以“问题”为导向关注学科核心素养的教学研究

王泉崴 赵新军 班月琴

［摘 要］在伏安法测电阻教学活动中，为引发学生深度思考，提高学生分析问题、解决问题的能力，以问题为导向引导学生正确选择电流表的外接法或内接法，减小实验测量误差，这样既能使学生掌握物理概念，又能培养学生的科学思维能力。

［关键词］问题导向；核心素养；电流表；外接法；内接法

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）05-0062-03

隨着新课改的推进，在物理教学中培养学生物理学科核心素养显得尤为重要。中学阶段是培养学生核心素养的关键时期。初中阶段利用伏安法测电阻，并没有考虑电表的阻值对测量电阻的影响，而高中阶段，为了更加精确地测量电阻的阻值，本着实事求是、严肃认真的科学态度，需要考虑电表的阻值对测量电阻的影响。研究发现电流表采用外接法和内接法测量不同阻值的电阻时，由于选择电路不同，它们的理论测量结果与真实值的误差是不同的。为研究方便，针对不同阻值的电阻，分别选择电流表外接法、内接法进行理论计算，并进行对比分析，得出实验误差较小的电流表接法。

在实际教学中，若教师仅通过理论分析，判定电流表的内、外接法，对学生而言，显得枯燥无味，难以深入理解，也不能有效调动学生思考问题、分析问题、解决问题的积极性。若要提升课堂教学效果，教师可以通过驱动问题，给出具体的电阻数值，对电流表的外接法和内接法进行对比分析，这样的教学更加直观、易懂，易于接受。

一、创设驱动问题，提升科学思维

问题1.根据初中学习的物理知识，如何测未知电阻的阻值？请画出电路图。

生：利用电压表和电流表测量电阻，电路图如图1和图2。

师：如果学生画了其中一个电路图，可以补充另一个，同时说明图1中电流表在电压表的外部称为电流表外接法，图2中电流表在电压表的内部称为电流表内接法。

以上两个电路图都可以利用电压表和电流表测量电阻的阻值，在初中阶段没有考虑电表的内阻对测量结果的影响，实际上电压表和电流表都有一定的阻值，并且电压表的阻值相对较大，电流表的阻值相对较小，它们对电流的测量结果有一定的影响。

问题2.电压表和电流表的阻值，如何影响测量结果？下面分别用电流表外接法和电流表内接法测量同一个电阻，看结果如何？

生：用外接法和内接法测量电阻时，前后两次电表的示数不同，说明外接法和内接法对测量电阻有影响。

师：根据欧姆定律[R=UI] ，电表的不同接法测量出的电阻阻值是不同的，说明电表的阻值对电路的测量有影响。由于电阻自身的属性，每个电阻都有确定的阻值，即电阻的真实值，通过电表测出的阻值是电阻的测量值。

问题3.电表电阻产生影响的原因是什么呢？测量值和真实值的大小又有怎样的关系呢？同学们可以讨论一下，然后一起分析原因。

师生：由于考虑电表的电阻，在图3中，电压表和电阻并联，电压表的示数是被测电阻[R]的真实电压，而电流表的示数是电压表与被测电阻[R]并联的总电流，实际流过电阻的电流要小于电流表的示数，根据[R测=U测I测]，测量的是电压表和电阻并联的总电阻，即[R测=RRVR+RV] 。因此，测量值比真实值要偏小。

在图4中，电流表和电阻串联，电流表的示数是被测电阻[R]的真实电流，而电压表的示数是电流表和被测电阻[R]串联的总电压，所以电阻两端的实际电压要小于电压表的示数，根据[R测=U测I测]  ，则[R测=R+RA]。因此，测量值比真实值要偏大。

无论选择哪种方法测电阻，电压表和电流表的阻值都是存在的，都会对测量结果产生影响，这种影响是不可避免的。但是选择的测量方式不同，测量值可能会更接近真实值，这样就可以有效减小测量误差。

二、对比分析，提升解决问题的能力

问题4.用电流表的外接法和内接法测电阻时，若电压表的内阻为1 kΩ，电流表的内阻为0.1 Ω。不考虑实验操作中的偶然误差，如果被测电阻[R]的真实电阻分别为1 Ω、5 Ω、10 Ω、50 Ω、100 Ω。测量时，把电压表示数和电流表示数之比作为电阻的测量值， 得到的电阻测量值各是多少？和真实值相比，测量误差是多少？分析测量误差不同的原因。

问题分析1：当被测电阻[R]的真实电阻为[1 Ω]、[5 Ω]时，通过对比电流表外接法（如图3）和电流表内接法（如图4）发现，电流表外接时的理论误差远小于内接时的理论误差，选择外接法测量电阻准确度高，而且选用内接法测得的结果误差超过了误差的允许范围，是不可取的。造成这种结果的原因是，图3中电流表外接时，电压表的分流会造成误差。由于电压表的阻值远大于电阻[R]，电阻越大分得电流越小，电流表的示数就更接近流过电阻[R]的真实值，测量误差就比较小；图4中电流表内接时，电流表分压也会产生误差。因为电流表的阻值并不是远小于电阻[R]，电压表的示数就与电阻[R]两端的实际电压相差较大，测量误差就越大，此时就不能采取内接法。

问题分析2：当被测电阻 [R]的真实电阻为[10 Ω]，通过对比电流表外接法（如图3）和电流表内接法（如图4）发现，电流表外接时测得电阻的误差等于电流表内接时测得的电阻误差，电流表采用内接法或者外接法测量电阻都是可以的。造成这种结果的原因是，图3中电压表的分流作用和图4中电流表的分压作用造成的测量误差相等，因此电流表选择外接法和内接法测电阻都是可以的。

问题分析3：当被测电阻 [R]的真实电阻为[50 Ω]、[100 Ω]时，通过对比电流表外接法（如图3）和电流表内接法（如图4）发现，电流表外接时测得电阻的误差远大于电流表内接时测得电阻的误差，所以电流表选择内接法测量电阻，并且外接法的误差超过了误差的允许范围，是不可取的。造成这种结果的原因是，图3中电流表外接时，电压表分流，电压表的阻值相对电阻[R]而言，电阻越小分得电流越大，电流表的示数与流过电阻[R]电流的真实值相差越大，测量理论误差就比较大；图4中电流表内接时，电流表分压，电流表的阻值相对电阻[R]而言，电阻越小分得电压越小，电压表的示数就与电阻[R]两端的实际电压越接近，测量理论误差就越小，此时就应选择内接法。

问题5. 通过对表1进行对比分析，就可以明白应该怎么选择电流表的接法。

通过列表对比发现，选用阻值已知的电压表和电流表测电阻时，待测电阻的阻值大小不同，电流表选择外接法和内接法测得电阻值的误差也不同。如果知道待测电阻、电压表和电流表的大约阻值，则可以通过电压表的阻值与待测电阻[R]的比值，即[RVR]，凸显外接时电压表的分流情况，以及待测电阻[R]的阻值与电流表阻值的比值，即[RRA]，凸显内接时电流表的分压情况。

通过比较[RVR]和[RRA]发现，当[RVR?RRA]时，电压表的分流作用造成的测量误差明显比电流表的分压作用造成的测量误差小，此时选择电流表外接法测电阻更精确。

当[RVR?RRA]时，电压表的分流作用造成的测量误差明显比电流表的分压作用造成的测量误差大，此时选择电流表内接测电阻更精确。

利用外接法和内接法，定量计算不同阻值的电阻，计算理论误差，通过横向对比测量误差，得出如何选择电流表的接法，以减小实验误差。

以上结论的得出，是在已知电阻阻值的情况下得出的。实验前，我们是不知道待测电阻阻值的，我们可以通过“试触法”大概知道阻值的大小，然后再根据结论选择电流表的接法，减小实验测量误差。

提出问题、分析问题、解决问题是学生认识自然规律的过程和方法，为进一步提升学生物理学科核心素养，引发学生深度思考，在思考解决问题中培养学生的科学思维素养。

该教学，通过学生初中时所学的伏安法测电阻，引出高中阶段伏安法测电阻时必须考虑电表的阻值对测量电阻的影响，进而引出电流表的外接法和内接法。本节物理课，从物理学视角出发对伏安法测电阻层层设问，以问题为导向，引导学生分析误差产生的原因，选择电流表的外接法和内接法测量不同阻值的电阻，对测量值和真实值进行对比，并分析误差，进而得出如何选择电流表的接法，以减小测量误差。

［   参   考   文   献   ］

［1］  中華人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：2017年版2020年修订［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［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.普通高中教科书物理必修第一册［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］  黄命军.高中物理课堂培养学生物理核心素养的途径研究［J］.数理化解题研究，2020（27）：42-43.

［4］  李友兴.凸显学科核心素养的高中物理教学策略［J］.物理教学，2020（7）：23-27，29.

（责任编辑 易志毅）