“立德树人”理念下用电位差计测电池电动势教学研究

王美玉，白彦魁，田之雪，邸 冰

(河北师范大学 1.物理学院；2.物理国家级实验教学示范中心,河北 石家庄 050024)

用电位差计测量电池电动势是高等院校普通物理实验电磁学部分的一个必开设的实验项目，其补偿法原理是经典的测量手段和实验方法。实验要求学生认真学习电位差计的补偿式工作原理、结构及特点；掌握用电位差计测量未知电动势的方法和技巧；培养学生正确连接电路、分析实验线路和排除实验过程中故障的能力[1]。为了提高教学质量，对该实验的教学研究已经有过一些相关讨论[2-4]。自2020年5月教育部颁发《高等学校课程思政建设指导纲要》以来，以落实立德树人根本任务、全面提高人才培养质量为中心环节，将课程思政教育理念融入课堂教学已经成为高校教师的一种共识[5，6]。文章以用电位差计测量电池电动势实验为例，对课程思政融入普通物理实验教学设计与实践进行了初步探讨。

1 仪器介绍

目前实验室用的是杭州大华仪器制造有限公司生产的DH6502型电位差计综合实验仪，如图1所示，主要包括DH325新型十一线电位差计、DHBC-5标准电势和AZ19型直流检流计三部分。图2是DH325新型十一线电位差计面板图，其所用电阻丝AB全长11米，总共分成了11段，前10段绕在透明玻璃板下的十个有机玻璃棒上，最后1段绕在一个刻度盘上。面板上有0、1、2、…、10的编号插线孔，每两个编号插线孔间电阻丝长为1米，电阻值为10欧。触点C可选插任意一个插线孔。滑线盘电阻丝0B有毫米刻度，触点D可在它上面滑动[7]。课堂上，可以通过简单介绍该仪器发展历程，展示人类创新思维与技术创新的能力。同时，学校更新实验仪器，加大实验课程资金投入，借机引导学生珍惜拥有的一切，感恩国家、学校、家长和老师的付出，培养学生家国情怀，学生会更容易接受。

图1 DH6502型电位差计综合实验仪

图2 DH325新型十一线电位差计面板图

2 课堂教学过程

在实际教学中，为了更好地将思政元素融入到实验教学中，设置了三个“为什么”，将实验原理、实验内容及实验操作注意事项有机串联起来。

(1)准确测量电源电动势的方法是什么？这一问解决本实验的原理问题，是要重点讲解的部分，意在将科学思维的启发贯穿于实验原理中。

(1.1)补偿法原理

补偿原理如图3所示。

图3 补偿法原理示意图

Ex是待测电动势，E0为连续可调的补偿电压。调节E0使检流计G示零，此时必然有Ex=E0，这说明待测电动势Ex已经被可调的E0所“补偿”，若已知E0就可以得到Ex。

(1.2)电位差计测量电池电动势的电路

测量电路如图4所示。实验所依据的原理公式为

(1)

LC′D′/LCD可以直接测量得到，EN为已知的标准电池的电动势，则EX可求出。这部分，结合实验电路图，可以请学生讲解实验原理公式的推导，学生的课堂表现记录在过程化评价考核中，充分调动学生学习的积极性。另外，教师进行点评总结时，指出电位差计测量电动势属于间接测量法，进而不失时机地引出，在同学们日常学习和生活中遇到直接难以解决的问题，要积极应对，广开思路，培养间接思维方式，这会是课程思政的一个有效切入点。

(2)实际操作时为什么检流计支路要串联一个大电阻？这一问引入到实际操作注意事项，先教师讲解加演示再学生独立操作进行亲身体会。

在图4所示电路图中有一个电阻R0，推导原理公式的时候令R0=0。那么电路里面为什么串联一个电阻呢？在学生进行实验时，可能因触点位置选的不合适导致标准电池和检流计中通过较大电流。为了防止仪器损坏，在检流计支路串联一只大电阻，但这样就降低了电位差计的灵敏度，即两个触点之间和EN(EX)还没有完全平衡，由于大电阻的存在而使检流计无明显偏转。因此，当电位差计平衡后，还应该逐渐减小电阻R0的值，进一步调节平衡，直到该电阻变为零时调节平衡后得到的触点间的长度才是需要的测量值，这样就可以起到保护标准电池和检流计的作用。保护电阻的引入，拓宽了原理知识的深度，在这一过程中，教师适时地指出：实验教学需要大量的甚至有些是比较昂贵的实验设备、仪器耗材，实验课程成本高，从而要求学生要爱护实验仪器设备，加强安全意识，规范实验行为，同时有意识地将社会公德教育和生态文明教育融入实验室环境，使学生在实验活动中接受到隐性教育的信息，凸显出对学生的人文关怀。

图4 电位差计测量电池电动势电路图

(3)决定十一线电位差计准确度的因素是什么？这一问引出了本实验的误差计算。

十一线电位差计测量的准确度主要取决于：十一米电阻丝每段长度的准确性和粗细的均匀性、标准电源的准确度、检流计的灵敏度及工作电流的稳定性。实际上，本实验所用电阻丝很均匀，标准电源电动势准确稳定，检流计很灵敏。对于工作电源E一般也是比较稳定的，但为了保证工作电流标准化，每次测量时都是经过定标和测量两个步骤。因此这些影响电位差计准确度的因素可以忽略不计，本实验误差的主要来源就成了对检流计指零时的视差和滑线盘读数的偶然误差。这部分可以让同学在观察仪器，操作仪器及后续的实验数据处理中去体会。

3 实验操作过程

教师讲解和提问结束后，学生开始实验，需要详细观察实验现象，记录实验结果。本实验的要求是：调节工作电源输出电压为2V，根据事先估算的长度CD和C′D′将触点C(C′)和D(D′)调好位置，再进行定标和测量。教师跟踪指导，及时纠正实验中的不规范行为，并就实验中出现的故障采取合理的应对方式。例如，该实验操作中经常出现的故障是：开关接通后，无论怎样调节触点，检流计指针总是偏向一边而不能补偿。遇到这种情况，有的学生不加思考，盲目调节触点位置，费时费工，没有结果；有的同学有畏惧心理，不知无措，认为可能很高深，自己解决不了。这说明学生没有养成在实验中根据现象分析问题解决问题的意识和习惯。老师第一时间安慰学生不要着急，先暂停实验，引导学生分析可能的原因，比如，工作电源电压是否按照给定大小调节的，电路是否有断路或者接触不良，电源的极性有没有接错等，然后逐一进行排查。经过老师的启发提示，学生自己的排查，问题迎刃而解。这样的训练让学生体会到实验中根据故障现象，从物理原理或理论分析到解决实际问题的乐趣，学生的自信心会大大增强。同时也培养了学生遇事冷静、善于思考、主动探索、分析问题和解决问题的能力。

实验操作中的数据测量和记录也融合着思政教育。实验中要求测干电池的电动势，每个实验台上给定的干电池的电动势并不完全一样，测量的长度C′D′也就不完全相同。授课教师要教导学生端正实验态度，在确保自己操作正确的前提下，实事求是地记录和分析数据，而不是盲目抄袭或者编造数据。这一过程充分体现了“实事求是、严谨认真、诚实守信”的德育渗透。近年来频频出现的学术造假以及社会上假冒伪劣产品的蔓延，就是实事求是、诚实守信精神的缺失和沦丧。因此，在实验课上要求学生尊重客观事实，引导学生理解实事求是的重要性，做诚实守信的人。这些都是今后个人发展和成才的基石。

实验结束后，学生记录好数据并由教师签字，然后将实验台仪器复位，台面干净整洁，桌椅摆放整齐，安静离场。这些都可以作为学生过程化评价体系的一部分，其目的就是培养学生遵守实验室行为准则、爱护公共财产、维护实验室卫生、遵守操作规程，帮助和训练他们养成良好的实验习惯，这也是一个合格大学生的必备素养。

4 课后报告和反思

学生课下书写实验报告，进行数据处理和误差分析计算，并回答思考题。根据本实验课教学目的设置了两道思考题：(1)检流计的灵敏度对电位差计测量的准确度有什么影响？(2)在测量中如果检流计总是无法指零，其原因可能有哪些？最后，学生要对实验进行课程反思，主要从个人预习、课上听讲、使用仪器规范情况、实验中出现问题及解决办法、对实验的感受和建议等方面来书写学习反思。笔者曾经在学会反思在普通物理实验教学中的体现一文中对学习反思进行过详细的阐述[8]。通过学习反思，可以让学生进行自我诊断，发现问题，并进行自我改进。

教师通过评阅实验报告，将实验报告中存在的共性问题及时通过师生学习交流群反馈给学生，教师对这些共性问题进行归纳总结，结合学生反思反馈反省教学行为，变革教学生活，其结果促进了实验教学的发展和建设，实现了教师和学生的双赢局面。

5 实验考核评价

实验考评体系是实验教学的重要组成部分。为体现实验课程的思政教育效果，在对专业知识掌握情况、基本实验技能等考核的同时，还要将学生的思想政治素养和价值观等内容纳入其中，体现评价的人文性和多元性。关于详细的措施，笔者在文献中曾经给出详细的阐述[9]，这里不再赘述。

6 结 语

文章以“用电位差计测量电动势”为教学案例，牢固树立“立德树人”的教育理念，通过创新教育教学方式，探讨思想政治教育融入实验教学的授课思路，使实验课程与思政教育同向同行，实现全程育人，全方位育人。从学生的反馈与交流得知，新的教育教学模式有了初步的成效，学生的实验主动性和积极性得到了调动，在培养学生的科学思维、实验能力的同时，也提高了学生的思想水平、政治觉悟和道德品质，帮助他们树立了正确的价值观。而且，课堂教学质量明显优化，大大推动了实验课程的建设，为全面提高人才培养质量奠定了基础。