以“PBL”为导向,改进多用电表欧姆挡的电路结构

王贤勇

(贵州毕节市第一中学,贵州 毕节 551700)

1 “PBL”简介

以“PBL”为导向,改进欧姆表的原理教学,培养学生科学探究能力.PBL是Problem-Based-Learning的缩写,他是指以问题为导向的一种教学方法.强调在真实情境中,以学生为主体、教师为主导、问题为导向来展开教学活动.教师要给学生布置任务或启发学生发现问题,让学生置身于真实的情境中去探寻有价值的问题.以小组合作为单位,有自主探究、有合作探究、有交流、有评价,让学生形成能发现问题、解决问题的能力以及自主学习的能力,一般流程如图1.[1]

图1

流程分为4个环节.第1个环节设计的目的是培养学生在真实情境中发现问题的能力.发现问题就是一种创新,发现问题往往比解决一个问题更有价值；第2个环节是培养学生分析问题的能力,尤其是从理论入手构建解决问题的思路；第3个环节设计实验,解决问题.实验的设计要兼顾选材方便、操作性强、简单易懂、针对性强的原则；第4个环节是评估交流,作为教师在这个环节一定要让学生充分进行交流,最大限度做到:学生汇报、学生评价、学生反思、学生改进、验证解决.教师只需要有简短的评价,一个是针对问题的评价,一个是对学生科学态度、科学方法的评价,鼓励学生大胆去创新,严谨去求真.4个环节合成1个不可分割的有机体,培养学生的科学思维和科学探究能力,在科学思维和科学探究中培养学生尊重事实、严谨科学的态度.相信经过长期有效的培养,学生定会形成解决物理问题的一套科学方法,形成科学正确的价值观念.

2 问题提出

笔者事先购置了10个热敏电阻,常温下电阻参数是80 Ω.学生们在实验室测出热敏电阻的伏安特性曲线如图2所示.学习完人教社2004版高中物理选修3-1第2章第8节“多用电表的原理”之后,用多用电表的电阻挡来测该元件的电阻,假设用“×1”挡测出的电阻为R1,用“×10”挡测出的电阻为R2,假如不考虑偶然误差,请从教材欧姆表的电路原理出发比较R1和R2的大小.

图2

教师引导学生用图3欧姆挡的电路原理[2]来分析.

图3

假设接3时为“×1”挡,由欧姆调零时可得改装电流表满足

(1)

接入中值电阻R中,半偏得

(2)

由(1)、(2)式可得R中=R内,即中值电阻等于欧姆挡的内阻.

假设接4时为“×10”挡,结合电路结构可知,两个欧姆挡共用一个电流表,故满偏电流相同.由(1)式知电源电动势E与内阻R内成正比,再结合图3,因为“×10”挡的内阻是“×1”挡的10倍,所以有

E′=10E.

(3)

假设分别用“×1”挡和“×10”挡去测同一个电阻Rx有

(4)

(5)

比较(4)和(5)式可得Ix

教师把指针式多用电表和热敏电阻发给学生,请学生用对应的欧姆挡测量出相应的电阻,验证一下理论推导是否正确.当学生测完电阻之后发现,“×1”挡测出的电阻R1小于“×10”挡测出的R2.为什么理论推导与实验测量不相符合,学生讨论、交流、汇报.其中多数学生认为是测量误差导致的.

教师引导学生打开多用电表的电池盖,观察电源的结构,与图3进行对比,有什么发现?学生经过认真比对终于发现,原来欧姆表内部只有一组电源.教师继续引导:图3的设计有什么优点,存在什么缺点?一组电源是如何实现变换欧姆挡的4个挡位的?

3 问题分析

3.1 图3优点和缺点

优点:有利于理解欧姆挡工作的原理和换挡的原理.

缺点1:用不同的电源,导致多用电表的体积增大,耗材增多,经济成本上升,同时携带、使用都不方便.

缺点2: 由前面(1)、(2)式分析,结合图3可知,欧姆挡由“×1”挡到“×10”挡,再到“×100”挡,最后到“×1000”挡.假设“×1”挡的电源电动势为E=3 V,电动势依次增大为30 V、300 V、3000 V.这么高的直流电动势,一般的干电池、蓄电池和锂电池都是无法做到的.那就说明,图3的设计只有理论意义,不具备可行性原则,所以没有实际意义和实际价值.

3.2 一电源四挡位设计

教师指导,学生设计与展示,交流评估.图4-7是笔者在教学中收集学生设计欧姆表的原理图.

图4

图6

图5设计与图4类似,不同点是多采用一个并联电阻.

图6设计说明:R为可调电阻,类似于电阻箱,但只能调4个电阻值,4个阻值分别与G表并联,构成4个电流表,再分别与电源E和滑动变阻器一起构成4个挡位的欧姆表.

图7设计虽然只有2个挡位,但学生能够根据教材进行创新设计,也是值得鼓励的.

4 设计应用

5 设计反思

图8

5.1 创设情境,发现问题,激发兴趣

教学中给学生创设的情境必须真实.情境可以来自生产、生活、科技、也可以是学生做过的实验.笔者之所以安排学生先做热敏电阻的伏安特性曲线,而且是事先选好热敏电阻的阻值为80 Ω之内,目的是创设真实情境便于实验验证.学完欧姆挡的原理后,当笔者把问题抛给学生之时,学生们兴趣盎然、逻辑严密地导出“×1”挡测出的电阻R1大于“×10”挡测出的R2.当学生用欧姆挡按题目的要求测量出电阻之后,得出的结论恰好与理论分析的相反.这样设计的目的是让理论与实验冲突,说明理论存在问题,需要修正理论,引出问题.进一步打开多用电表的电池后盖,学生进一步发现问题.这样层层递进的设计,可以起到持续激发学生的学习兴趣和求知欲的作用.

5.2 学会质疑,善于猜想,驱动求知

对学生而言,难点在于去理解为什么同一电流表、4个电源改装的欧姆表在实际应用中不行.因为学生还不知道要生产出几千伏电动势的干电池、蓄电池、锂电池成本极高,也很困难.所以教师可以在学习完“电动势”那一节书后给学生布置一个任务:在科技报刊、网络上查询一下电池的电动势一般是多大.为后面欧姆表的学习打下基础.教师引导,让学生明确任务:同一电源下,要设计4个量程的欧姆挡,那就应该改变电流表的量程.给学生垫上了一块砖,降低设计难度.经教师画龙点睛后,放手让学生去发现、设计、交流.把课堂还给学生,教师做好课堂巡查指导任务,注意发现学生存在的问题,对于“跑偏”的学生,必要时停下来倾听学生的想法,再进行指导,切勿直接帮助学生给出设计方案.

最好的PBL课堂导向模式是给学生一个真实的情境,让学生去发现一个或多个有价值的问题,激发学生的探知欲和兴趣.然后经过猜想、探究,学生自己设计方案去寻找规律、提炼方法,解决问题.最后学生在评估交流中优化问题、验证猜想、提高表达能力、增强自信心,成为学习的主人,达到理想学习的境地.