劉俊韜，史鏡毓，龔 穎，冼德鳳，陳曉琳，周江北，張 殷

(廣西師范大學物理科學與技術學院，廣西 桂林 541004)

1 引言

科學探究是學生學習物理不可或缺的重要能力，它要求學生不斷發(fā)現(xiàn)問題，進行合理假設，并鼓勵學生通過小組合作方式通過多種渠道尋找證據(jù)，運用實驗、觀察的科學方法進行探索，最后對發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象進行評價交流。在本文的教學設計案例中，以初三學生日常生活中常見的水果及蔬菜作為實驗材料，立足于培養(yǎng)該群體學生科學探究領域的綜合能力。該單元課程旨在幫助學生簡單了解果蔬電池的基本工作原理，掌握萬用表測量電壓的方法，通過小組合作對影響果蔬電池“電壓”某個因素進行完整的探究，并且結合所學知識能夠合理解釋實驗現(xiàn)象，并應用于生活實際。

2 教材與學情分析

2.1 教材分析

初中物理人教版教材第十六章《電壓 電阻》第一節(jié)（P55）中提到了水果電池可以作為電源，為發(fā)光二極管提供電壓，使自由電荷在回路中定向移動，使二極管發(fā)亮。但教材中只是提及水果電池具有一般干電池的作用，卻沒有詳細地對其進行介紹。而且，水果電池的材料也僅僅局限于水果類。本節(jié)課擴展可以作為電池材料的范圍，將水果及蔬菜一起進行研究，讓學生認識到水果和蔬菜電池都可以給用電器提供電壓。

2.2 學情分析

學生在接觸本節(jié)課有關內容時，已經對電壓有了初步的認識和了解，即將學習到部分電路歐姆定律?！半娫措妱觿莺蛢茸琛钡膬热菀诟咧胁艑W習到，學生要在學習閉合電路歐姆定律的基礎上才能完全理解。所以在本次探究中，采用了“果蔬電池電壓”這個在初中階段使用的初級概念。盡管學生在現(xiàn)階段無法解釋實驗的現(xiàn)象，但該實驗結果可以為學生后續(xù)認識到電源實際上存在內阻以及電動勢與電壓的區(qū)別，埋下一個伏筆。

3 教學流程設計與介紹

3.1 前景回顧階段

教師活動：帶領學生重新回顧科學探究的八個步驟，即提出問題、作出假設、制定計劃、搜集證據(jù)、處理信息、得出結論、表達交流、反思評價。

設計意圖：使學生熟悉并能靈活運用科學探究的步驟去探究問題，為初三學生進行果蔬電池的探究提供研究方法。

3.2 情景引入階段

教師活動：簡要介紹果蔬電池以及制作方法，演示如何使用萬用表測量果蔬電池兩端的電壓數(shù)值，進一步引發(fā)學生對果蔬電池的興趣，引導學生將注意力轉移到果蔬電池兩端電壓大小的影響因素。

簡要介紹：果蔬電池被稱為最天然也最沒有污染的電池，是利用水果/蔬菜中的化學物質（比如水果酸這種良好的電解質）和兩個金屬活動性順序不同的金屬片作為電極材料發(fā)生電化學反應產生電能的一種電池。

制作方法：把長鐵釘和鍍鋅十字螺絲釘插入水果/蔬菜中(處于兩側，不能相碰），作為電極，這樣一個果蔬電池就制作完成。

演示操作：介紹學生萬用表的基本操作，連接好萬用表的紅黑表筆并測量果蔬電池兩端的電壓數(shù)值，展示如何讀取萬用表顯示的數(shù)值及其含義。（見圖1）。

圖1 果蔬電池“電壓”大小的測量演示

引導關注：提出問題，“影響果蔬電兩端電壓大小的因素有哪些？”給學生預留2-3分鐘時間發(fā)表意見并討論，教師板書學生提出的影響因素。

（1）與果蔬的大小有關；（2）與果蔬的種類有關；（3）與果蔬的水分有關；（4）與電極插入深度有關；

（5）與果蔬的酸度有關；（6）與電極的距離有關；……

設計意圖：將學生對果蔬電池能夠作為“電源”的興趣轉移到探究影響果蔬電池兩端電壓大小因素上來。給學生獨立思考問題的時間，引導學生在回答問題時考慮全面。

3.3 實驗探究階段

教師活動：根據(jù)假設，教師提供對應實驗器材和實驗任務單給學生，引導學生聚焦特定方向進行實驗設計和探究。讓學生們用萬用表測得果蔬電池兩端的電壓數(shù)值作為果蔬電池的電壓大小。同時需要在學生實驗前糾正錯誤的實驗方法，幫助學生掌握控制變量法來進行科學探究。

實驗儀器：萬用表（每組一個），檸檬、香蕉、蘋果、黃瓜、土豆若干，鐵釘、鍍鋅螺絲釘若干。

試驗任務單示例：（探究電極插入深度因素）

（1）你們的猜想；

（2）實驗數(shù)據(jù)；

（3）得出的結論；

（4）解釋你們的結論；

（5）意外的發(fā)現(xiàn)。

設計意圖：在該環(huán)節(jié)教師給學生自由的空間，使學生成為研究過程的主體，讓學生親歷科學探究的過程。教師的作用是將學生引領到探究問題的情境之中，幫助學生在探究過程中培養(yǎng)他們作出猜想與假設、動手操作的嚴謹性以及控制變量等能力。

3.4 情境引入階段

教師活動：教師邀請各小組代表分享本組得到的結果和實驗過程中的所思所想所得，并初步總結學生活動情況。

學生實驗展示：

（1）A組研究的是果蔬/蔬菜電池兩端的電壓與電極插入深度是否有關。

該組的猜想是電極插入深度與果蔬電池兩端的電壓測量值成正比。該組的實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 電極插入深度相關實驗數(shù)據(jù)

該組得出的結論與假設不一致，在電極距離一樣的條件下，隨著電極深度的增加，黃瓜電池的電壓測量值先減小后增大，土豆電池的電壓測量值逐漸減小。

（2）B組研究的是果蔬/蔬菜電池的電壓測量值與果蔬/蔬菜的狀態(tài)是否有關。

該組的猜想是把果蔬/蔬菜切半，會導致電壓測量值減半。該組的實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 果蔬狀態(tài)相關實驗數(shù)據(jù)

該組得出的結論為把果蔬或者蔬菜切半，它的電壓測量值不會簡單地減小一半。對于土豆來說，切半會使電壓測量值減小，但并不是正比關系；對于蘋果來說，切半會使其中一半果蔬電池的電壓測量值略微升高，另一半果蔬電池電壓測量值降低。

（3）C組研究的是果蔬/蔬菜電池的電壓測量值與電極距離是否有關。

該組的猜想是電極距離越大，電壓測量值會越小。該組的實驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 電極距離相關實驗數(shù)據(jù)

該組的結論是對于蘋果來說，在控制電極插入深度一樣的條件下，隨著電極距離的增大，蘋果電池的電壓測量值逐漸減小，土豆電池的電壓測量值先增大后減小。

（4）D組研究的是果蔬/蔬菜電池的電壓測量值與果蔬/蔬菜的種類是否有關。

該組的猜想是電壓測量值會與種類有關，且猜測檸檬電池和黃瓜電池的電壓測量值會比蘋果和土豆的電壓測量值高。該組的實驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 果蔬種類相關實驗數(shù)據(jù)

該組得出的結論是在相同電極距離與電極插入深度時，黃瓜與蘋果電池的電壓測量值要小于土豆電池與檸檬電池的電壓測量值。可以對四種果蔬做一個大致排序：黃瓜＜蘋果＜檸檬＜土豆。

試圖解釋：研究水果/蔬菜種類影響其電壓測量值的小組：發(fā)現(xiàn)土豆電池的電壓測量值在測試的實驗組（黃瓜、檸檬、土豆、蘋果）中最高，猜想可能是與其富含淀粉有關。

設計意圖：通過每個小組的分享與交流，教師引導學生表達自己小組對現(xiàn)象的探究學習過程。同時培養(yǎng)其他未分享的同學善于傾聽發(fā)言的能力，讓學生聯(lián)系生活實際運用所學知識合理解釋實驗現(xiàn)象。

3.5 繼續(xù)思考階段

教師活動：引導學生分享實驗過程中較難解決的問題和其他意外發(fā)現(xiàn)。

課堂提問：

（1）為什么把水果/蔬菜串聯(lián)起來，卻無法使得小燈泡點亮？

（2）如何處理并利用實驗后的水果及蔬菜？

（3）為什么用萬能表分別測鐵釘與螺絲釘，發(fā)現(xiàn)底端與頂端測得的電壓會有細微的數(shù)據(jù)差？

（4）研究電極深度的小組在展示的數(shù)據(jù)中都是鐵釘和鍍鋅螺絲釘都插入同樣的深度，如果鐵釘插入1cm，鍍鋅螺絲釘插入3cm，兩個電極插入深度不一樣是否會影響測得的電壓數(shù)值？

設計意圖：幫助學生更加深入思考果蔬電池的基本原理，為想要繼續(xù)探究的學生保留進一步思考的空間。

3.6 交流評估階段

教師活動：教師展示自己所做的實驗數(shù)據(jù)，與學生得到的數(shù)據(jù)進行參照，師生一起討論得到的結果和各小組設計的方案，并在此階段對學生整節(jié)課的行為根據(jù)表現(xiàn)性分級量化表進行評價。

教師展示：以探究果蔬狀態(tài)對電壓的影響為例。如圖1、圖2所示。

圖1 不同狀態(tài)土豆電池兩端電壓測量值的比較

圖2 不同狀態(tài)蘋果電池兩端電壓測量值的比較

4 表現(xiàn)性分級量化表

表現(xiàn)性分級量化表見表5。

表5 表現(xiàn)性分級量化表

設計意圖：對整節(jié)課經歷的科學探究過程進行評價和反思，師生共同研究討論實驗測量得到的數(shù)據(jù)，引導學生將實驗數(shù)據(jù)可視化，方便進一步分析討論，并預留一定程度的疑問給學生進一步探究和思考。

5 課后評析

這節(jié)課能夠循序漸進地引導學生根據(jù)實驗現(xiàn)象進行科學探究。教師先是引起學生們對果蔬電池的好奇心，然后引導學生把注意力集中到果蔬電池或蔬菜電池兩端的電壓大小上來，接著讓學生思考果蔬電池兩端電壓大小的影響因素，每個小組各自研究不同的主題。在實驗結束后，還有各小組交流與思考的環(huán)節(jié)，而且教師還展示自己所做的實驗數(shù)據(jù)，并于學生一起研究探討。此外，該教學設計比較大的創(chuàng)新點是在教學過程中運用分級量化表，對學生的表現(xiàn)進行分級評價，從而獲得傳統(tǒng)紙筆測評所忽視的學生探究過程。盡管實驗過程中有些問題并不能依靠學生現(xiàn)有的知識水平解釋清楚，但我們相信這種探索未知的思維方式將會幫助該組在科學的道路上走得更遠。