劉炳昇

(南京師范大學物理科學與技術(shù)學院，江蘇　南京　210023)

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增強“技術(shù)教育”意識挖掘創(chuàng)新教育潛能
——談“把電流表改裝成電壓表”的課堂教學設計

劉炳昇

(南京師范大學物理科學與技術(shù)學院，江蘇南京210023)

名師簡介：劉炳昇，南京師范大學物理科學與技術(shù)學院教授，課程與教學論博士生導師，任《物理之友》主編、義務教育課程標準初中物理教科書(蘇科版)主編、中學科學(7—9年級)國家課程標準研制組核心成員.主要從事物理教學論和中學物理實驗的研究工作，榮獲國務院特殊貢獻津貼、國家教委普通高校優(yōu)秀教學成果獎等.曾任中國教育學會物理教學專業(yè)委員會副理事長、世界銀行貸款“理科實踐教學和低成本實驗”研討班及“師范教育發(fā)展項目”物理教育國家級研討班中方主持人.

摘要：科學與技術(shù)密切相關(guān)，對科學、技術(shù)、社會關(guān)系的認識，對技術(shù)的興趣，對技術(shù)的評價，一般的技術(shù)設計方法和解決技術(shù)問題的思維與行為方式等，都是技術(shù)素養(yǎng)的組成部分.現(xiàn)代社會的公民應當具有一定的技術(shù)素養(yǎng)，技術(shù)教育應當滲透在科學課程中.因此，物理教師應當關(guān)注在物理課程中的技術(shù)教育問題.本文就“把電流表改裝成電壓表”的課堂教學來談談自己的想法.

關(guān)鍵詞：科學與技術(shù)的關(guān)系；技術(shù)教育；電壓表的改裝

2015年12月25—28日，江蘇省基礎教育青年教師教學基本功大賽在江蘇省南菁高級中學舉行，課堂教學競賽的一個課題是“把電流表改裝成電壓表”(課型不限).在現(xiàn)行的高中物理教材中，沒有這個課題，對參賽的中青年老師是陌生的，大賽中選用它，能更好地考核參賽選手教學設計的思想和方法.提供給選手的資源主要有人教版高中物理教材(甲種本)相關(guān)內(nèi)容的復印件和一定的實驗器材，給選手的準備時間是3小時.

多數(shù)老師能完成教學任務，教學結(jié)構(gòu)符合教材提供的思路，教學過程流暢，教師語言和調(diào)控學生思維的技能較高，總體上知識目標的達成較好，但深層次的教育功能挖掘不夠，效果欠佳.

“把電流表改裝成電壓表”不屬于物理學的核心內(nèi)容，它是串、并聯(lián)電路和歐姆定律知識應用的課題，也是一個實驗技術(shù)性質(zhì)的課題，似乎它不很重要.但從物理科學與技術(shù)的關(guān)系來看，電流表和電壓表的誕生是物理理論的應用成果，同時它也為相關(guān)理論的發(fā)展及技術(shù)應用提供關(guān)鍵技術(shù)手段.從技術(shù)創(chuàng)新的角度來看，經(jīng)歷電流表、電壓表改裝的技術(shù)設計過程，對學生增進科學與技術(shù)關(guān)系的認識和培養(yǎng)創(chuàng)新能力具有重要的意義.如果能夠看到課題的這些特點，那么相關(guān)的教學設計就會站得更高.

多數(shù)老師在教材處理上，基本按教材順序，先介紹小量程電流表的三個參數(shù)：滿偏電流、表頭內(nèi)電阻、滿偏電壓；再講授“半偏法”測表頭內(nèi)電阻的方法和原理，有的輔以演示，有的讓學生實驗；然后與學生討論改裝電壓表的電路設計，再進行實驗.有的老師為了讓學生“學到手”，在每個階段間穿插例題和習題，讓學生“消化和鞏固”所學知識.由于內(nèi)容多、時間緊，老師講的多，學生動手少；引導學生思考的小步距的問題多，深層次思考的問題少，學生討論多流于形式.

筆者從聽課中感到，老師們精心地把一點一點的知識教給學生，但忽視了貫穿這些知識的一條紅線，似乎缺少靈魂，那就是人們在解決測量電流和電壓問題時的創(chuàng)造性，以及由此而升華出的科學與技術(shù)的關(guān)系.關(guān)于技術(shù)設計，老師們帶領(lǐng)學生逐步解決電壓表改裝的計算問題，但卻忽視了更具普遍意義的技術(shù)設計思想，實驗中也很少有思維的沖突和發(fā)現(xiàn).下面，筆者側(cè)重于從科學與技術(shù)的關(guān)系對該課題做一些分析.

1研究電流表、電壓表改裝的意義

任何的技術(shù)發(fā)明都離不開所處時代的經(jīng)濟基礎和社會需求，它們都是被需求“逼”出來的.在電學中，電流基本規(guī)律的發(fā)現(xiàn)與電學測量技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān).例如，正是科學家歐姆創(chuàng)造性地設計了“電流扭秤”，解決了測量電流強度的難題，才使他關(guān)于電流、電壓(當時稱為驗電力或電動力)、電阻關(guān)系的科學猜想得以驗證，后人命名為歐姆定律.后來，隨著電磁規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，人們設計制作了磁電式電流表和電壓表，并解決了擴大量程的問題，使得電流、電壓的測量更為方便，提高了測量精確程度.電流、電壓基本量測量技術(shù)的發(fā)展，還使人們深入地認識許多電工器件、電子元器件的特性，為電工技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展、應用提供了測量手段.如今，我們在學校里學習電路的基本規(guī)律，如串聯(lián)電路中電壓分配規(guī)律、并聯(lián)電路中電流分配規(guī)律、歐姆定律等，也都離不開電流和電壓的測量.在電磁學中，我們將會學習磁電式電流計的原理，而在歐姆定律的教學中，將從電路的角度來研究電流表、電壓表的改裝問題.

2改裝電壓表的技術(shù)要求

設計發(fā)明需要在必要性和可行性論證的基礎上進行技術(shù)設計，首先需要明確技術(shù)設計的要求.

(1) 在測量電壓時，我們看到的是指針偏轉(zhuǎn)一定的角度，這個偏轉(zhuǎn)角度必須與電壓有函數(shù)關(guān)系.測量時，電壓表中有電流流過，表頭指針偏轉(zhuǎn)，待測電阻兩端的電壓越大，流過電壓表中的電流也就越大，偏轉(zhuǎn)角度與待測電壓成正比(它的原理將在以后學習).因此，用電壓表測量電壓時，必須把電壓表并聯(lián)在電路待測電阻兩端，而不能串聯(lián)在電路中(如圖1).

圖1

(2) 用電壓表測量待測電壓時，應當不影響原來的電路，即不改變原來的電壓.在我們理論學習時，用電流表串聯(lián)在電路中測量電流，它是把電流表內(nèi)電阻看成是零，用電壓表測量電阻兩端電壓，它是把電壓表內(nèi)電阻看成是無窮大，也就是把它們看成是理想的電流表和電壓表.但是電流表的內(nèi)電阻不可能為零，電壓表的內(nèi)電阻也不可能為無窮大.若電壓表的內(nèi)電阻為無窮大，那么電壓表表頭中就不會有電流流過，也就顯示不出待測電壓的大小了.因此，實際上的電壓表的內(nèi)電阻只能看成是物理上的“無窮大”，也就是它的內(nèi)電阻比待測電阻要大得多.電壓表是由靈敏電流計(小量程電流表)和另一電阻串聯(lián)組成的，設計電壓表時，應當使電壓表的等效電阻遠大于待測電阻，這樣通過電壓表電流的影響可以忽略不計.

(3) 測量一定會存在誤差.例如估讀誤差，測量值小時，分度值過大，如用cm分度的直尺去測量mm尺度的長度，讀數(shù)的相對誤差是很大的.因此，電壓表要有不同的量程，使測量值在盡可能接近最大值的范圍內(nèi).為什么要改裝電壓表？也就是為了適應不同量程測量的需要.通常表頭(靈敏電流計)上有兩個參數(shù)：滿偏電流Ig，表頭內(nèi)電阻Rg，知道這兩個參數(shù)，就可以求得電流為最大值時的滿偏電壓Ug=IgRg.這個電壓與待測電壓比是很小的，一般不能用來直接測量.改裝電壓表就是要確定串聯(lián)多大的電阻，依靠這個電阻分壓，使量程擴大.根據(jù)串聯(lián)電路的分壓原理和部分電路歐姆定律，我們可以解決電壓表改裝的問題.

3用實驗的方法改裝電壓表

技術(shù)設計方案初步確定后，需要實踐檢驗，在檢驗過程中完善方案，因此，實驗是伴隨著技術(shù)發(fā)明過程的.作為教學過程中的實驗，還需要考慮讓學生更多地參與創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)和解決問題的過程.

現(xiàn)在的偏向是：在中學物理教學中談到技術(shù)，往往只注意可行性而忽略必要性，在理論與實踐基礎上，往往只注意原理的闡述，忽略實踐(實驗)，因此把技術(shù)教育變成了知識點的教學，把探究過程變成了接受過程.教師們在上這節(jié)課時，基本上讓學生按已定的思路和步驟進行實驗(如圖2)，在此過程中很少有發(fā)現(xiàn)問題、形成認知沖突的情況發(fā)生，失去了許多創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機會.

圖2

以下提供一種教學思路，供老師們參考.

如果給我們一只靈敏電流表(如滿偏電流為100μA)，還有一只量程為3V的標準電壓表，另有電阻箱(0—9999Ω)、滑動變阻器(10Ω，2A)、6V直流電源、開關(guān)、導線等，如何用實驗的方法將電流計改裝成3V量程的電壓表？

請同學們討論，畫出電路圖，再進行實驗，最后交流.

在此實驗條件中，如不知道電流表的內(nèi)電阻，能否不先求出電流表的內(nèi)電阻？

在討論中學生提出用標準表與改裝表比較的替代方法，如圖3所示，當標準表指示3V電壓時，并聯(lián)改裝表，調(diào)節(jié)電阻箱阻值使電流表電流滿偏，此時電阻箱的讀數(shù)R0即為3V量程的改裝表的串聯(lián)電阻.

圖3

如何獲得3V的待測電壓呢？有的學生設計了如圖4所示的電路，用滑動變阻器限流，以調(diào)節(jié)輸出電壓，但實驗中無法調(diào)節(jié)到所需要的電壓.實驗中出現(xiàn)的問題迫使學生尋找原因，原來是滑動變阻器的阻值相對電壓表的內(nèi)阻太小了.

圖4

圖5

怎樣才能實現(xiàn)有效調(diào)節(jié)電壓的目的？將滑動變阻器與電源接成分壓器電路，如圖5所示，實際上該電路就是把變阻器的電阻分為兩部分與電源串聯(lián)，并從其中的一個電阻兩端輸出電壓，當滑片移動時，兩部分電阻上分配的電壓發(fā)生改變，從而使輸出電壓發(fā)生改變.將電壓表并聯(lián)在輸出電阻的兩端，測量的就是輸出的電壓.采用分壓電路的優(yōu)點可以使輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍很寬，從0變到E，這對改裝電壓表全量程的校準是有意義的.

用比較替代法可確定改裝表串聯(lián)的附加電阻值，確定了它，電表的量程也就確定了，把表盤刻度改畫一下，應該說電表改裝就完成了.為什么還要校準刻度呢？因為電表表頭生產(chǎn)中存在一定的誤差，表頭刻度并非理想的線性，因此需要用標準表對改裝表進行校準，記錄下用標準表測量的一系列數(shù)值，作為資料備存.

4用改裝表測量電壓時發(fā)現(xiàn)的一個問題

圖6

用改裝好的電壓表測量電源的開路電壓為6V，測量如圖6所示電路中(R和R0的阻值都是1000Ω)電阻R兩端的電壓，再用標準表測量比對，發(fā)現(xiàn)兩只電壓表的讀數(shù)不相等，且明顯小于理論計算值.這是為什么？這是由于實際電壓表的內(nèi)電阻不是無窮大，與待測電阻并聯(lián)后使合電阻減小，從而使分配的電壓減小.這種系統(tǒng)誤差是由這種技術(shù)設計理論上的局限性所帶來的，它將隨著測量儀表原理的改變和測量技術(shù)的發(fā)展而解決.

正像電壓表改裝的技術(shù)一樣，所有的技術(shù)都不是絕對完美的，它將隨科學技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，發(fā)明永無止境.

筆者在本文中討論的問題不一定在一節(jié)課中解決，但希望有助于教師從整體上理解這節(jié)課的目標要求，增強“技術(shù)教育”的意識，挖掘創(chuàng)新教育的潛能，為逐漸提高學生的科學素養(yǎng)起到“添磚加瓦”的作用.

參考文獻：

[1] 劉炳昇.為發(fā)展學生的個性特長提供更大空間—物理課程中的技術(shù)設計活動[J].物理教學探討，2013，(7).

[2] 劉炳昇.物理課程中技術(shù)設計活動的目標及模式要求[J].物理教學探討，2013，(8).

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