吳志山

(江蘇省南通第一中學(xué),江蘇南通 226001)

物理是以實驗為基礎(chǔ)的一門基礎(chǔ)學(xué)科.實驗內(nèi)容本身也是物理教學(xué)的重要內(nèi)容,但在應(yīng)試背景下,實驗的教學(xué)時間和空間都明顯不足.目前一些學(xué)校的實驗教學(xué)主要以課本實驗知識為主,講實驗、畫實驗現(xiàn)象十分普遍,即使做分組實驗也有很多是“照本宣科”,學(xué)生體會不到所學(xué)內(nèi)容在生活中的應(yīng)用,缺乏實驗興趣.基于項目式學(xué)習(xí)的實驗探究教學(xué)是源于生活情境問題的實驗探究,其融入了杜威“做中學(xué)”的科學(xué)探究思想,在做事中學(xué)習(xí),強調(diào)在真實問題中運用科學(xué)思維和方法進行探究,在小組合作探究過程中打磨和提升學(xué)生自身的價值判斷,提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng).本文以“用發(fā)光二極管制作電源指示燈”為例,與大家交流基于項目式學(xué)習(xí)的實驗探究教學(xué).

1 基于項目式學(xué)習(xí)的實驗教學(xué)

項目式學(xué)習(xí)具有真實情境創(chuàng)設(shè)、挑戰(zhàn)性問題驅(qū)動、產(chǎn)出項目成果、經(jīng)歷自主探究、進行深度學(xué)習(xí)和評價方式多元化的特征.[1]高中物理實驗項目式探究教學(xué)是在真實的情境中根據(jù)學(xué)生學(xué)情提煉出合適的實驗項目,師生共同分析該項目提出具有挑戰(zhàn)性的驅(qū)動問題(或子項目),然后根據(jù)項目需要收集相關(guān)資源,形成個人(或團隊)探究方案,經(jīng)過小組協(xié)作探究完成項目(或子項目)成果并進行展示反饋和評價.筆者參照項目式學(xué)習(xí)基本流程總結(jié)出項目式學(xué)習(xí)的實驗教學(xué)流程如圖1所示.實際教學(xué)過程中可以根據(jù)教學(xué)實際進行適當?shù)恼{(diào)整.項目探究過程中也可以在完成某項目的基礎(chǔ)上螺旋遞進式提出新項目并進一步研究.

圖1 項目式學(xué)習(xí)實驗探究教學(xué)的一般流程

2 項目選擇與提煉

生活中與物理相關(guān)的真實情境有許多,但并不是所有項目都適合我們實驗探究教學(xué),項目的選擇應(yīng)該與實際教學(xué)活動關(guān)聯(lián),要符合學(xué)生學(xué)習(xí)目標與學(xué)習(xí)背景.項目來源要能激發(fā)學(xué)生探究欲望,對學(xué)生知識和能力要求要在“最近發(fā)展區(qū)”,同時又要便于協(xié)同探究、多元評價.在人教版教材《物理》必修3中“電路及其應(yīng)用”“電能 能量守恒定律”這兩章學(xué)習(xí)結(jié)束后,學(xué)生具備了有關(guān)電路知識,接觸了電壓表、電流表、多用電表等實驗儀器,掌握了閉合電路歐姆定律應(yīng)用以及電源電動勢和內(nèi)阻測量方法,具備了一定的理論知識和實驗?zāi)芰?起初筆者準備開展“探究發(fā)光二極管伏安特性”項目,主要考慮發(fā)光二極管具有二極管一樣單向?qū)ǖ奶匦?可以讓學(xué)生練習(xí)使用多用電表判斷二極管的正負極;另外,發(fā)光二極管的伏安特性曲線是非線性曲線,在新教材刪除了“描繪小燈泡伏安特性曲線”實驗的情況下,該項目可以作為一個補充,但這樣的項目有為了實驗而實驗的感覺,和生活實際沒有緊密聯(lián)系.把項目改成“用發(fā)光二極管制作電源指示燈”后,除了要研究發(fā)光二極管的特性還要研究電源特性,并且要運用閉合電路歐姆定律選擇合適的限流電阻,與生活中電源指示燈制作流程相似.這個項目符合項目式學(xué)習(xí)來源于生活情境、挑戰(zhàn)性問題驅(qū)動、綜合知識能力應(yīng)用的特征,可以很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提升學(xué)生解決問題的綜合能力,學(xué)生在科學(xué)素養(yǎng)提升的同時能夠獲得成就感.

3 項目設(shè)計與實施

3.1 驅(qū)動性問題設(shè)計

驅(qū)動性問題設(shè)計是項目設(shè)計的基礎(chǔ),對項目目標分析后,結(jié)合實驗器材等實驗支撐實際來設(shè)計驅(qū)動性問題,形成實驗探究總體方案.本項目驅(qū)動性問題如表1所示.

表1 “用發(fā)光二極管制作電源指示燈”項目學(xué)習(xí)驅(qū)動性問題

3.2 項目實施

任務(wù)1:判斷發(fā)光二極管的正負極.

學(xué)生通過前面的學(xué)習(xí)已經(jīng)知道,多用電表電流從紅表筆流進、黑表筆流出,發(fā)光二極管也有單向?qū)ㄐ?測量方法與普通二極管相似.在實際實驗過程中發(fā)現(xiàn),多用電表電池為1.5 V的歐姆表調(diào)零后可以測出普通二極管正負極,但測量發(fā)光二極管電阻時,正反向電阻都顯示是無窮大,無法判斷其正負極.學(xué)生查找資料發(fā)現(xiàn),普通的紅色發(fā)光二極管正偏壓約為1.6 V,黃色約為1.4 V,藍白為至少2.5 V.正向?qū)ㄋ桦妷捍笥陔姳黼娫措妱觿?.5 V,二極管正向也不導(dǎo)通,需要更換電源為更高電動勢(3 V或9 V)的多用電表,學(xué)生測出發(fā)光二極管長腳為其正極,與資料所查信息相同.另外,學(xué)生還發(fā)現(xiàn)了“異?，F(xiàn)象”:分別用多用電表歐姆擋×1 K、×100、×10、×1的不同倍率測量發(fā)光二極管正向?qū)娮钑r,測量值相差很大,并且所用倍率越小二極管發(fā)光的亮度越高,電阻測量值越小,如圖2所示.學(xué)生對此現(xiàn)象還提出了新的探究項目.

圖2 “×100”和“×1”亮度和讀數(shù)

任務(wù)評價:二極管正負極判斷的常規(guī)方法是用多用電表測其正反電阻,學(xué)生通過學(xué)習(xí)掌握了多用電表理論知識與一般操作方法,但在實際實驗過程中會遇到與設(shè)想不同的實際問題,需要學(xué)生根據(jù)實際情況查找資料或重新立項探索.這時學(xué)生的探索學(xué)習(xí)是一種帶著任務(wù)的主動學(xué)習(xí)過程,他們會協(xié)同配合解決問題從而提升能力.通過查閱資料學(xué)生還發(fā)現(xiàn)可以從二極管外形判斷其正負極:新的發(fā)光二極管長腳為正極;發(fā)光端半透明時內(nèi)部正負極形狀不同也可以作為判斷依據(jù).還有學(xué)生提議可以用一個電阻與二極管串聯(lián),再與電源“試觸”看是否能點亮來判斷正負極等方法.學(xué)生思維活躍,勇于面對挑戰(zhàn)性問題.

任務(wù)2:描繪發(fā)光二極管伏安特性曲線.

為進一步了解發(fā)光二極管的電學(xué)特性,項目組決定利用DIS系統(tǒng)描繪其伏安特性,二極管是非線性元件,測量數(shù)據(jù)要多,學(xué)生選擇了如圖3所示分壓電路進行測量.為了保證初始電路安全,滑片在開關(guān)閉合前應(yīng)移至最左側(cè).實驗前查得該型二極管正常工作電流約20～30 m A.開關(guān)閉合后緩慢向右移動滑片,觀察通過發(fā)光二極管的電流和亮度情況.電壓傳感器和電流傳感器能實時測出其電壓和電流并描繪伏安曲線,如圖4實線所示.學(xué)生由圖像發(fā)現(xiàn),該型發(fā)光二極管在1.8 V左右時才有導(dǎo)通電流,所以實驗室原來1.5 V電源的多用電表無法使其導(dǎo)通,所以正反電阻都是無窮大;學(xué)生還發(fā)現(xiàn),發(fā)光二極管導(dǎo)通后電流隨電壓變化很快,較小的電壓誤差會引起很大的電流變化,而電流太大容易燒壞二極管.

圖3 伏安特性曲線測量電路

任務(wù)評價:該任務(wù)要求學(xué)生熟練掌握伏安法分壓測量方法,描繪發(fā)光二極管伏安曲線特性.實驗任務(wù)作為整個項目的一環(huán),是要得出結(jié)論并加以應(yīng)用,所以為了測量快捷方便,筆者選擇了數(shù)字實驗系統(tǒng)記錄實驗數(shù)據(jù),在自動采樣過程中會有些數(shù)據(jù)多余重復(fù),要讓學(xué)生進行甄別和刪除.得到圖像后學(xué)生會自覺用于解釋前面實驗現(xiàn)象,并發(fā)現(xiàn)電壓波動對二極管的傷害很大.此時教師可以呈現(xiàn)教室里照明LED燈的驅(qū)動器并引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn),實際使用中LED燈用恒流源驅(qū)動,如圖5所示.這種驅(qū)動器輸入電壓可以波動較大,但電流誤差要求在5%以內(nèi).學(xué)生再次發(fā)現(xiàn)物理與生活的緊密性,學(xué)有所用.

圖5 LED燈驅(qū)動電源

任務(wù)3:選擇合適的限流電阻.

通過以上實驗圖像可知,發(fā)光二極管若直接接在3 V電源兩端電流太大,需要選擇合適的定值電阻與之串聯(lián)后再連接到電源,該型二極管額定電流約為20 m A.由圖像可知,當電流I=20 m A時,二極管對應(yīng)工作電壓約為2.2 V,由歐姆定律E=U+IR可求得R=40Ω,實驗室與之相近的常見定值電阻有36Ω、39Ω、43Ω、47Ω等,學(xué)生容易選出43Ω或47Ω電阻.

任務(wù)評價:該任務(wù)結(jié)合圖線經(jīng)過簡單計算即可完成.這是解決實際問題的重要環(huán)節(jié).在研究過程中會有許多的實驗現(xiàn)象或圖表信息,如何利用這些信息來找到規(guī)律或解決問題是十分重要的能力,就像開普勒從無數(shù)的數(shù)據(jù)中歸納出開普勒三定律是一種偉大的能力一樣.通過這個任務(wù),學(xué)生還發(fā)現(xiàn)“試觸法”具有一定的隨機性,不能貿(mào)然使用,串聯(lián)太小的電阻會燒毀二極管,串聯(lián)太大的電阻二極管可能不亮,無法分辨二極管的正負極,試觸不同的電源風險也很大.可見,隨著探究的不斷深入學(xué)生會進行反思和改進,進行更深入的學(xué)習(xí)和思考,這也是我們運用項目探究教學(xué)的目的之一.

任務(wù)4:計算接入電路的實際功率.

不同的場景下指示燈所需要的亮度不同,而其亮度與其工作電流相關(guān),可以通過調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻的阻值來改變其工作狀態(tài).雖然每個指示燈的電流不大,但家里指示燈很多,并且許多指示燈總會長時間開著,會造成能源的浪費,所以計算發(fā)光二極管實際接入電路時消耗的功率具有實際意義.若用50Ω電阻與二極管串聯(lián)接入3 V電源,其實際消耗功率多大呢?學(xué)生在實驗室電池盒放入2節(jié)新的干電池,與發(fā)光二極管和50Ω定值電阻串聯(lián),用電壓和電流傳感器測出二極管兩端電壓和電流即可求得其實際功率.也有學(xué)生利用二極管伏安特性曲線求解,設(shè)二極管兩端電壓為U,對應(yīng)內(nèi)部電流為I,與電阻串聯(lián)后接在電源上,則E=U+IR,代入數(shù)值可得3=U+50I,再將直線畫在二極管伏安特性圖上,如圖4虛線所示,兩圖線的交點即為二極管接入該電路的實際工作點,由圖可得該情況下二極管的工作電流約為18 mA,工作電壓約為2.2 V,功率約為39.6 mW,電路接入指示燈多消耗的功率約為54.0 mW,如果指示燈接在家里常用220 V電源上,則該指示燈電路(包括限流電阻)要消耗約220 V×20 mA=4.4 W(學(xué)生還沒有交流電知識基礎(chǔ),未考慮整流,實際功率要小一些),家里有許多電源指示燈,總功耗還是相當可觀的,所以要及時關(guān)閉電源節(jié)約能源.

任務(wù)評價:該任務(wù)可以用實驗測量電壓和電流完成,也可以運用二極管伏安特性曲線結(jié)合實際工作電路作圖求出工作點.該工作點既要適合該電路的電壓電流特征,又要適合元件的伏安特性曲線,所以交點即為其工作點.該任務(wù)的處理方法也是處理非線性伏安特性曲線問題的重要方法.學(xué)生在以后的問題處理中還會經(jīng)常使用.另外,對學(xué)生的環(huán)保節(jié)能教育也是實實在在體驗式的.

生成任務(wù):探究多用電表不同倍率下的二極管亮度變化原因.

在判斷二極管正負極時,實際是測量其導(dǎo)通電阻,按照學(xué)生的最初設(shè)想,應(yīng)該像電阻測量一樣有個最合適的倍率使指針在中間1/3范圍內(nèi),實際測量發(fā)現(xiàn),二極管的測量值在不同倍率下阻值變化很大,亮度還隨所選倍率變小而變亮.學(xué)生主動提出要探究該問題.通過前面的探究學(xué)生知道,二極管的亮度與電流相關(guān),實驗中小倍率測量時變亮說明通過二極管的電流變大了,由多用電表原理學(xué)生知道倍率越小時,多用電表的內(nèi)阻越小.由任務(wù)4的分析可知,二極管的電流越大二極管將會更亮.這和圖2中“×1”倍率測量時比“×100”測量時更亮是吻合的,但根據(jù)原人教版教材中提供的歐姆表原理圖(如圖6的3、4兩擋位),各倍率使用同一個電流表,更亮的“×1”倍率電流大,偏角應(yīng)該更大,細心的學(xué)生從實驗對比中卻發(fā)現(xiàn),更亮的“×1”倍率指針偏角較小(如圖2中指針所示),與教材原理圖矛盾.可能的解釋是在倍率變化時,電表的量程也跟著變化,經(jīng)過研究歐姆表的實際電路圖(如圖7所示)和拆解實物發(fā)現(xiàn),一般歐姆表在變換倍率時會在改變串聯(lián)內(nèi)阻的同時通過改變與表頭串、并聯(lián)的電阻來改變電流表的量程.圖7所示電路的歐姆調(diào)零電阻與表頭是間接并聯(lián)關(guān)系,“×100 K”的倍率接入電路的電源也變成了15 V,所以實際電路比原理圖復(fù)雜很多.為了更好說明原理,教材采取了簡化方式.這樣更能突出原理,也更利于教學(xué)應(yīng)用.通過該探究任務(wù),學(xué)生解決了實驗過程中的疑惑,同時對多用電表的原理和結(jié)構(gòu)有了更進一步的認識.

圖6 教材提供的原理圖

圖7 MF-10型多用電表原理圖

任務(wù)評價:該任務(wù)是學(xué)生在項目實驗過程中生成的探究任務(wù).該任務(wù)源于實驗現(xiàn)象與學(xué)生電阻測量原有認知的沖突,激發(fā)了學(xué)生探究的欲望.學(xué)生不但發(fā)現(xiàn)不同倍率下測量的明顯“異?！?還發(fā)現(xiàn)了亮度和電流指針偏轉(zhuǎn)角度的“異常”,進而主動研究原教學(xué)過程中教材上的電路圖來解釋實驗現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)矛盾提出猜想后還主動尋找相關(guān)多用電表電路圖資料進行佐證.項目式學(xué)習(xí)過程中學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)的問題更容易點燃學(xué)生探究熱情.項目式學(xué)習(xí)過程中基于實際生活的情境中有許多“出乎意料”的問題,容易激發(fā)學(xué)生真正的實驗探究進行協(xié)同與深度學(xué)習(xí).

4 項目評價與反思

項目式實驗探究教學(xué)的項目來源于生活情境,基于問題驅(qū)動,在做中學(xué),在實驗中進行探究,學(xué)習(xí)的成果可以是一件作品,可以是問題的解決,更重要的是探究學(xué)習(xí)的投入和深度學(xué)習(xí)的狀態(tài)以及飽滿的學(xué)習(xí)熱情.這就需要我們教師在項目的選擇上要“離生活近一些”,要“學(xué)有所用”,要在能力“最近發(fā)展區(qū)”,例如力學(xué)部分的球類拋體運動的實驗探究、圓周運動的實驗探究、最速降線問題,電學(xué)的電磁鐵、電動機、發(fā)電機等制作都是很好的探究項目.在項目實施過程中教師要積極關(guān)注學(xué)生需求,及時搭建資源型支架,例如準備多種類的實驗器材,提供信息搜索渠道等.還要設(shè)計好驅(qū)動性問題,提供思維性支架,捕捉學(xué)生的想法和思維難點,在學(xué)生困難的時候提供必要的引導(dǎo).在項目展示評價時要不拘一格,加強正面引導(dǎo),在確保安全的前提下允許“試錯”,對有些“超綱”內(nèi)容適當“容忍”,有些項目所用知識和能力并不限于考綱或課程標準要求,甚至有一些跨學(xué)科內(nèi)容,重要的是要利于激發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的發(fā)生,提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng).