯[2]。教材的这部分内容是实践课标要求、具有较强实用价值的内容。在近年的高考中，对于多用电表学生感觉最困难的是欧姆表，而欧姆表中有关表盘刻度原理、欧姆调零、中值电阻概念的理解和应用往往是学生最容易出现错误的几个问题。

基于上述分析，在具体的教学设计和实施过程中形成了如下思考：本节课第一课时着重讨论欧姆表，将欧姆表原理及操作合成在一节课中，让学生在学习实验原理的同时，通过动手实践，加深对上述几个难点的体验和理解，使之得以突破。

2    课前准备

由于本节内容是学生第一次接触欧姆表原理和操作，让学生在课堂上掌握原理并进行测量是不符合学生现有水平的，所以本堂课的重点是让学生理解表盘刻度原理，知道什么是欧姆调零和中值电阻。欧姆表电路的连接不是本节课的重点，所以在上课前将基本电路连接好，使学生能够直接测量，表盘上只有刻度，没有刻度值（如图1）（建议直接用多用电表10 mA挡，遮住原有刻度），按小组数准备器材。

学生用的待测电阻为220 Ω左右的色环电阻，方便学生动手测量完成后，通过色环参数进行验证，增强学生学以致用的信心。

3    教学过程

3.1    引入

测量定值电阻的阻值最常用的是伏安法，但既要读数又要计算。如果有一种电表能像电流表和电压表一样直接读出阻值，就很方便。电压表和电流表都用到了一个共同的元件——表头，流过表头的电流和指针偏角成正比，表头表盘刻度呈现均匀分布的特点。

问题1：如果将表头直接与待测电阻连接，表头是否正常工作？还需要哪些元件？

问题2：为什么要用滑动变阻器？

问题3：连接电路后，应该用什么原理计算待测电阻的阻值？此外，还需要知道哪些物理量？

设计意图：在学生已有电表改装知识的基础上，引入认知冲突，引导学生思考实验原理“闭合电路欧姆定律”;引发学生讨论所需器材及所需的物理量，即待测电阻外其他电阻的阻值。

3.2    分组实验

（1）观察实验器材

让学生找到实物图与电路图（图2）的联系。

（2）分配小组任务

以4个学生为一个小组，一个学生拿红黑表笔，一个学生拿电阻，一个学生负责读数并记录在学案中，最后一个学生计算电阻的阻值并做好发言准备。

（3）讨论

问题1：测得的电流有多大？阻值是多少？如何得出？

问题2：其他部分的电阻是多少？怎么操作最方便计算除待测电阻外的阻值？

问题3：如果每次都这样计算待测电阻阻值不方便，根据什么关系式可以将表头刻度转换为电阻的刻度？

设计意图：通过实验操作让学生熟悉欧姆表测电阻的实验原理;通过讨论和思考初步了解欧姆调零的概念;写出待测电阻与表头电流关系式Rx= -150 Ω，引导学生思考表盘刻度的转换，为下一步学生自己动手标注电阻值做好准备。

3.3    转换表盘刻度

给出相应参数E=1.5 V，Ig=10 mA，学生根据电路图和待测电阻与表头电流关系式Rx= -150 Ω，在表中填写电阻值，并在表盘刻度上方标注相应的电阻值（如图3、表1所示）。

设计意图：通过动手操作让学生亲身体验欧姆表刻度，明确欧姆表及其工作原理。

3.4    讨论中值电阻的概念以及欧姆调零的意义

问题1：观察刻度，呈现什么特点？

问题2：短接的时候电流为Ig，回路的总电阻是150 Ω，当电流为 時，什么原因导致电流变小？总阻值变为原来的几倍？把r、Rg、R1称为R ，R 和R 是什么关系？

问题3：要让总阻值变为原来的两倍，欧姆表中间位置的刻度应为多少？它实际是什么电阻的阻值？

问题4：当Rx为其他值时，不改变电路的前提下，如果指针不指在中间，R 是否变化？

问题5：R 为定值，若r、Rg、R1其中一个或几个发生了改变，要让电阻刻度依然准确，Rx依然满足关系式Rx= -150 Ω，应该调节什么元件才能保证R =150 Ω？怎样调节？

设计意图：让学生通过观察，知道欧姆表表盘刻度的特点，左密右疏，不均匀;通过讨论，明确中值电阻的概念，即指针指在表盘中间位置时的电阻值，同时也是欧姆表的内阻值。知道当红黑表笔短接，通过调节滑动变阻器使表头满偏即是“欧姆调零”，清楚为什么要调零。

3.5    验证测量结果

根据待测电阻上的色环（图4）及读数说明，验证测量是否准确。现场提供多用电表，让学生观察多用电表，为下节课做准备。

4    课后反思

本节课将欧姆表测量原理、刻度原理与实验进行整合，实现了在一堂课中学生手脑并用，测量有依据、有验证，比单独分析欧姆表原理或单纯地测量待测电阻阻值，更能加深学生对知识点的理解，提高学生应用数学关系转换读数的思维能力，为培养学生科学思维和科学探究的核心素养打下基础。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：1-6.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1教师教学用书[M].北京：人民教育出版社，2010：99-102.

（栏目编辑    李富强）