青海省“民考民预科生”物理课程框架下的探究性实验教学

龚海萍 邓一 纪根海

摘 要：闭合电路欧姆定律采用探究性实验教学法，结合模拟实验，学生实验，利用类比、分析、讨论等方法进行教学。引导学生发现问题，分析问题，最终解决问题。培养学生的主体意识和批判精神及独立思考的能力。

关键词：探究性实验教学； 闭合电路欧姆定律； 模拟实验； 学生实验

中图分类号：G642.0 文献标识码：A文章编号：1006-3315（2014）05-155-002

在科学技术快速发展的今天，实施以创新精神和实践能力为重点的素质教育，重要的着眼点是转变学生的学习习惯和学习方式。大多数民考民预科生模仿性学习心理是构成接受知识的主要因素。这种依赖性强，靠模仿去接受知识的习惯，是一种较为简单的学习心理，民考民预科生普遍认为物理难学。究其原因难在学生各方面能力与预科物理学习要求的差距大。预科阶段，乃至大学阶段，要求自主学习物理。不同于自学，它是指学生在教师的指导下，以学生自己的体验、参与和探究为主，从自身社会生活实践中获取物理知识，并创造性地解决生活中的问题的一种学习方法。怎样才能把课堂教学与探究性学习、发现性学习和自主性学习相结合？在大力倡导探究性实验教学的今天，迫切需要大量优秀的、具有创新性的探究实验来丰富我们的课堂教学。为此，我们立足民考民预科生学习特点，对探究式实验教学作一些有益的尝试，希望能够引领学生较为深入地学习物理的相关理论、方法、技能;提高学生的科学素养，激发学生实验探究的兴趣；增强学生的创新意识；培养学生实事求是，严谨认真的科学态度；养成交流与合作的良好习惯；发展学生的实践能力。本文就《闭合电路欧姆定律》一节做探究性实验教学设计。

一、教材和教学对象分析

闭合电路的欧姆定律主要分为电动势和闭合电路的欧姆定律两部分。电动势的概念是闭合电路欧姆定律的关键和基础。其基本内容有两个方面：电源电动势由电源本身性质决定的，它表征了电源将其他形式的能转化成电能本领的大小。电源电动势等于电源没有接入电路时两极间的电压，在闭合电路里电源电动势等于内外电压之和。本节难点是路端电压和外电阻之间的关系。学生通过多媒体的仿真实验记录数据，导出规律，使学生有感性的认识，课后让学生进入实验室，在做好仿真实验的前提下，进行实验，验证结论，减少盲目性。

二、教学目标

1.知识目标

理解电动势的定义。理解闭合电路欧姆定律及其公式，并能熟练地用来解决有关的电路问题。理解路端电压随电流（或外电阻）关系的公式表达和图象表达，并能用来分析、计算有关问题。知道闭合电路中能量的转化。

2.能力目标

通过路端电压与外电阻的关系实验探究，培养学生利用“实验研究，得出结论”的科学思路和方法。研究路端电压与电流的关系公式、图象及图象的物理意义，培养学生应用数学工具解决物理学问题的能力，培养学生运用物理知识解决实际问题的能力。

3.情感态度与价值观

通过多媒体仿真探究实验和课后的学生探究实验，激发学生求知欲和学习兴趣，享受成功的乐趣，体会物理学研究的科学性。通过分析路端电压与电流（外电阻）的关系，培养学生严谨的科学态度，感受物理之美。通过学生之间的讨论、交流与协作探究，培养团队合作精神。

三、教学重点

闭合电路欧姆定律。路端电压与电流（外电阻）关系的公式表示及图象表示。

四、教学难点

电动势的概念。路端电压与电流（外电阻）关系。

五、教学思路

《闭合电路欧姆定律》是学生感到较为难以理解的知识点，电动势的物理意义的理解是掌握闭合电路欧姆定律的关键和基础。首先让学生课前感受生活中的一些电源，初步明确电源是将其他形式的能转化成电能的装置，让学生自己用电压表测量不同类型的电源两极间的电压，为引入电动势的概念作铺垫。再让学生在电脑上进行仿真实验，学生通过连接不同的开关，改变外电阻阻值，内电阻阻值，记录电流、电压，分析数据，探究路端电压与外电阻（电流）的关系，得出路端电压与外电阻（电流）的关系。然后在课堂仿真实验的基础上进入实验室实验。避免了盲目性，引发学生学习的兴趣，再进行讨论，解释现象原因。讲授闭合电路中的功率，进一步从能量的转化角度说明电源是将其他形式的能转化成电能的装置。最后，利用两道例题来应用闭合电路欧姆定律，并适当地延伸拓展，通过课外思考题，使学生对电动势的概念有更深刻的理解。

六、教学方法：探究性实验教学法、多媒体仿真实验探究，实验室验证、实验分析、讨论等方法

（一）电源。展示不同型号、种类电池、手摇发电机，对小灯泡供电。电源不同，结构不同，但有相同的规律。演示：1用小灯泡点触干电池，点触蓄电池，小灯泡发光。2将小灯泡与手机电池相接，小灯泡发光。3手摇发电机，同样能够使小灯泡发光。学生得出结论：干电池、蓄电池是将化学能转化成电能；手摇发电机是将机械能转化成电能。

（二）电源的电动势：模拟实验，介绍电路图（如图1），介绍实验仪器。得出内、外电路，内、外电压的概念，指出电源内部有电阻。看电池内部（如图2)，电荷定向移动形成电流,电荷电势能减小.从能量转化的角度初步理解电动势的物理意义。观察仿真实验：电场中两点间电势差在数值上等于什么？利用计算机课件进行模拟实验(如图3)【模拟实验一】：不闭合S2、S3，只闭合S1，观察V1的大小。问题思考：（1）闭合开关S1后，此时伏特表V1测得的电压?（2）此时外电阻多大？学生回答:电动势越大，电源把其他形式的能转化成电能的本领越强。学生模拟实验，分析得出（1）伏特表测电源电动势；（2）外电路电阻无穷大。E在数值上等于外电路断开时电源两端点压。

图1 图2图3

（三）闭合电路的欧姆定律：【模拟实验二】：当r一定时，改变R，观察U外、U内、U外+U内的变化。(1)当向右移动滑动头增大外电阻时，路端电压如何变化？(2)电源内电压会发生什么变化？(3)内外电压之和有何变化，其值为多大？学生进入网页模拟实验，列出试验数据。分析后得出结论：外电阻增大路端电压增大，内电压减小，内外电压之和不变，其值为电源电动势。【模拟实验三】：当R一定时，改变r，观察U外、U内、U外+U内的变化,问题思考：用鼠标拖动电源隔板下移，电源内阻是增是减？学生分析实验数据得出结论：(1)当r一定时，随着R增大，U外增大，U内减小，但U外+U内值不变，等于电源电动势。(2)当R一定时，随着r的增加，U外减小，U内增加，但U外+U内值不变，等于电源电动势。以上实验可知：U外+U内=E，因为U内=Ir,U外=IR，得闭合电路的欧姆定律I=E/(R+r)。

（四）思考与讨论：短路R＝0，I＝E/r，U内＝E，U外＝0。说明：短路时电流取决于E、r，一般情况下r很小，故短路时电流很大，由于电流的热效应，常会烧坏电源甚至引起火灾。断路：R→∞，I＝0，U内＝0，U外＝E(伏特表测电动势的原理)伏特表内阻大，测出的数据略小于E。2路端电压与电流的关系：作出U—I图象（如图4）。(1)从图象中能否得出路端电压与电流的关系？直线的斜率的绝对值表示什么？(2)直线与纵轴的交点表示的物理意义？(3)当外电路断开时，R→∞，I=0，U风=0，U=E，直线与纵轴的交点表示电源的电动势。(4)直线与横轴的交点表示的物理意义？(5)当外电路短路时，R=0，I=E/R，U=0，直线与横轴的交点表示短路时的电流。学生在仿真实验的基础上，利用所学的数学知识，在教师的提示和引导下，发挥主观能动性，找路端电压与电流关系的实质，并可以用图像解决问题。

（五）闭合电路中的功率：电源的输出功率P随外电阻R变化的规律。在纯电阻电路中，当用一个固定的电源（设E、r是定值）向变化的外电阻供电时，输出的功率，P=(■)2R=■=■当R=r时，电源有最大的输出功率Pm＝E２/4r。画出输出功率随外电阻变化的图线（如图5），在纯电阻电路中，用一个固定的电源向变化的外电阻供电时，输出的功率有最大值。在电路中电源的总功率为ＩＥ，输出的功率为IU，内电路损耗的功率为Ｉ２Ｒ，则电源的效率为η=IU/IE=U/E=R/(R+r)，当R变大，η也变大。而当R=r时，即输出功率最大时，电源的效率η=50％。电源的效率η随外电阻R的增大而增大。

（六）典型例题：

例1、如图6为测量内、外电路电压的实验装置。图中电压表V和V'测量的分别是什么电压？若电压表V的示数为0.9V，电压表V'的示数为0.2V，则电源的电动势是多少？若移动变阻器的滑键，当电压表V的示数减小时，电压表V'的示数如何变化？

例2、在如图7所示电路中，R1=0.8Ω，R3=6Ω，滑动变阻器的全值电阻R2=12Ω，电源电动势ε=6V，内阻r=0.2Ω，当滑动变阻器的滑键在变阻器中央位置时，闭合电键S，电路中的电流表和电压表读数各是多少？分析与解答略。

（七）学生进入实验室：课后进行可调内阻电池实验。对网页实验进一步验证，得出闭合电路的欧姆定律，在模拟实验的基础上，进行实验，锻炼动手能力，学生在教师指导下观察实验、验证结论，应用实验-归纳法-验证法。

八、探究活动

1．调查各种不同电源的性能特点:（包括电动势、内阻、能量转化情况、工作原理）。

2．考察对废旧电池的回收情况。（1）化学电池的工作原理；（2）废旧电池对环境的污染主要表现在哪些方面；（3）社会对废旧电池的重视程度；（4）废旧电池的回收有哪些主要的途径和利用方式；（5）如何使废旧电池对环境的污染减小到最小。

3．通过学习，根据全电路欧姆定律有关知识，得出结论：电源的输出功率最大时，内外电阻应该相等，而此时电源的效率则只有50%。请你设计出一种方案，在实际应用中如何配置电源和负载之间的关系，使电源的输出功率和效率尽可能的达到较大。

七、教学反思

本课在网络环境下开展教学活动，得出结论，然后让学生进入实验室进行实验。本课重点不是老师强加到学生头脑中，而是通过学生自主的探究，在一定思考和推理情况下学到知识，因此教师设计教学一定要符合学生的思维能力，通过“猜想——实验——验证”严密的科学探究方法，培养学生能力。本课教学中用到较多的仿真实验，具有安全性和可操作性，避免了实际操作中的用电安全问题。安全的仿真实验可充分发掘学生的好动性、探知性，用学生特有的探究角度去思考问题，有效地发挥学生的个性，并使学生的创新能力得到拓展。同时通过仿真实验的操作，提高学生的生活用电安全意识。在仿真实验的基础上进而进入实验室，通过训练有素的实验，使学生在获取物理知识的同时，潜移默化地形成良好的科学素养，培养出具有较强动手能力的学生。而这种能力正是日后成为合格劳动者所必需的劳动技能素质的基础。

总之，在教学中采用探究式实验教学法，让学生自己去探索、去寻求，不仅使学生获得了科学知识，而最重要的是了解了科学探究的方法与科学思想，学会以发展的眼光看待自己，永不满足，不断创新，这将使他们终身受益。另一方面物理探究实验教学方式还有很多。许多问题还有待进一步的解决。比如对学生实验学习的评价，学习方式的个性化和多样化，DIS实验室的运用。这一领域也正是我们物理教育工作者面临的课题。