錢士莊

(江蘇省揚州市江都區(qū)仙城中學(xué)，江蘇 揚州 225200)

1 引言

科學(xué)探究既是學(xué)生學(xué)習(xí)物理課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，又是物理學(xué)科重要的教學(xué)方式，[1]更是初中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面。[2]在科學(xué)探究中由于種種原因而出現(xiàn)故障，導(dǎo)致實驗現(xiàn)象“異?！?，甚至實驗失敗。對于實驗中的“異?！保芏嗬蠋熗x擇一帶而過，甚至避而不談。其實，每一個實驗“異?！倍际且粋€原始實驗問題，是科學(xué)探究教學(xué)的極佳載體和抓手。教師應(yīng)該以實驗“異?！弊鳛閷嶒炋骄拷虒W(xué)的切入點，從“異常”現(xiàn)象涉及的原始實驗問題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生由淺入深、層層遞進，逐一通過實驗進行探究或驗證，在潛移默化中真正培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》(以下簡稱課標(biāo))所規(guī)定的20個學(xué)生必做實驗中有7個是電學(xué)實驗，正確連接電路和使用電表更是電學(xué)實驗的必備基本技能。在電學(xué)實驗中，斷路故障是最常見的原始實驗問題之一。下面就以電路斷路故障這一原始實驗問題為例，談?wù)勅绾卫眠f進設(shè)問的模式進行拓展性科學(xué)探究教學(xué)，充分發(fā)揮科學(xué)探究的作用，切實培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 原始實驗問題

“測量小燈泡的電功率”是課標(biāo)規(guī)定的學(xué)生必做實驗，在各個版本的初中物理教材中都有安排，盡管呈現(xiàn)形式略有不同。當(dāng)與電壓表并聯(lián)的用電器出現(xiàn)斷路時，會產(chǎn)生出乎學(xué)生意料的“異常”現(xiàn)象。[3]

圖1

圖1是“測量小燈泡的電功率”實驗電路圖，該實驗設(shè)計的主要目的是測量小燈泡的實際功率和額定功率，綜合了正確連接串并聯(lián)電路、正確連接和使用電流表和電壓表等基本實驗技能要求。在實際實驗中，由于導(dǎo)線接觸不良、燈泡自身損壞等原因，會出現(xiàn)小燈泡不發(fā)光、電流表沒有示數(shù)，但是電壓表卻有明顯示數(shù)的“異?！爆F(xiàn)象。對于小燈泡不發(fā)光、電流表沒有示數(shù)，大部分同學(xué)容易理解，但是電壓表有明顯示數(shù)卻是學(xué)生不易理解的難點，也是中考電路故障題中考查最為頻繁的考點。不少教師在教學(xué)中常常采用“蜻蜓點水”式，甚至部分老師直接讓學(xué)生記住該“異?！爆F(xiàn)象，以便于應(yīng)付考試。我們可以該“異?！睘樽ナ?，設(shè)計問題串，讓該“異?！爆F(xiàn)象升華為“正?！蔽锢碇R。

問題1：出現(xiàn)“異常”的具體原因是什么？

在出現(xiàn)該“異?！爆F(xiàn)象后，教師第一時間提醒學(xué)生通過實驗探究，嘗試找出“異?！钡脑?。學(xué)生分組協(xié)作，嘗試將小燈泡擰緊、燈座兩端導(dǎo)線接牢等具體操作，甚至可以借助導(dǎo)線、電流表或電壓表，運用試觸法進行對比后，找出“異?！钡目赡茉颍盒襞輧啥私佑|不良、小燈泡兩端導(dǎo)線處斷路、小燈泡自身損壞等。該過程實際就是學(xué)生運用已有的實驗經(jīng)驗和物理知識進行糾錯的探究過程，其實并不簡單，經(jīng)歷過這樣一個尋找“異?！痹虻倪^程后，學(xué)生的問題解決和實驗操作能力會得到鍛煉和提升。

問題2：電路改進后再拆除小燈泡，現(xiàn)象如何？

圖2

學(xué)生從燈座上撤去燈泡，電路如圖2所示，閉合開關(guān)后，看到現(xiàn)象跟原來的“異常”現(xiàn)象完全相同。該步驟的設(shè)計目的有兩個：(1) 讓學(xué)生明確了原來“異?！碑a(chǎn)生的原因；(2) 簡化電路，去掉了燈泡這一干擾因素，電路變成了電壓表錯誤地與用電器串聯(lián)的電路，為新的生成做好鋪墊。此時，不少同學(xué)開始產(chǎn)生新的疑問：不是說電壓表的支路可視為斷路嗎？那為什么電壓表上還有示數(shù)？電壓表有示數(shù)說明電路中肯定有電流通過電壓表，那電流表為什么沒有示數(shù)呢？這已經(jīng)充分激發(fā)了學(xué)生的好奇心，教師據(jù)此可以繼續(xù)提問，引導(dǎo)學(xué)生進行對比探究。

問題3：嘗試移動圖2中滑動變阻器的滑片，電流表和電壓表示數(shù)有何變化？

學(xué)生閉合開關(guān)，移動滑動變阻器的滑片，發(fā)現(xiàn)電流表和電壓表示數(shù)沒有任何變化，他們更為不解了，腦袋中問號變多了，好奇心和學(xué)習(xí)興趣進一步得到激發(fā)。教師乘熱打鐵，繼續(xù)提問，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已學(xué)的物理知識進行思考，也可以通過小組討論等方式進行。

問題4：電壓表的支路為什么可以視為斷路？通常電流表為什么可以視為導(dǎo)線？

學(xué)生已經(jīng)了解到電壓表的內(nèi)阻很大，電壓表內(nèi)阻通常是幾千歐姆到幾萬歐姆，電阻太大了，所以可以視為斷路；而電流表的內(nèi)阻很小，通常是零點幾歐姆到幾歐姆，可以視為導(dǎo)線。在此基礎(chǔ)上，教師可以將問題引向深處，回歸“異?！爆F(xiàn)象了。

問題5：圖2中電壓表為什么有示數(shù)？電流表為什么沒有示數(shù)？移動滑動變阻器的滑片后，為什么現(xiàn)象沒有發(fā)生變化？

3 原始實驗問題的拓展

問題1：如果將電壓表直接連接在電源兩端，示數(shù)與原來相比，有何變化？再與圖2電路對比，圖2中的滑動變阻器相當(dāng)于什么元件？

電壓表直接連接在電源兩端，學(xué)生非常熟悉，此時電壓表測得的是電源電壓，電壓表示數(shù)與圖2電路中的相同，表明圖2中電壓表測量的是電源電壓，再通過電路元件對比得出圖2中的滑動變阻器相當(dāng)于導(dǎo)線。是不是所有的電阻與電壓表串聯(lián)都可以視作導(dǎo)線呢？教師要繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生深入挖掘。

問題2：如果把圖2滑動變阻器換成一個電阻箱，將電阻箱阻值調(diào)至幾千歐姆時(圖3)，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？如何解釋？

圖3

學(xué)生按照電路圖3繼續(xù)實驗，閉合開關(guān)后學(xué)生驚奇地發(fā)現(xiàn)電壓表示數(shù)變化為U1，小于電源電壓U了，但是電流表示數(shù)仍然為零。學(xué)生根據(jù)前面分析的經(jīng)驗，很快根據(jù)歐姆定律明白了電流表示數(shù)為零的原因。但是電壓表示數(shù)變化仍然讓學(xué)生有疑惑，激發(fā)起新的探究欲望。

此時教師可以提示學(xué)生：電壓表可以視為一個阻值很大的電阻，引導(dǎo)學(xué)生從串聯(lián)分壓的角度進行思考。不難分析出：由于RV與R串聯(lián)，R阻值也比較大，R也分擔(dān)了部分電壓U2，滿足U=U1+U2，自然可以得出電壓表兩端電壓小于電源電壓U。要讓學(xué)生認(rèn)識到：只有當(dāng)與電壓表串聯(lián)的電阻的阻值遠小于電壓表內(nèi)阻時，電阻分壓極小(幾乎為零)，電阻可以視為導(dǎo)線，此時電壓表兩端電壓等于電源電壓。但如果電壓表所串聯(lián)的電阻阻值很大，則不可忽略電阻的分壓作用，電壓表兩端電壓自然小于電源電壓。

問題3：如何測量電壓表的內(nèi)阻？

圖4

當(dāng)然，我們還可以引導(dǎo)學(xué)生加深對于原始“異?！爆F(xiàn)象的理解，進行如圖5所示的科學(xué)探究。提出問題：開關(guān)閉合后，如果L1斷路，電壓表、示數(shù)情況如何？如果L2斷路，電壓表、示數(shù)情況又如何？[3]引導(dǎo)學(xué)生通過對“異?！爆F(xiàn)象的探究，生成新的理論知識和探究經(jīng)驗，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下扎實的基礎(chǔ)。

圖5

4 結(jié)語

在具體引入相關(guān)“異?！痹紗栴}時，不必要拘泥于某一個特定實驗，比如本文闡述的相關(guān)問題也可以由初中電學(xué)部分的“探究電流與電壓、電阻關(guān)系”實驗或“用伏安法測電阻”等實驗引入。在“異常”原始問題出現(xiàn)后，教師可以因地制宜，根據(jù)課堂教學(xué)實際和學(xué)生知識儲備情況，遞進設(shè)問，引導(dǎo)學(xué)生進行拓展性科學(xué)探究，既可以在以后具備條件時進行探究，也可以將“異?！痹紗栴}引出后，將問題留給學(xué)生，以課后探究的形式開展綜合實踐活動，然后組織學(xué)生進行課堂展示、歸納總結(jié)。

無論采用的是傳統(tǒng)的常規(guī)科學(xué)探究方式，還是創(chuàng)新實驗方式，實驗“異?！痹紗栴}不可避免，這些“異?！痹紗栴}是科學(xué)探究中最具價值的部分之一。教師要重視“異常”原始問題，根據(jù)實際實驗教學(xué)需要，還可以在實驗器材上預(yù)設(shè)“異常”現(xiàn)象，以“異常”原始問題激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。此類實驗可以引導(dǎo)學(xué)生在科學(xué)探究中用眼觀察、用耳聆聽、動腦思考、動手操作，切實培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。