回归真实实验  成就精彩课堂

——“闭合电路欧姆定律”课例研究

福建省PG电子·(中国)官方网站   陈国文  351100

[摘要] 真实实验是物理教学最精彩和不可或缺的组成部分。本文以典型的规律课“闭合电路欧姆定律”为例，在教学设计最重要的二个环节即“问题情景设计”和“学生活动设计”中，运用真实实验设计物理情景，教学中以真实实验为平台，关注知识的逻辑结构、学生的认识发展、实验功能与教学效果的匹配。

[关键词] 真实实验   物理教学  精彩课堂

一、问题提出：

真实实验是人们利用实验仪器进行实际操作的实践活动，真实实验是物理教学最精彩和不可或缺的组成部分。麻省理工《功和能》的开放课中，老师在研究机械能守恒时演示了这样的一个实验：将一个150牛顿的球悬挂在天花板上，用支架在墙上固定一块玻璃，让球从距玻璃1米高的另一侧摆下，砸在玻璃上，砸碎玻璃的情景很震撼。取下支架，老师靠墙站立，让球靠着下巴并无初速释放，球摆回到接近下巴处速度减为零。在球摆回的过程中全场惊呼，老师幽默地说：“物理又赢了，我还活着”。这段视频给我很深的感触，真实实验可以成就精彩的课堂。

有一种观点认为：花那么多的时间、人力和物力在真实实验上，值吗？持有这种观点的老师为了追求所谓的 “课堂效率”，经常用虚拟实验或“讲”实验替代真实实验，削弱了实验的教育功能。真实实验不仅能帮助学生形成概念、获得知识和技能，而且能培养学生的观察能力、思维能力和探索精神^[1]。以真实实验为基础的“问题情景设计”能引发学生与“前概念”的冲突，激励学生的思想交锋^[2]；以实验探究为主线的 “学生活动设计”，则能深化学生对知识内涵的理解，准确构建新知识、产生新思想。

二、课例研究：

1、教学设计的思路：

《闭合电路欧姆定律》是一节典型的规律课，本节课的教学，既要使学生从对部分电路的认知上升到对全电路规律的掌握，又要从静态电路的计算提高到对含电源电路的动态分析及推演。教学设计关注二个环节即“问题情景设计”和“学生活动设计”；落实三条主线：一是关注知识的逻辑结构，二是关注学生的认知发展，三是关注实验功能与教学效果的匹配。

2、 教学定位

（1）教学目标定位：

通过实验探究，了解电源内部存在内阻， 理解蓄电池电动势与极板电势提升的数值关系，能够从探究实验和能量守恒的角度分析出电源的电动势等于内、外电压之和；理解闭合电路欧姆定律及其公式，并能熟练地用来解决电路有关的问题；理解路端电压与负载（或干路电流）的关系，知道二者关系的公式表达和图线表达，并能用来分析、计算有关问题。

（2）教学关系定位

采用探究式教学，通过对各种演示实验以及学生实验现象的观察、分析，得出结论。体现多元互动、相互切磋的教学模式，师生将在提出问题和解决问题的过程中，共同找到创新的钥匙。教师是平等关系中的首席，教师的重要任务是在互动中引领、启发^[3]。

（3）教学器材定位

演示器材：6V干电池组、稳压电源、化学电池、数字电压表两个、50Ω可变电阻一个、灯泡4个、单刀单掷开关五个，定值电阻一个。

学生实验器材：3V干电池组、单刀单掷开关、20Ω、3A滑线变阻器、3V电压表、0.6A电流表、导线若干。

3、课堂实录

（1）设置问题情景，消除“前概念”的影响。

北京师范大学李春密教授对“中学物理实验教学”的一项研究发现，约70%的学生受“前概念”的影响，制约着对物理的学习。为消除“电源两端的电压保持不变”这一“前概念”影响，引导学生对电源存在内阻的认识，本课教学中以三个演示实验设置问题情景。

演示一：四盏小灯泡并联，由四个电键控制，外电路如图所示。用四节干电池串联作为电源接入AB两端，逐一闭合电键，观察小灯泡的亮度变化情况；再逐一断开电键，观察小灯泡的亮度变化情况。

演示二：用恒定电压电源的直流6V档替换电池组，逐一闭合电键，观察小灯泡的亮度变化情况；再逐一断开电键，观察小灯泡的亮度变化情况。

演示三：在图示电路的干路上加一个约为0.5Ω的电阻（用二个1Ω的电阻并联），再按演示二的操作，观察小灯泡的亮度变化情况。

学生描述观察到的实验现象

演示一：逐个闭合电键，灯泡变暗；逐个断开电键，灯泡变亮。（灯泡变暗，说明电源两端的电压变小。学生疑惑：谁分走了那一部分电压？）

演示二：电键闭合、断开，灯泡的亮度几乎不变。（说明演示一中电压的减小不是由于导线分走电压所致。）

演示三：逐个闭合电键，灯泡变暗；逐个断开电键，灯泡变亮。（学生猜想：是否可以认为干电池由恒定的电动势和定值内阻构成。）

评析：实验的目的，是改变学生初中所学的认为“电源两端电压不变”的思维定势。实验现象和学生已有的认知发生冲突，通过对现象的思考，发现并提出 “物理问题”。通过三个实验的对比，学生能认识到电池可以等效看成由具有恒定电动势的稳压电源和定值电阻构成的。

（2）采集真实实验数据, 为探究提供有效实据。

物理学作为一门以实验为基础的科学，观察和实验是提问题的基础。直观、形象的实验能激发思考，为知识的建构奠定基础。教学中为研究电源电动势产生的原因及内外电路电势升降情况，设置如下两个探究实验。

探究一：电源没有接入外电路时，电源电动势与极板电势提升的关系。实验中需要测出U_AB、 U_AD 、U_CB 、U_CD的电势差。用数字电压表实测数据为U_AB＝2.11V，U_AD＝1.50V, U_CB＝0.60V, U_CD＝0V。通过对实测数据的分析，可得到的结果是：U_AB= U_AD +U_CB  ，即电源的电动势，为电极附近由于非静电力做功，两次电势提升之和。

    评析：在课堂中，采集到的数据能支持实验结论。但学生对U_CD=0感到惊奇，通过讨论，学生认识到U_CD=0的原因是内电路没有电流，内电阻上没有电势的降落。同时还提出：为什么正极板电势提升大于负极板？通过实验探究，共同研究了U_CD=0的原因，学生对蓄电池的工作原理有所了解，并能提出引发新思考的问题。

探究二：在电源接入外电路的情况下，电源电动势与内外电路电势降落的关系。

改变外电阻，测出几组内外电压。

用两个数字电压表分别测出数据（如图所示）。

学生按下表记录数据，并进行分析，实验结果：U_外+ U_内=定值，通过与电源的电动势的数值进行比较得出：在闭合电路中，电源内部电势升高的数值等于内、外电路中电势降落的数值，即E = U_外+ U_内。

要求学生用能量守恒定律进行推导，并与实验结果进行比较，建构闭合电路欧姆定律。

评析：在整个实验探究中，师生合作得到的数据精确有效，为问题的解决提供真实的数据支持，通过与理论探究结论的比较，学生深刻地理解闭合电路欧姆定律。学生在分析数据中，支持了预测的结论。同时，学生还提出“随着外电路电阻的减小（即回路中电流的增大），内外电压之和小于电源电动势”的想法，在老师的引导下，了解到随着电流的增大，探针与极板之间存在的电阻的分压增大造成的影响。

（3）以真实实验为载体，学以致用。

学生在学习了闭合电路欧姆定律后, 与原有认知产生了冲突，可以抓住学生这一矛盾心理, 积极引导学生对新旧知识进行比较, 促进同化。本节设计分组实验, 强化对所学知识的应用。

提供实验任务：按图示思路连接实物，调节滑线变阻器，观察电压表和电流表的变化规律，并解释实验现象。

评析：教师在活动设计中应考虑到：学生将实验所得到的分散信息联系起来会存在困难，应尽可能把实验目标、意图清晰地告诉他们，当学生了解到教师安排实验活动的意图时，将更容易达到预期的目标。

三、教学反思：

学生在走进教室之前，已经形成了个人日常知识体系。在课堂上，只有当学生的日常知识与所学知识发生对话时，日常知识才可能向物理概念、规律转变。本节教学落实以下三条主线：

关注知识的逻辑结构。本节课从三个实验对比入手引入新课，通过比较引发学生质疑，消除电源两端电压恒定的“前概念”影响，认识到电源内阻的存在。师生合作通过实验得到精确有效的数据，支持“电源电动势与极板电势提升的关系”和“电源电动势数值上等于内外电压之和”的结论，并通过与科学结论进行比较建构闭合电路欧姆定律。

关注学生的认知发展。学生要由“对部分电路的认知发展到对全电路的认知”和“对静态电路的认知发展到含源动态电路的认知”。本节课通过真实实验，先解决对电源的认识问题，再解决全电路中电势升降的数值关系问题，最后通过学生的实际操作了解电路的动态变化。梯度合理，以环环相扣的问题解决让学生获得认知水平的发展。

关注实验功能与教学效果的匹配。我们应当清醒地认识到：无论多么精妙的实验设计，理论不会从观察和操作中浮现出来。原因是：实验提供的信息是分散的，实验数据同理论需求的数据存在偏差，学生不能观察到教师想让学生观察的现象。在本节教学中存在“极板电势提升与电源电动势数值上的偏差”和“内外电路的电压之和随着回路电流的增大而减小”等实验情况。关注实验功能与教学效果的匹配，应及时捕捉学生的思维动态，重视学生的思维训练^[4]，通过预测-观察-解释等策略，把实验所给的信息联系起来，让学生有机会描述和解释，使实验与学生个人原有认知、同伴的观点发生共鸣，最终实现与教学效果的匹配。

精彩的物理课堂应该回归真实实验，让学生在知识的探究中产生自己的思想、体验和理解。以实验为载体，师生共同研究创造新知，不仅能让学生在课堂上实现知识构建，也能让老师在课堂研究中提升专业水平。

参考文献：

[1]陈晓军，浅谈高中物理实验教学与创新能力的培养[J]，物理教学探讨，2013( 7)：3-5

[2]王文清，郭玉英，物理观察的建构特征及其对物理教学的启示[J]，物理教师，2009（6）：3-4

[3] 钟曜平，教师的幸福在哪里[N]，中国教育报，2013-09-10（3）

[4]巩寒瑛，物理实验教学中的思维训练[J]，中学物理教学参考，2013（ Z1）：21-22