陳立其

(江蘇省南京市金陵中學，江蘇 南京 210005)

高中電學實驗一直是學生學習中非常突出的難點問題之一.在教學過程中，教師覺得電學實驗難教，學生反映電學實驗難學，特別是從高中電學實驗的考查結(jié)果看，學生的錯誤是五花八門，而且是經(jīng)常性反復(fù)地犯同一類型錯誤，教師反復(fù)講解和學生重復(fù)訓練，效果甚微.本文意在通過學生常見錯誤現(xiàn)象分析，找到形成教學難點的根本原因，通過課堂教學實例來示范解決.

人教版高中教材選修3-1“恒定電流”一章中電學實驗共有4個.它們分別是(1) 導(dǎo)體電阻率的測量；(2) 描繪小燈泡伏安特性曲線；(3) 電池電動勢和內(nèi)電阻的測量；(4) 練習使用多用電表.

通常情況是，學生在單個實驗學習時，靠記憶和訓練還能大致掌握每個實驗的要點，一旦對電學實驗進行綜合性考查，學生便不知所措、漏洞百出.仔細分析學生困難，大致表現(xiàn)為(1) 器材和量程選擇難；(2) 電路連接的選擇難；(3) 器材使用和讀數(shù)難；(4) 實驗誤差的分析難；(5) 實驗原理的理解難.

通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，學生各種錯誤表象，可以概括歸納為兩個方面，一是對實驗原理理解不透徹，這里說的“原理”也包含實驗器材的工作原理、電路連接的知識以及實驗誤差分析的理論等；二是實驗操作練習太少.很多學生在做分組實驗時，照著實驗步驟走一下流程，不去思考和討論支撐實驗的理論知識，等到面對實驗問題考查時，又沒有實驗條件動手，出現(xiàn)了“做時沒去思考，思考時沒法做”的現(xiàn)象.實驗操作和實驗原理兩張皮問題是電學實驗難點形成的主要原因.筆者根據(jù)以上分析，在教學中精心設(shè)計，讓學生能夠在實驗動手操作過程中有體會、有疑問、有發(fā)現(xiàn)、有收獲，在實驗中理解原理.同時也讓學生在實驗原理的指導(dǎo)下設(shè)計實驗，依據(jù)自己的設(shè)計進行實驗操作，讓原理指導(dǎo)實驗.筆者通過自己的兩節(jié)課堂實際教學操作來詮釋“掌握原理”和“動手實驗”的相互促進關(guān)系的有效策略.

1 “原”實驗之“理”——課堂實例“伏安法測電阻”

“原”在這里有“追源”、“溯源”之意，重在通過實驗理解原理.實驗是手段，也是目的；原理是依據(jù)，也是結(jié)論.動手實驗，既要提高實驗操作能力，還要通過實驗發(fā)現(xiàn)問題，運用學習的知識分析解決實驗問題，進而發(fā)現(xiàn)和理解實驗原理.

教學實例1：伏安法測電阻.

(1) 器材準備.

提供器材有： 電壓表V(0-3-15 V)，電流表A1(0-0.6-3 A)，電流表A2(0-20 mA)，電流表A3(0-300 μA)，1.5 V干電池，導(dǎo)線，開關(guān)，每組3個色環(huán)電阻(阻值沒有給學生)：R1=20 kΩ，R2=0.2 Ω，R3=1000 Ω.

(2) 實驗要求.

① 學生兩人一組，每組學生利用提供的色環(huán)電阻讀數(shù)規(guī)則，讀出手頭幾個色環(huán)電阻的電阻值；② 利用手頭實驗器材來測量這幾個電阻的阻值.

學生利用色環(huán)讀數(shù)規(guī)則，很快得到3個電阻分別是20 kΩ，0.2 Ω，1000 Ω.

(3) 實驗原理和實驗方案.

實驗原理是歐姆定律.根據(jù)提供的器材和學生的實驗經(jīng)驗，大家都選擇了伏安法測電阻.

(4) 器材選擇.

電壓表只有1只，量程分別是3 V和15 V，電流表的選擇要學生自己完成.

師：我們選擇電表時，應(yīng)該注意什么問題呢？

生：為了減少讀數(shù)誤差，讀數(shù)不能太小，也不能超過量程.

師：我們測量3個不同電阻需要選擇哪個電流表？

生：用歐姆定律計算電阻在3 V和15 V電壓下的電流，就可以選擇電流表了.

給學生討論時間，小組回答選擇結(jié)果.

① 待測電阻R1=20 kΩ.

所以測量R1時，電壓表選擇3 V量程，電流表選擇A3，300 μA量程的.

② 待測電阻R2=0.2 Ω.

超過了電流表的最大量程3 A.

所以測量R2時，電壓表選擇3 V量程，電流表選擇A1，0.6 A擋.

(電壓表只能選3 V擋位，因為受到電流最大值的限制，電源只用1節(jié)干電池)

③ 待測電阻R3=1000 Ω.

所以測量R3時，電壓表選擇15 V量程，電流表選擇A2，20 mA擋.

點評：在實驗中，因為實驗需要，學生通過物理知識解決了器材和量程選擇的難點問題，既增強了實驗?zāi)芰?，又加深了對原理的理?

(5) 電路選擇.

圖1

因為在學習本節(jié)課時，學生還沒有學習過內(nèi)接法和外接法的誤差分析等知識，所以，有的學生用了內(nèi)接法，有的學生使用了外接法(如圖1所示).

(6) 學生實驗.

學生動手做實驗，待學生完成數(shù)據(jù)記錄和計算后，教師請學生把數(shù)據(jù)填到表格中(見表1).

表1

(7) 分析誤差規(guī)律.

師：凡是測量，都有誤差.請大家分析誤差有規(guī)律嗎？

生：安培表內(nèi)接時，測量值偏大；安培表外接時，測量值偏小.

師：我們平時把伏安法測量產(chǎn)生的誤差簡單歸納為“大內(nèi)小外”.

師：誤差不可避免，我們是否可以減小誤差呢？

生：我們發(fā)現(xiàn)測量大電阻R1=20 kΩ用外接法誤差大，測量小電阻R2=0.2 Ω用內(nèi)接法誤差大.是不是大電阻用內(nèi)接法，小電阻用外接法誤差小？

師：是啊.這也是“大內(nèi)小外”的另一種理解.我們是不是可以這樣說，安培表內(nèi)接法測量值偏大，適合測量大電阻；安培表外接法測量值偏小，適合測量小電阻.

點評：伏安法測電阻實驗誤差的規(guī)律是學生從實驗中自己發(fā)現(xiàn)的，更容易激發(fā)學生探究理論依據(jù)的學習動力.

(8) 分析誤差來源.

師：我們通過實驗數(shù)據(jù)分析，得到了“大內(nèi)小外”實驗誤差的結(jié)果.大家思考一下，為什么會有這樣“大內(nèi)小外”的誤差呢？

生：安培表內(nèi)接法.

所以，安培表內(nèi)接法測量值偏大.又因為，安培表內(nèi)阻比較小，所以測量大電阻時，串聯(lián)的安排表內(nèi)阻引起的相對誤差就小.

生：安培表外接法.

所以，安培表外接法測量值偏小.同樣，因為伏特表內(nèi)阻比較大，當測量小電阻時，并聯(lián)的伏特表內(nèi)阻引起的誤差就比較小.

點評：學生在實驗中發(fā)現(xiàn)了誤差規(guī)律，利用物理知識自主討論，論證了實驗誤差產(chǎn)生的物理學的原理，實現(xiàn)了“驗”實驗之“理”.學生通過實驗操作，理解原理，有效地解決了儀器選擇、電路選擇和誤差分析的難點問題.

2 “驗”原理之“實”——課堂實例“測量微安表的內(nèi)阻”

教師在黑板上講實驗，學生在紙上做實驗，都是重視實驗原理之“理”.這種做法忽視了實驗原理之“實”.實驗原理必須通過實驗發(fā)現(xiàn)和實驗驗證，才能更好地被理解和掌握.第2個課堂實例重點關(guān)注運用實驗原理來指導(dǎo)實驗操作的策略.

教學實例2：測量微安表的內(nèi)阻.

(1) 實驗整體安排.

本實驗是在課本上4個電學實驗都完成的前提下安排的電學復(fù)習課.教師先提前一周布置任務(wù).

① 實驗任務(wù)：測量1只微安表的內(nèi)阻，微安表量程200 μA，內(nèi)阻幾千歐.

② 提供器材(每種器材數(shù)量不限)：待測微安表，電阻箱(0-99999 Ω)，多用電表型號modelM78，電壓表(0-3 V-15 V)，靈敏電流計(300 μA)，學生電源(3 V，4 A)，干電池，開關(guān)，導(dǎo)線.

③ 實驗要求：每4人一組，每組提出不少于3種測量方案，列出需要器材清單，畫出電路圖，寫出實驗步驟，繪制數(shù)據(jù)記錄表格.一周后到實驗室做實驗.

(2) 實驗操作.

收集到相對集中的實驗方案有：① 歐姆表法；② 伏安表法； ③ 電橋法；④ 替代法；⑤ 半偏法.由于時間關(guān)系，本節(jié)課要求學生完成前3個實驗方案，并對3種方案進行比較討論.如果小組時間充裕，可以嘗試其他方案.

(3) 實驗交流.

師：大家都嘗試了3個測量方案，你們遇到了哪些問題？是如何解決的？對實驗方案有什么新的體會？都可以說說看.

① 歐姆表法.

生A：我們小組用歐姆表測量，用×10擋時讀數(shù)在 300～400之間；用×1 k擋時，讀數(shù)在2～3之間，乘上倍率，電阻值在2 k到4 k之間，誤差太大.

師：有小組解決這個問題了嗎？

圖2

生B：因為這個歐姆表沒有×100擋(如圖2所示)，我們也是用×1 k擋測量.我們先給微安表串聯(lián)上一個電阻箱，調(diào)節(jié)電阻箱，使歐姆表指針在中值附近，再用測量值減去電阻箱數(shù)值，得到微安表內(nèi)阻為3100 Ω.

生C：我們也是這樣做的.為什么阻值只有2800 Ω呢？

師：大家還有哪些數(shù)值呢？

學生不同組的測量值相差較大，最小值是2600 Ω，最大值是3200 Ω.

師：請大家對歐姆表法測量電阻做個評價.

生C：測量誤差較大，只能用來粗測電阻值.

點評： 換擋調(diào)零，讀數(shù)時指針盡量在表頭中間，讀數(shù)乘上倍率才是測量值，我們平時經(jīng)常強調(diào)的這些實驗操作要點，學生們在實驗中都遇到了，理解自然更深刻.

圖3

② 伏安法.

生E：因為我們學習過安培表測量電阻的“大內(nèi)小外”的誤差結(jié)論，考慮歐姆表粗測到微安表內(nèi)阻在3000 Ω左右，屬于大電阻，所以我們用如圖3所示的安培表內(nèi)接法，因為教師沒有提供安培表，我們就用靈敏電流計代替了安培表.但是，當我們測量出電阻值是5800 Ω時，我們覺得這里使用內(nèi)接法有問題.

師：你們討論過為什么會這樣？

生E：我們討論發(fā)現(xiàn)，這里靈敏電流計內(nèi)阻應(yīng)該也很大，待測電阻和靈敏電流計電阻相比不是大電阻，不符合“大內(nèi)小外”的結(jié)論；如果用外接法也不好，因為待測電阻在這里肯定不是小電阻.我們也用安培表外接法測量了，測量值為2400 Ω，誤差太大了.

師：還有同學解決這個問題了嗎？

生F:我們組開始也遇到了類似的問題.我們后來是用另外一只相同的微安表代替了靈敏電流計，測量出的阻值除以2就是微安表的內(nèi)阻，測量值得到2900 Ω.

生A：我們后來討論發(fā)現(xiàn)，就用一只電壓表和一只微安表就可以了，待測微安表就能測出電流.這樣，我們測量的電阻是2900 Ω.

師：大家對伏安法測量方案有什么看法？

生E：“大內(nèi)小外”的實驗結(jié)論不能死記硬背，待測電阻的大小是相對于電壓表內(nèi)阻和電流表內(nèi)阻而言的.如果待測電阻和提供的電表不符合簡單套用“大內(nèi)小外”的結(jié)論時，我們需要運用學過的電路知識，巧妙靈活地使用伏安法.

生F： 我補充一點，伏安法測電阻有系統(tǒng)誤差，但是它的誤差確實比歐姆表法小得多.

③ 電橋法.

師：這種測量方法我們在習題中學習過.我們先請一組同學介紹一下實驗原理.

圖4

生G：如圖4電路，當電阻R1∶R2=Rx∶R3時，靈敏電流計中的電流為0.這種方法沒有系統(tǒng)誤差，原理也好理解.

生G:我們動手連接電路時，發(fā)現(xiàn)電路連接很復(fù)雜，我們4個人用了十幾min，電路都沒有連接好.實驗沒有做.

生H：原理圖看著簡單，實物電路連接比較困難.我們4個人討論，還請教了老師，后來成功了.我們用3個電阻箱分別當做R1、R2和R3.計算出電阻值為3100 Ω.我們還改變幾次電阻箱的電阻，得到的結(jié)果幾乎一致.

生I：我們也花了好長時間才連接好電路.我們小組要補充兩點：一個是靈敏電流計支路上最好要加一個開關(guān)，保護電流計，同時注意指針不要過偏；第二個是要注意，微安表指針也很容易過偏.所以大家調(diào)整電阻箱后要合上開關(guān)前，一定要用試觸法看看兩個表不要超過量程.

師：看來真是“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”??！

點評：這個實驗對學生動手能力考查最充分.通過這個實驗方案，學生更加充分認識到動手做實驗的重要性.

④ 實驗方案比較.

師：由于課堂時間限制，我們主要動手操作了3種測量方案，還有同學提出的其他測量方法，今天來不及實踐了.大家就這3種方案，說說它們的特點.

生C：歐姆表測電阻，操作簡單，偶然誤差大，適用于對測量精度要求不高情況的測量.

生H：伏安法測電阻，有系統(tǒng)誤差，只要我們電路使用合理，測量誤差比較小.

生A：電橋法測電阻，無系統(tǒng)誤差，測量精度高，適合對電阻測量要求比較高的情況下使用，這種方法電路連接復(fù)雜.

點評：測量微安表內(nèi)阻的實驗課，學生是在理論指導(dǎo)下進行實踐，學生收獲更多的是在實踐中檢驗原理和理解原理，理解動手實驗對于掌握原理的重要性.

3 結(jié)束語

在進行“恒定電流”章節(jié)教學時，教師要有實驗意識，重視電學知識的實驗來源.例如在歐姆定律、電阻定律和焦耳定律的教學時，要多做實驗，讓學生體會物理知識是來源于實驗，同時讓學生在課堂學習中也和教師一起經(jīng)歷實驗過程，讓概念和規(guī)律教學課能夠達到“原”實驗之“理”的效果.在實驗教學時，教師更要引導(dǎo)學生理解實驗原理，理解儀表工作原理，掌握實驗誤差的理論分析等.在實驗原理的指導(dǎo)下做實驗，帶著問題做實驗，在實驗中去驗證原理，在實驗中去理解和掌握原理，真正做到“驗”原理之“實”.教師要把實驗教學和物理概念、規(guī)律教學有機融通，才能有效突破實驗教學的難點問題.

當然，“原”實驗之“理”和“驗”原理之“實”也充分體現(xiàn)了辯證唯物主義認識論思想.我們學生的學習過程，也應(yīng)該像科學家們科研活動一樣，要符合認識的規(guī)律，要在科學理論的指導(dǎo)下進行實踐活動，提高實踐活動有效性，還要在實踐中發(fā)現(xiàn)問題，檢驗和理解科學理論，全面實現(xiàn)個人科學素養(yǎng)的提升.