促进深度学习的物理实验探究教学

摘"要：《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》要求学生通过物理学习真切感受科学探究过程，从而提升对科学本质的认识，促进物理学科核心素养的形成。教师让学生体验交变电流有效值概念的深度学习过程，尤其是实验探究的过程，不仅能够激发学生学习的主动性，帮助学生内化所学知识，还能促进学生物理观念的建构、科学思维的形成和科学态度的养成，从而实现科学知识和科学素养的协同发展。

关键词：交变电流；有效值；实验探究；深度学习

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）指出，学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力。［1］如今的物理教学更加注重对学生的自主发展、合作参与、创新实践能力的培养。核心素养的提升取决于学生对知识的深度理解与内化，因此，教师需要引导学生从简单的知识符号学习转向学科本质和学科思想方法的深入理解，深度学习成为课程改革发展的必然趋势。

物理实验是物理教学的重要内容，物理实验教学是教师引导学生从现象到本质逐步深入的探究过程。《课程标准》指出，在高中物理课程中，应注重科学探究，尤其应注重物理实验，这在培养学生的探究能力和科学态度方面具有重要地位。注重科学探究的实质是注重真正体现物理学研究过程和方法的物理实验，这与深度学习的理念十分吻合。［2］基于这样的认识，本文以2019年教育科学出版社出版的高中物理选择性必修第二册第64页中的“探究正弦式交变电流的有效值与最大值关系”为例，从促进学生深度学习的角度出发，探讨如何利用物理实验探究的过程，制定有效的实践方案以突破教学中的重难点。

1"研读《课程标准》，定位教学内容

1.1"实验教学内容分析

《课程标准》中关于交变电流这部分内容的要求：通过实验，认识交变电流，能用公式和图像描述正弦交变电流。用示波器或其他设备观察交变电流的波形，并测算其峰值和有效值。［3］具体来说，交变电流的峰值表明交变电流在变化过程中所能达到的最大值，反映了交变电流的变化范围；而有效值反映的是交变电流的热效应在时间上的平均效果。

1.2"实验教学价值分析

教材在引入交变电流有效值的概念后，就直接给出了正弦式交变电流的有效值和最大值的关系。学生在学习这部分内容时，由于数学知识的储备不足，无法通过数学推导来验证这一关系，这会导致学生在建构知识体系的过程中出现认知断层，进而影响学生对这部分内容的深入理解与内化，阻碍知识的迁移与应用，使得核心素养的培育难以落到实处。

《课程标准》的教学理念强调学生获取知识的过程，探究正弦式交变电流的有效值与最大值的关系，可以很好地引导学生从物理实验和数学方法的角度进行探索。

交流电的有效值是通过电流的热效应来定义的，教师如何帮助学生认识到这一点，并体会这种操作性定义的过程呢？能否通过实验让学生对正弦式交流电的有效值与最大值的关系产生感性认识？基于对以上两个问题的思考，笔者在建构正弦式交变电流的有效值和最大值关系的教学时，设计了实验探究过程，让学生在获得可靠、丰富的实验数据基础上，通过分析数据、发现规律，进而归纳出简洁的、具有普遍意义的物理概念。这种形成概念的过程，不仅能够帮助学生掌握重点、突破难点，实现从感性认识到理性认识的飞跃，更重要的是对激发学习兴趣、树立科学思想、培养实事求是的科学态度和创新精神均能产生积极的作用。

2"分析学生情况，把握学习起点

2.1"学生原有知识与技能分析

第一，学生通过学习，知道正弦式交变电流的大小和方向都随时间发生周期性的变化，知道交变电流的平均值、峰值、瞬时值的概念，但缺少从能量角度描述电流特性的概念。

第二，通过焦耳定律的学习，学生知道了对于纯电阻电路，外电路在某段时间内消耗的电能全部转化为热能，即Q＝W＝UIt＝I2Rt＝U2Rt。

第三，知道水的质量、水的比热容、水的初温和末温，利用吸热公式Q吸＝cmΔT可求得水吸收的热量。

第四，知道传感器在测量和记录电压、电流、温度等物理量方面的便利性。

2.2"学生可能遇到的困难与障碍分析

第一，教材在对交变电流有效值的定义中没有向学生提供实际可行的操作实验，学生无法从实验上获得较为准确的数据来支持结论。

第二，限于学生自身的数学知识，大部分学生无法对正弦式交变电流的有效值和最大值之间的关系进行数学推导。

第三，因缺少直观上的感性认识，学生往往把交变电流的有效值理解为交变电流的平均值。

2.3"立足学生需求，确定教学目标

教学目标1：通过分组实验，调动学生学习的主观能动性，让学生获取真实的感性认识，知道正弦式交变电流有效值的定义方法，并进一步理解物理学中“热的等效”的能量观念。

教学目标2：通过探究性实验，在可靠的实验数据的基础上得出正弦式交变电流的有效值与最大值的关系并正确理解交变电流的有效值。

教学目标3：让学生感受通过实验建构物理概念和规律的过程，从而提高学生的基本实验技能，帮助学生树立科学思想，培养实事求是的科学态度。

3"开展课堂教学，建构物理规律

3.1"提出问题，引发探究

教师应从学生熟悉的电流的热效应现象出发，创设情境，激发学生的认知需求和创新欲望，使学生从情感、思维和行为上主动参与学习，从而促使学生从能量角度思考描述电流特性的概念。

问题引入：我们知道电流具有热效应，在纯电阻电路中，恒定电流产生的热可以用Q＝I2Rt＝

U2Rt计算。而生活中利用交变电流产生热的事例很多，比如电饭煲、电热毯、电热水壶等。那么，当正弦式交流电加在一个电阻R的两端时，我们应该如何计算一段时间内在该电阻上产生的焦耳热呢？是不是利用峰值电压Um替代公式中的U直接进行计算？该如何通过实验来验证你的猜想呢？

3.2"设计实验，展开探究

体现“教师为主导，学生为主体”的教学思想，以学生的实验探究学习为主线来组织课堂教学活动，鼓励学生主动参与、主动探索、主动思考、主动操作、主动评价。

学生经过思考、讨论后提出：可以利用电阻丝给水加热的方法，测量一定质量的水在一段时间内的温度变化，比较正弦式交变电流的最大值Um，根据实验数据，通过公式Q＝cmΔT＝U2Rt计算得出的电压值U。

教师对学生的方案予以肯定，随后学生在教师的引导下列举需要测量的物理量以及需要用到的实验仪器。在设计和完善实验方案的过程中，教师提醒学生实验过程中需要注意减少加热过程中的热量损失。

3.3"利用电流的热效应探究正弦式交变电流的等效电压值U与最大值Um的关系

3.3.1"实验器材

J1202型高中学生电源、DISLab数据采集器、量热器（加热电阻3Ω）、水、量筒、电压传感器、电流传感器、温度传感器、电脑、滑动变阻器、开关、导线等。

3.3.2"实验步骤

步骤一：根据实验电路原理图（见图1），连接实验电路。

步骤二：电源选择交流8V挡；滑动变阻器的滑片调节至阻值最大的位置；将传感器通过数据采集器连接至电脑，打开测量程序。检查电路无误后，闭合开关，调节滑动变阻器的滑片到合适位置。

步骤三：在水的温度上升10℃左右的过程中，通过电脑实时记录电阻丝两端的电压U、通过电阻丝的电流I、量热器内水的温度T以及加热时间t。

步骤四：调整实验参数进行多次测量，得到多组实验数据后，断开电源开关，并整理实验仪器。

步骤五：根据实验过程中记录的数据，将相应的测量结果和计算结果填在实验数据记录分析表中（见表1）。

3.3.3"实验结论

通过对实验数据的分析，得到实验结论：当正弦式交变电流加在电阻R两端时，利用公式Q＝U2Rt计算得出的U不是正弦式交变电流的最大值Um，但Um与此值的比值基本是一个定值。

教师指出：我们定义这个U为交流电电压的有效值。即有效值的定义为：让交流电与恒定电流分别通过大小相同的电阻，如果在交流电的一个周期内它们产生的热量相等，而这个恒定电流是I，电压是U，我们就把I、U称为这个交流电的有效值。

通过此实验的探究过程，学生真正理解了交流电有效值的定义中所包含的“热的等效”思想，即有效值是根据电流的热效应，从交、直流对电阻做功等效的思想引出的；以及“从变化的交流电到不变的直流电”的转化和简化的思想。

3.3.4"实验评价

教师在完成上述实验的操作后，引导学生分析利用电流的热效应探究U和Um关系实验的优缺点。

学生通过反思整个实验的过程，容易发现：该方案的优点是原理简单，缺点是实验时间比较长，热量损失不可避免，实验误差比较大。

讨论实验方案的优缺点，是为了引导学生根据有效值的定义再次进行深入思考：如何精确的探究U和Um关系。整个教学过程遵循由浅入深、师生互动的原则。

3.4"利用转化法探究正弦式交变电流的有效值与最大值的关系

学生通过上述实验，在观察和体验后有所发现、有所联想，在教师引导下继续探究新的科学问题。

教师提出新问题：上述实验中得到的有效值与峰值之间是否存在确定的比值关系呢？能否通过实验较为准确地得到正弦式交变电流的有效值U和最大值Um之间的关系呢？

教师引导学生根据电流流过小灯泡，使小灯泡发光的过程进行分析，发现小灯泡的亮度与小灯泡灯丝的发热量存在一一对应关系。而且灯泡的亮度对电流变化的响应速度快，由此得到改进的实验方案：将同一个小灯泡，分别连接在直流电路和交流电路中，通过调节小灯泡两端的电压使小灯泡在不同电路中的亮度相同，然后比较这两个电压之间的关系。

教师提问：实验中如何判断同一灯泡前后的亮度是否相同？能否直接用肉眼观察来判断？

通过教师的引导，学生意识到单靠肉眼来判断小灯泡亮度是否相同的方案很难实现。因此，在判断小灯泡亮度是否相同的问题上，教师引导学生回顾初中学习时光敏电阻的特点：光敏电阻的阻值会随着光照条件的不同而变化，入射光增强，电阻减小；入射光减弱，电阻增大。在此基础上，学生不难提出利用光敏电阻监测小灯泡发光亮度的实验方案。实验电路原理图如图2所示。

3.4.1"实验器材

J1202型高中学生电源、DISLab数据采集器、电压传感器、电脑、光敏电阻、小灯泡（4.8V，2W）、黑箱、数字万用表、滑动变阻器（15Ω，1A）、开关、导线等。

3.4.2"实验步骤

步骤一：根据实验电路原理图，连接实验电路。

步骤二：将小灯泡和光敏电阻固定在黑箱中。

步骤三：将数字万用表调至欧姆挡，测量范围选择×2k挡；电源选择交流挡，并将输出电压调至最低；滑动变阻器的滑片调节至阻值中间的位置；将传感器通过数据采集器连接至电脑，打开测量程序。

步骤四：检查电路无误后，闭合开关，逐渐增大输出电压，记录小灯泡不同的发光情况下所对应的电压最大值U1和此时光敏电阻的阻值Rx。

步骤五：断开开关，电源转换为直流挡，并将输出电压调至最低；检查电路无误后，闭合开关。

步骤六：逐渐增大直流输出电压，并调节滑动变阻器，注意观察数字万用表的电阻读数，当显示阻值与步骤四中记录的每一个阻值近似相等时，记录此时的直流电压值U2。

步骤七：断开电源开关，整理实验器材。

步骤八：根据记录的数据计算出U1U2的值，将结果填在实验数据记录分析表中（见表2）。

3.4.3"实验结论

由实验数据，分析得到实验结论：正弦式交变电流的最大值与有效值的比值是定值，比值约为1.412。

3.4.4"实验评价

通过上述改进实验，学生较为精确地得出了正弦式交变电流的最大值与有效值之间的关系。然而，教师需要向学生明确指出，高中物理学习强调理论与实验的结合。完整的物理规律建构过程，不仅需要通过实验得出规律，还需要从理论上解释实验所得规律，以此实现理论与实验的相互印证和统一。就本节课而言，建议学生课后通过查阅资料，尝试进行理论推导，以深化对物理规律的理解。

3.5"分析归纳，形成规律

师生总结：一般交变电流的有效值与最大值之间的关系是复杂的，而对于正弦式交变电流，理论和实验都证明了二者具有简单的关系，即Um＝2U和Im＝2I。

3.6"整合提升，拓展延伸

深度学习强调知识的整合，提倡将新知识与已知概念和原理联系起来，整合到原有的认知结构中，从而使得学生能够理解新的知识信息并对知识进行迁移应用。

教师提出一个引申思考题：我们知道电流具有三大效应，即磁效应、热效应和化学效应，那么，我们能不能利用磁效应或者化学效应定义交变电流的有效值？

此问题旨在发展学生的高阶思维，引发学生进一步的思考。学生课下通过查阅资料，主动地完成知识建构过程，从而实现深度学习。

4"教学效果分析与评价

深度学习着重于主动的知识建构过程，学生并非简单被动地接收信息，而是积极地建构知识的意义，这一过程具有不可替代性。在本节课的教学设计中，我们基于学生已有的经验和认知，设定了旨在促进学生思维进阶的教学目标。课堂上，我们采用实验探究的教学模式，赋予学生探索交变电流有效值的主动权，使他们成为“有效值”这一物理概念的主动探索者和加工者，从而充分挖掘学生的潜能，激发学生的质疑精神、创新精神和实践能力，有效规避了教师单向灌输的教学模式，真正实现了自主探究与深度学习的融合。

整个教学过程层次分明，逻辑严谨。通过实验环节的引入，不仅增强了教学的说服力和可信度，还有效防止了学生出现认知上的断层。学生在探究过程中亲身体验，自主总结规律，深刻感受到了探究的魅力，享受到了科学描述和解释自然现象的乐趣，这一过程不仅锻炼了他们的科学思维，也促进了深度学习的有效发生。同时，通过探究体验，学生对科学本质的理解得到了提升，有力地推动了物理学科核心素养的达成。

参考文献

［1］［3］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020：4，29.

［2］傅竹伟.在高中物理教学中促进学生深度学习的策略探究［J］.物理教师，2014，35（4）：6"-7，15.

基金项目：本文系北京物理学会2024"-2025年度教育教学科研立项课题“指向核心素养的高中物理实验教学实践研究”（课题编号：WLXH241073）的阶段性研究成果。