張菊香　周棟梁

摘 要：“伏安法”是高中電學(xué)實驗的基礎(chǔ)?？v觀高中電學(xué)實驗中對電阻、電源電動勢和內(nèi)阻的測量方式，可用主題核心概念——“伏安法”來統(tǒng)攝。由此，其學(xué)習(xí)路徑設(shè)計可基于“伏安法”學(xué)習(xí)進階來統(tǒng)籌規(guī)劃微觀教學(xué)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：伏安法；主題核心概念；學(xué)習(xí)進階；中觀教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）3-0037-5

1 問題提出

電阻、電源電動勢和內(nèi)阻的測量是高中階段兩個極為重要的測量性實驗，也是高考命題的熱點。教學(xué)實踐表明，學(xué)生在實驗知識理解上往往“只見樹木，不見森林”，其原因是教師對其學(xué)習(xí)路徑的系統(tǒng)規(guī)劃上鮮有研究。事實上，此類問題在科學(xué)教育中普遍存在，并引發(fā)了美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)的重新修訂，明確提出圍繞核心概念進行知識組織，并對核心概念規(guī)定了12年一貫制的學(xué)習(xí)進階，以此促進學(xué)生對核心概念的全面理解。受此啟發(fā)，我們嘗試基于核心概念學(xué)習(xí)進階視角研究兩類實驗學(xué)習(xí)路徑的系統(tǒng)規(guī)劃。

2 “伏安法”的組織架構(gòu)及其學(xué)習(xí)進階

在高中階段，盡管電阻、電源電動勢和內(nèi)阻的測量方式很多，但在原理上均可歸結(jié)為R= 、U=E-Ir，所不同僅僅在于電壓、電流的測量方式。由此，我們可用“伏安法”統(tǒng)攝兩類實驗中的眾多測量方法。

在圍繞核心概念進行教學(xué)設(shè)計前，首先需要構(gòu)建其組織架構(gòu)關(guān)系。在本文中，基于北京師范大學(xué)郭玉英等學(xué)者構(gòu)建的科學(xué)概念層次模型來審視“伏安法”[1]，我們將其定位于主題核心概念，而“伏安法測電阻”及“伏安法測電源電動勢和內(nèi)阻”為次級主題核心概念，一些具體的測量方法則為重要概念，具體的組織架構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

當(dāng)然，要系統(tǒng)規(guī)劃主題核心概念“伏安法”的學(xué)習(xí)路徑，僅僅確立其組織架構(gòu)關(guān)系是不夠的，還需要結(jié)合學(xué)生的思維特點，規(guī)劃其內(nèi)容序列，即對主題核心概念“伏安法”的學(xué)習(xí)進階進行研究[2]。

主題核心概念“伏安法”的學(xué)習(xí)進階，其起點是初中相關(guān)的教學(xué)要求，終點則延伸至高考要求。在教學(xué)實踐中，我們先后經(jīng)歷了學(xué)習(xí)進階假設(shè)、驗證等研究過程，確立了如表1所示的學(xué)習(xí)進階。

表1 “伏安法”學(xué)習(xí)進階

3 基于“伏安法”學(xué)習(xí)進階的中觀學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃

教學(xué)設(shè)計是一個系統(tǒng)化規(guī)劃教學(xué)系統(tǒng)的過程。從課程設(shè)計范疇看，教學(xué)設(shè)計可以分為微觀、中觀、宏觀三個層面。其中，教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)對應(yīng)于課時的稱為微觀教學(xué)設(shè)計，對應(yīng)于某一學(xué)科課程或整本教材的稱為宏觀教學(xué)設(shè)計，對應(yīng)于主題核心概念的稱之為基于主題核心概念的中觀教學(xué)設(shè)計。

基于主題核心概念的中觀教學(xué)設(shè)計程序是：構(gòu)建主題核心概念組織架構(gòu)關(guān)系假設(shè)、驗證主題核心概念的學(xué)習(xí)進階規(guī)劃內(nèi)容序列間的關(guān)聯(lián)方式微觀學(xué)習(xí)路徑設(shè)計。在規(guī)劃核心概念及其學(xué)習(xí)進階后，統(tǒng)籌規(guī)劃內(nèi)容序列間的關(guān)聯(lián)方式是中觀教學(xué)設(shè)計的關(guān)鍵，它直接決定知識理解的深刻程度。

基于“伏安法”學(xué)習(xí)進階的中觀學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃，主要體現(xiàn)在三個方面：一是中觀路徑規(guī)劃，即基于學(xué)習(xí)進階規(guī)定逐級設(shè)計學(xué)習(xí)過程；二是在測量對象選擇上，改變傳統(tǒng)方式，將阻值未知的電阻、電源分別改為電阻箱及蓄電池和電阻箱串聯(lián)所構(gòu)成的內(nèi)阻等于電阻箱阻值的等效電源；三是在學(xué)習(xí)方式設(shè)計上，讓學(xué)生經(jīng)歷不同電路中測量值與真實值的縱向比較，創(chuàng)造“發(fā)現(xiàn)”情境，“發(fā)現(xiàn)”待測器件阻值與測量方式的聯(lián)系，從而構(gòu)建起體驗性學(xué)習(xí)的進階路徑。

4 中觀教學(xué)設(shè)計視閾下的微觀教學(xué)設(shè)計

對于各種測量方式的微觀設(shè)計，應(yīng)基于中觀學(xué)習(xí)路徑進行微觀教學(xué)設(shè)計。

4.1 電阻測量學(xué)習(xí)路徑設(shè)計

（1）由外接法進階至內(nèi)、外接法

在初中電阻測量中，不區(qū)分內(nèi)、外接法，但一般采用外接法。而在高中階段，則需要進階至內(nèi)、外接法。為此，設(shè)計如下體驗性學(xué)習(xí)活動：內(nèi)、外接法產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的體驗實驗建構(gòu)內(nèi)、外接法的選擇方法—理論探尋系統(tǒng)誤差產(chǎn)生原因。

【活動1】 內(nèi)、外接法產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的實驗體驗

【活動2】 實驗建構(gòu)內(nèi)、外接法的選擇方法

斷開圖2（a）所示電路中電壓表右側(cè)接線，然后將其分別試觸電流表左右兩端點，觀察電表示數(shù)的變化情況，總結(jié)待測電阻未知時，內(nèi)、外接法的確定方法。

【活動3】 理論探尋系統(tǒng)誤差產(chǎn)生原因

設(shè)電壓表、電流表電阻分別為RV、RA，試推導(dǎo)內(nèi)、外接法中電壓表與電流表示數(shù)之比值與待測電阻、電表電阻的關(guān)系，說明系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因。

（2）由給定電表量程進階至電表量程選擇

在初中電阻測量中，不需要考慮電表量程匹配產(chǎn)生的偶然誤差，但到了高中階段，則要進階至選擇電表的量程，為減小測量中的偶然誤差，需使二者能同時達到較大偏角。為此，設(shè)計如下體驗性學(xué)習(xí)路徑：體驗電表量程對偶然誤差的影響—建構(gòu)電表量程選擇原則。

【活動4】 體驗電表量程選擇對偶然誤差的影響

如圖2（a）所示，電阻箱電阻調(diào)至5 Ω，電壓表量程為3 V，先后用量程為0.6 A和100 mA的電流表做實驗，檢驗測量值與真實間的誤差情況。

【活動5】 建構(gòu)電表量程選擇原則

若電壓表指針滿偏，則電流表量程至少多大？由此探討電表量程選擇的基本方法。

（3）由滑動變阻器的操作進階至滑動變阻器的選擇、操作及其分壓式電路

在初中電阻測量中，依照給定的滑動變阻器進行實驗測量。但在高中階段，需要綜合考慮電路安全性、操作方便性等因素來選擇滑動變阻器及供電電路。為完善有關(guān)滑動變阻器的知識結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)限流式電路至分壓式電路的進階，設(shè)計如下體驗性學(xué)習(xí)活動：體驗滑動變阻器阻值對限流式電路操作的影響—體驗滑動變阻器阻值對分壓式電路操作的影響—建構(gòu)滑動變阻器及其供電電路的選擇原則。

【活動6】 體驗滑動變阻器阻值對限流式電路操作的影響

如圖2（a）所示，電阻箱阻值調(diào)至30 Ω，電流表量程為100 mA，電壓表量程為3 V，電源電動勢為6 V。在實驗中，先后把滑動變阻器R1（0～20 Ω）、R2（0～50 Ω）、R3（0～1 kΩ）接入電路，仔細觀察實驗現(xiàn)象，體會實驗操作過程？

【活動7】 體驗滑動變阻器阻值對分壓式電路操作的影響

如果上述實驗器材僅有一只滑動變阻器R1（0～10 Ω），按圖3電路重新實驗，能否保證電表安全？在實驗調(diào)節(jié)中，電表示數(shù)的變化范圍有何特點？

【活動8】建構(gòu)滑動變阻器及其供電電路的選擇原則

若取電阻箱電阻為2 kΩ，電源電動勢為3 V，滑動變阻器R1（0～10 Ω），用圖2（b）所示電路進行實驗，存在什么問題？如果采用圖3所示電路，情況又如何？試從中歸納出滑動變阻器及其供電電路的選擇原則。

（4）由狹義伏安法進階至廣義伏安法

在電阻測量電路設(shè)計中，學(xué)生對于諸如伏伏法、安安法等廣義伏安法缺乏深刻理解，不能靈活運用各種測量方法進行實驗設(shè)計，其原因在于沒有經(jīng)歷真實實驗的體驗。為此，建議仍按上述設(shè)計思想，設(shè)計一些比較實驗來消除思維定勢。由于篇幅限制，具體學(xué)習(xí)路徑設(shè)計略。

4.2 電動勢測量學(xué)習(xí)路徑的設(shè)計

關(guān)于電動勢和內(nèi)阻測量中電路選擇、系統(tǒng)誤差分析等學(xué)習(xí)路徑的設(shè)計，按“實驗操作—實驗歸納—理論探究”流程進行。

（1）狹義伏安法測量電池E和r

關(guān)于電源電動勢和內(nèi)阻的測量，活動9是其學(xué)習(xí)路徑設(shè)計的進階起點。

【活動9】 實驗體驗電源電動勢和內(nèi)阻測量中的圖像處理實驗數(shù)據(jù)

用圖4所示電路測量電源電動勢和內(nèi)阻，電源[蓄電池（2 V，內(nèi)阻極小）與阻值為5 Ω的電阻箱串聯(lián)]，電壓表（3 V），電流表（0.6 A），滑動變阻器（0～10 Ω），要求運用U-I圖像處理實驗數(shù)據(jù)。

（2）由外接法測量E和r進階至內(nèi)、外接法

【活動10】 實驗體驗內(nèi)、外接法產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差

分別用圖4、5所示電路測量電源[蓄電池（2 V，內(nèi)阻極?。┡c阻值為1 kΩ的電阻箱串聯(lián)]的電動勢和內(nèi)阻，滑動變阻器（0～1 kΩ），比較真實值與測量值間的差異。

【活動11】 實驗建構(gòu)內(nèi)、外接法的選擇原則

如圖5所示，電源為電動勢為2 V，內(nèi)阻約為0.1 Ω的蓄電池，滑動變阻器R1（0～10 Ω），觀察在滑動變阻器調(diào)節(jié)過程中，電壓表指針的偏角大小及其變化情況，定性說明其產(chǎn)生原因。

將電源換為蓄電池與1 kΩ的電阻箱串聯(lián)后構(gòu)成等效電源，重做上述實驗，定性說明其產(chǎn)生的原因。

試根據(jù)實驗現(xiàn)象，歸納出內(nèi)、外接法的選擇原則。

【活動12】 理論探尋系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因

理論探尋系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因，從三個層面進行：一是運用閉合電路歐姆定律導(dǎo)出電壓表、電流表示數(shù)間的函數(shù)關(guān)系；二是闡述U-I圖像的物理意義；三是歸納出系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因。當(dāng)然，上述推理過程可以是具體問題呈現(xiàn)出來，也可將整個推導(dǎo)過程呈現(xiàn)給學(xué)生，具體情況視學(xué)生而定。

（3）狹義伏安法測量E和r進階至廣義伏安法測量E和r

【活動13】 實驗探索狹義伏安法與廣義伏安法的對應(yīng)關(guān)系

運用圖6、7所示電路分別測量電源1[蓄電池（2 V，內(nèi)阻極?。┡c阻值為5 Ω的電阻箱串聯(lián)]、電源2[蓄電池（2 V，內(nèi)阻極?。┡c阻值為1 000 Ω的電阻箱串聯(lián)]的電動勢和內(nèi)阻，將實驗測量數(shù)據(jù)分別記在對應(yīng)表格中（如表2、3所示）。

在U- 坐標(biāo)系中處理圖6電路的實驗數(shù)據(jù)，在IR-I坐標(biāo)系中處理圖7電路的實驗數(shù)據(jù)，比較測量值與真實值的誤差情況。

【活動14】 理論探索狹義與廣義伏安法測量E和r電路的聯(lián)系

比較圖4、5、6三個實驗電路，圖6電路中的 對應(yīng)于哪個電路中的電流表示數(shù)？由此，你認為圖6所示電路適用測量什么樣的電源？

比較圖4、5、7三個實驗電路，圖7電路中的IR對應(yīng)于哪個電路中的電壓表示數(shù)？由此，你認為圖7所示電路適用測量什么樣的電源？

在上述活動的基礎(chǔ)上，再安排學(xué)生按教材要求測量蘋果電池的電動勢和內(nèi)阻。需要指出的是，由于水果電池的內(nèi)阻較大，因而不能用圖4、圖6所示電路來測量。但教材安排了圖4、圖6和圖7三種電路進行測量，顯然，教材在實驗方法選擇這一至關(guān)重要的問題上出現(xiàn)了明顯失誤。另外，上述幾個學(xué)習(xí)活動設(shè)計，對于伏阻法、安阻法的系統(tǒng)誤差分析，沒有采用常規(guī)的 - 、 -R的函數(shù)關(guān)系分析方法，而是采用U- 、IR-I分析，既避免因繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程而沖淡對問題本質(zhì)的認識，也有效揭示了四個電路的內(nèi)在聯(lián)系。當(dāng)然，基于 - 、 -R的數(shù)據(jù)處理作為一種線性化的處理思想，可在高三復(fù)習(xí)階段加以安排。

4.3 電阻測量與電動勢和內(nèi)阻測量電路的內(nèi)在聯(lián)系方式

關(guān)于電阻測量與電動勢和內(nèi)阻測量電路的關(guān)聯(lián)方式，除了可以把電阻測量中的電壓、電流測量方式遷移至電源電動勢和內(nèi)阻測量之中外，在系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生原因上，是否存在共同的特性呢？為此，采用表格方式進行對比呈現(xiàn)，建立“發(fā)現(xiàn)情境”，引導(dǎo)學(xué)生建立兩類實驗間的內(nèi)在聯(lián)系，以此凸顯“伏安法”這一主題核心概念的統(tǒng)攝作用，進而形成整體性認識。

【活動15】 歸納電阻測量與電動勢和內(nèi)阻測量中系統(tǒng)誤差對應(yīng)方式

在表4中，給出了電阻測量與電動勢和內(nèi)阻測量的兩種基本電路，其測量對象分別為電阻和電源，仔細觀察表格，你能發(fā)現(xiàn)什么樣的物理規(guī)律？

縱觀“伏安法”學(xué)習(xí)進階的學(xué)習(xí)路徑設(shè)計，沒有追求每種測量方法的優(yōu)化設(shè)計，而是在系統(tǒng)規(guī)劃“伏安法”學(xué)習(xí)進階及其內(nèi)容序列關(guān)聯(lián)方式的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌規(guī)劃微觀教學(xué)過程，從而有效促進了學(xué)生對“伏安法”的整體理解。

參考文獻：

[1]張玉峰，郭玉英.科學(xué)概念層次分析：價值、變量與模型[J].物理教師，2015，36（11）：2-6.

[2]翟小銘，等.構(gòu)建學(xué)習(xí)進階：本質(zhì)問題與教學(xué)實踐策略[J].教育科學(xué)，2015（4）：47-51.

（欄目編輯 羅琬華）