趙玉杰

摘? ?要：學(xué)生通過制作水果電池經(jīng)歷了科學(xué)探究的幾個重要環(huán)節(jié)，以此培養(yǎng)他們的科學(xué)思維與動手實踐能力?！八姵亍庇捎诓皇侵锌嫉目键c，因此在物理課堂中很少被關(guān)注。這看似“無用”的知識，不僅蘊含了豐富的物理知識和化學(xué)知識，而且在初中階段和高中階段都有挖掘的價值。文章以一節(jié)“水果電池”的公開課為例，談?wù)剬Υ说乃伎肌?/p>

關(guān)鍵詞：水果電池;跨學(xué)科教學(xué);初高中銜接

本文中的“無用”知識，是指不是考試的考點，在教學(xué)中很少被關(guān)注的知識。就科學(xué)知識本身而言，那些中考熱點、重點自然成了課堂的主角。然而，這些“無用”知識就沒有教的價值嗎？筆者認(rèn)為，它們有的可以用來激發(fā)興趣，有的可以用來培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)，有的可以重在培養(yǎng)情感，還有的可以用來打通學(xué)科界限。下面以“水果電池”為例探討“無用”知識的有用性。

1? ? 設(shè)計思路

通過對比實驗引出本節(jié)課的研究內(nèi)容，以實驗小組為單位，自主開展水果電池的制作、判斷電源正負極、設(shè)計實驗方案、收集實驗數(shù)據(jù)、歸納實驗結(jié)論、分析圖像、發(fā)現(xiàn)并解決新問題等教學(xué)過程。流程圖如圖1所示。

2? ? 教學(xué)片段

2.1? ? 猜想：二極管不發(fā)光的原因可能是什么？

演示實驗1：將水果電池與電子鐘表相連，電子鐘表指針轉(zhuǎn)動，如圖2所示。

演示實驗2：將水果電池與一個二極管相連，二極管不發(fā)光。

通過觀察對比實驗，學(xué)生會產(chǎn)生疑問：為什么鐘表指針轉(zhuǎn)動，而二極管不發(fā)光？由于二極管具有單向?qū)щ娦?，學(xué)生猜想原因可能是二極管的正負極接反了，另一個原因可能是水果電池提供給二極管的電壓過小，不足以讓二極管發(fā)光。進而引入本節(jié)課的課題——通過實驗判斷水果電池的正負極和探究影響水果電池電壓大小的因素。

2.2? ? 提問：如何判斷水果電池的正負極

實驗桌上為學(xué)生提供了二極管、電流表、電壓表、靈敏電流表等實驗器材，學(xué)生借助學(xué)過的電學(xué)元件，判斷水果電池的正負極。

學(xué)生實驗1：兩人一組，用梨、銅片和鋅片制作一個水果電池。然后請三個小組合作，將三個水果電池串聯(lián)作為電源，用二極管判斷三個水果電池串聯(lián)后的正負極。

交流討論：如何判斷電源正負極？判斷的結(jié)果是什么？

學(xué)生1：二極管的正極接在水果電池上的銅片時發(fā)光，由此判斷銅片是水果電池的正極。

學(xué)生2：將電壓表的正極接在水果電池上的銅片時，指針向右偏轉(zhuǎn)，因此能判斷銅片是水果電池的正極。這位同學(xué)還提出一個疑問，將電流表最小的量程直接接在水果電池的兩端，電流表的指針為什么不發(fā)生偏轉(zhuǎn)？

思維拓展：在實驗前，學(xué)生普遍認(rèn)為電壓表和電流表可以判斷出水果電池的正負極，但通過實驗學(xué)生發(fā)現(xiàn)電流表的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。教師可以引導(dǎo)學(xué)生大膽地更換儀器，用靈敏電流表代替電流表，使學(xué)生認(rèn)識到優(yōu)化實驗器材也是實驗成功的關(guān)鍵。

2.3? ? 探究：影響水果電池電壓大小的因素

猜想：影響水果電池電壓大小的因素有哪些？

學(xué)生回答：電極的材料，電極間距，電極插入的深度，水果大小等。

舉例分析：探究水果電池電壓大小與電極間距的關(guān)系。

實驗方案設(shè)計：教師引導(dǎo)學(xué)生在分析時關(guān)注幾個物理量。自變量是誰？（電極間距）如何測量？（用刻度尺）因變量是誰？（水果電池電壓大?。┤绾螠y量？（用電壓表測量）控制變量是誰？如何控制其不變？

學(xué)生實驗2：2人組成一個小組，分組實驗，每6人組成一大組探究同一個問題。

交流討論：實驗過程中遇到問題可組內(nèi)、組外共同商討，確定解決方案。在交流與討論中培養(yǎng)學(xué)生掌握新知識的能力，與他人合作的能力，交流不同想法的能力，歸納、總結(jié)及反思學(xué)習(xí)的能力。

學(xué)生通過實驗得出結(jié)論，電極之間的距離不同，水果電池電壓也不同。兩電極之間的距離越大，水果電池電壓越低;兩電極之間的距離越小，水果電池電壓越高。

2.4? ? 分析：利用圖像法分析實驗數(shù)據(jù)

“圖像法”是一種整理、分析數(shù)據(jù)的有效方法，它可以直觀、簡潔地顯示出因變量隨自變量變化的趨勢或規(guī)律。我們以水果電池電壓大小與電極間距的關(guān)系為例，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制物理圖像，如圖3。

提問：觀察圖像，你有什么發(fā)現(xiàn)？

學(xué)生回答：隨著水果電池電極間距的增加，水果電池電壓降低。

提問：你還有什么新的發(fā)現(xiàn)？

學(xué)生回答：隨著水果電池電極間距的增加，水果電池電壓降低得越慢。

2.5? ? 提問：水果電池不能使小燈泡發(fā)光的原因

演示實驗3：一節(jié)干電池的電壓為1.5 V，與小燈泡組成簡單電路，閉合開關(guān)可使其發(fā)光。用數(shù)字電壓表測量水果電池的電壓為2.74 V（圖4），用這個電壓足夠大的水果電池去點亮小燈泡，小燈泡不發(fā)光。

一節(jié)電壓為1.5 V的干電池可使小燈泡發(fā)光，這個電壓足夠大的水果電池卻不能使小燈泡發(fā)光，可能的原因是什么？

猜想1：通過小燈泡的電流過小。

猜想2：小燈泡兩端的電壓過小。

演示實驗4：水果電池與小燈泡組成簡單電路，閉合開關(guān)，用電壓表測量小燈泡兩端的電壓，發(fā)現(xiàn)電壓表的指針幾乎不偏轉(zhuǎn)，用靈敏電流表測量通過小燈泡的電流，發(fā)現(xiàn)通過小燈泡的電流很小。

思維拓展：小燈泡的亮度由它的實際功率決定，雖然水果電池電壓足夠大，但實際上小燈泡兩端的電壓和通過小燈泡的電流很小，根據(jù)P=I2R可知，小燈泡的實際功率很小，所以小燈泡不發(fā)光。由此猜想，可能是水果電池的電阻太大，導(dǎo)致電路中的電流過小。

證實猜想：教師課前利用數(shù)字電壓表和電流傳感器測得相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過電腦作圖得出水果電池的內(nèi)阻約為1200 Ω。在此引入“內(nèi)阻”概念，使學(xué)生意識到水果電池有內(nèi)阻，且內(nèi)阻很大。

2.6? ? 拓展：水果電池的應(yīng)用

希伯來大學(xué)的研究人員一直在開發(fā)“土豆電池”，一個土豆產(chǎn)生的能量就足以讓一個房間的LED燈亮上40天。

但是，為什么土豆電池沒有成功應(yīng)用呢？聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織（FAO）的高級官員說道：“將食物用作能源，你必須考慮是否有足夠的存儲量以及是否會對銷售土豆的農(nóng)民產(chǎn)生影響。如果都沒有問題，那么這一想法就能實現(xiàn)?！盵1]

3? ? “無用”知識的有用性

“水果電池”并非中考的考點，卻處處體現(xiàn)了中考對提高學(xué)生核心素養(yǎng)的要求?！八姵亍辈粌H蘊含了豐富的物理知識，同樣也涉及到大量的化學(xué)知識;不僅在初中階段有教的必要，在高中階段同樣也有挖掘的價值。

3.1? ? 與化學(xué)學(xué)科相互滲透

隨著教學(xué)改革的進一步實施，學(xué)科之間的界限正逐漸模糊，我們深刻地體會到，任何一門學(xué)科都不是孤立存在的，而是與其他學(xué)科緊密聯(lián)系的。所以，物理新課程標(biāo)準(zhǔn)的課程目標(biāo)中要求“關(guān)注物理學(xué)與其他學(xué)科之間的聯(lián)系，知道一些與物理學(xué)相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域，能嘗試運用有關(guān)的物理知識與技能解釋一些自然現(xiàn)象和生活中的問題”[2]。

學(xué)生在化學(xué)課上也會學(xué)習(xí)水果電池及其簡單的制作，但是對于“怎么證明水果電池是電池？”“水果電池為什么沒有在生活中廣泛應(yīng)用？”等問題是化學(xué)學(xué)科所不容易解決的。物理課就可以以此作為出發(fā)點，設(shè)置任務(wù)，完成物理量測量后必然對以上問題有所解釋。

在平時的教學(xué)過程中，如果我們只關(guān)注考點知識，可能忽略對知識更本質(zhì)的理解。探究水果電池的奧秘時，學(xué)生從宏觀視角利用靈敏電流表、電壓表和發(fā)光二極管可以判斷水果電池的正負極，從微觀視角利用鋅銅金屬的活潑性同樣可以得到答案。制作水果電池時，盡量選用長度、寬度、厚度相同的同種金屬。把靈敏電流表直接接在水果電池兩端，其指針幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn);但當(dāng)其中一個金屬插入的深度逐漸變化時，其指針發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)。教師從宏觀和微觀兩個視角剖析上述實驗，可使學(xué)生對水果電池的工作原理、電勢差產(chǎn)生的原因有了更為清晰的認(rèn)識。

水果電池對增進學(xué)生的理解力，培養(yǎng)學(xué)生的理性思維大有裨益。它并非僅僅把兩門學(xué)科簡單地粘在一起，而是學(xué)科思想方法的整合和綜合，學(xué)生對水果電池的深入研究，可以實現(xiàn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)。

3.2? ? 與高中物理銜接

堅持核心素養(yǎng)的物理教學(xué)銜接有利于學(xué)生知識結(jié)構(gòu)體系的建構(gòu)，有利于學(xué)生物理思維能力的養(yǎng)成，有利于對學(xué)生物理學(xué)科興趣的培養(yǎng)[3]。

通過對比初、高中物理教材發(fā)現(xiàn)，初中物理實驗的呈現(xiàn)方式較為完整、全面，教材中會給出實驗具體的操作步驟;高中物理教材中實驗的呈現(xiàn)方式為提綱式，僅針對實驗過程中遇到的障礙性問題進行說明。

初中階段關(guān)于“水果電池”的探究，給學(xué)生提供了一個真實的探究環(huán)境，學(xué)生經(jīng)歷了自主發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程，體現(xiàn)了課程標(biāo)準(zhǔn)對科學(xué)探究七個要素的基本要求，為高中物理實驗的學(xué)習(xí)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

因此，在高中階段開展“水果電池”的探究實驗時，以小組為單位根據(jù)實驗器材以及教材上的提示，可自主設(shè)計實驗電路圖，如圖5所示。學(xué)生通過交流討論，確定了符合本實驗的電路設(shè)計（圖5中的電路①）。

通過改變滑動變阻器的阻值大小，進而改變水果電池兩端的電壓和電路中的電流，得出實驗數(shù)據(jù)。運用圖像法分析、處理實驗數(shù)據(jù)，是初、高中教學(xué)的重點。初中階段學(xué)生通過分析實驗數(shù)據(jù)，得出水果電池兩端的電壓與電極間距和電極插入深度的關(guān)系圖像，進而根據(jù)圖像猜想引起電壓變化的原因，可能是水果電池并非理想電源。在初中學(xué)生能接受的范圍內(nèi)進行合理擴展，使學(xué)生了解電池“內(nèi)阻”的存在。

高中階段可利用統(tǒng)計軟件Excel處理實驗數(shù)據(jù)，繪制U-I圖像，擬合出電流與電壓的關(guān)系式。分析數(shù)據(jù)和圖像發(fā)現(xiàn)，水果電池的內(nèi)阻與電壓表內(nèi)阻相比不可忽略。為了得到更為準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，學(xué)生自主對實驗電路進行改進，改進后的電路圖如圖6。對于這一問題的思考，使得學(xué)生的創(chuàng)新意識進一步加強。

本節(jié)課是從初中學(xué)生的視角出發(fā)，設(shè)計了關(guān)于“水果電池”的探究實驗。在初中階段學(xué)生多次與電源“內(nèi)阻”問題不期而遇，因此，在教學(xué)中我們不能一味地避而不談。例如，在“探究并聯(lián)電路特點”時，把兩只小燈泡并聯(lián)在電源兩端，兩只燈泡都發(fā)光，但取下其中一只燈泡時，觀察到?jīng)]被取下的燈泡變亮了。再如，學(xué)生將電源與定值電阻組成簡單電路時，用電壓表測量定值電阻兩端的電壓，發(fā)現(xiàn)當(dāng)定值電阻阻值分別為5 Ω、10 Ω、15 Ω時，電壓表對應(yīng)的示數(shù)為2.2 V、2.4 V和2.5 V。學(xué)生在實驗過程中發(fā)現(xiàn)的這些問題使他們充滿了疑惑，而這些問題都與“內(nèi)阻”有關(guān)。在初中階段適度地引入“內(nèi)阻”知識，有利于學(xué)生在真實的情境中主動地建構(gòu)知識。

“水果電池”充分體現(xiàn)了課程標(biāo)準(zhǔn)中“提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，增強學(xué)生的創(chuàng)新意識，發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和獨立研究能力”等要求。體現(xiàn)了實驗活動從初中定性到高中定量的轉(zhuǎn)變，也為高中階段對于實驗更完整、更具體、更深入的教學(xué)要求搭建了思維的階梯，最終通過實驗培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、制訂計劃的能力等。

4? ? 獲得的啟示

莊子云：“無用之用是為大用也”[4]。從升學(xué)和考試的角度看，這些知識在短期內(nèi)用處不大，對于學(xué)生的長遠發(fā)展而言，它們又是有用的。在興趣的驅(qū)使下學(xué)生進行自主探究，他們學(xué)會的是一種學(xué)習(xí)方式和科學(xué)研究方式，也是他們學(xué)習(xí)科學(xué)知識、發(fā)展科學(xué)思維、形成科學(xué)態(tài)度必經(jīng)的一個歷程。

我們在今后的教學(xué)中，應(yīng)仔細衡量、認(rèn)真辨析我們的課程中哪些知識是“有用的”，哪些知識是“無用的”，找準(zhǔn)它們之間的平衡點，這考驗著我們每一位教師的智慧?；蛟S我們可以在物理課程某一單元或者某一部分課程結(jié)束后，安排一節(jié)類似“水果電池”這樣綜合性強、能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的課。例如，講完摩擦力后，可與空間科學(xué)相結(jié)合，講授“人造衛(wèi)星”的相關(guān)知識;講完光學(xué)后，把幾章的內(nèi)容融合到一起，講授“電影的魔力”。我們利用這些綜合性強，又與生活息息相關(guān)的課題，給學(xué)生一個自由開放的探索環(huán)境，畢竟興趣是學(xué)習(xí)最好的動力。

著名物理學(xué)家和教育家費曼曾說：“物理教師的職責(zé)是讓學(xué)生欣賞奇妙的世界和物理學(xué)家看待這個世界的方式”。要使物理課堂變得智慧與生機勃勃，仍需要教師們在物理教學(xué)中不斷變革和創(chuàng)新。

參考文獻：

[1]土豆電池技術(shù)的應(yīng)用任重而道[J].功能材料信息，2013，10（Z1）：108-109.

[2]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011.

[3]林欽，陳峰，宋靜.關(guān)于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的中學(xué)物理教學(xué)的思考[J].課程·教材·教法，2015，35（12）：90-95.

[4]錢穎一.“無用”知識的有用性[N].中國青年報，2012-08-27（012）.

（欄目編輯? ? 羅琬華）