在高中物理教学中渗透STEM教育理念①——以“研究新型导体的伏安特性曲线”为例

(江苏省扬州市新华中学，江苏 扬州 225009)

1 引言

STEM教育将科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)等多门学科进行整合，以培养学生的设计能力、合作能力、问题解决能力、实践创新能力等，从而提升学生的核心素养。目前我国高中课程标准还是分学科制定的，但这并不妨碍我们在物理教学中渗透STEM教育的理念，体现STEM课程的情境性、设计性、体验性、协作性、跨学科性等核心特征。本文以“研究新型导体的伏安特性曲线”为例，整合“直流电路”这一章的几个重要知识点，探讨如何在中学物理教学中渗透STEM教育理念。

2 问题聚焦：如何设计实验，描绘新型导体的伏安特性曲线

笔者通过一则新闻报道引出研究问题，激发学生的探究欲望，同时明确探究任务：“记者从中科大获悉，该校俞书宏教授研究组最近研制出一种新型透明柔性导电材料，这种材料即使放在水或酒精中揉搓，仍能保持良好的导电性，研究人员还基于此柔性导电电极制备出灵敏的柔性电子触屏……”科学家不断地研制出各种新型导电材料，那么这些新型导电材料的导电性到底如何？它们的电流随电压的变化关系是怎样的(即伏安特性曲线)？如何设计实验来描绘这些新型导电材料的伏安特性曲线(I-U图像)呢？

3 活动体验：利用初中物理知识，描绘小灯泡的伏安特性曲线，并提出新问题

学生在初中只学过滑动变阻器的限流接法，对电流表的内接法和外接法也难以区分。笔者让学生基于初中所学知识，分别用电流表内接法和外接法设计表格、记录数据、描绘小灯泡的伏安特性曲线。虽然学生在初中已经学过简单的电路知识，但整个实验过程中，还是或多或少暴露了一些问题，如电表正负极接反、电表量程选取不合理、表格设计不规范、描点作图不规范、出现电路故障时不会排查等等。实验中遇到这些问题，其实很正常，这正是我们必须经常动手实验、重视实践的原因所在。只有正视这些问题，并积极想办法解决，学生的各项能力才能逐步得到提高。

笔者纠正了学生实验和作图过程中存在的错误，然后启发他们去比较电流表内、外接的不同，提出以下问题：(1) 分别采用电流表内接法和外接法时，我们做的实验结果却明显不同，哪一种更准确呢？(2) 根据大家设计的两种电路，灯泡中的电流、电压都不能从零开始变化，能否设计一种电路使电流、电压从零开始变化呢？这两个问题的提出旨在激发学生的好奇心，为接下来新知识的学习埋下伏笔。在教学过程中，能让学生带着问题、有目的性地去学习新知识，其学习效率一定会高于漫无目的的学习效率。

4 学习新知：电流(压)表的改装、电流表的内外接、滑动变阻器的分压接法

欲解决上面提出的第(1)问，要先引导学生认识到电流表和电压表的本质，即要引导学生掌握电流表和电压表的改装原理，在此基础上，再分析电流表内外接的不同就比较容易了；欲解决第(2)问，就是要引导学生掌握滑动变阻器的分压接法。

4.1 电流表、电压表的改装

学生在初中学习时将电流表和电压表都当成理想电表，即在简化电路时“将电流表视为导线、将电压表视为断路”，这种观念“根深蒂固”。为了打破这种观念，笔者首先设计了如下实验。

如图1所示，在实验操作前，笔者首先问学生：你认为电压表有没有示数？电路中有没有电流？为什么？多数学生认为：电压表有示数，但电路中没有电流，因为电压表在电路中可以看成是断路。笔者先不作点评，而是让学生自己动手实验。紧接着又设计了下一个实验(两个电压表相同)，如图2所示，同样，在实验操作前问学生：你认为电压表有没有示数？电路中有没有电流？为什么？这时，学生几乎一致认为电压表没有示数，电路中也没有电流，因为两个电压表在电路中都被视为断路，电路不通。

图1

图2

在猜想的基础上再动手实验，学生有了意外发现：两个电压表都有示数，而且示数相同。这个结果让学生感到很惊讶，这是用初中知识无法解释的。面对这样的“认知冲突”，学生必然会有浓厚的兴趣去探究电流表和电压表的本质。于是，笔者给学生展示了一下电流表、电压表的内部结构，让学生认识到电流表、电压表其实有一个共同的表头。表头本质上即为一个灵敏电流计，而灵敏电流计本质上即为一个电阻，只不过它能将通过自身的电流大小通过指针偏转显示出来。

认识了表头的本质，接下来就是引导学生进行电流表和电压表的改装。笔者通过一个具体问题来引导学生讨论：已知表头的内阻为Rg=120Ω，满偏电流Ig=3mA，那么，能否将它直接接到一节干电池两端？你能想出什么办法将其改装成量程为0.6A的电流表吗？又如何将它改装成量程为3V的电压表？

笔者将学生分为两组，分别讨论以上两个问题，即分别研究电流表和电压表的改装。然后请学生代表为全班同学展示电流表和电压表的改装。在此过程中，笔者进行适当的补充和点评。最后再动手实验：用改装后的电表进行测量，加深对电流表和电压表改装原理的理解。

4.2 电流表内接法和外接法

当学生已经理解了电流表和电压表的本质后，就比较容易分析电流表内接法和外接法的不同。

笔者将学生分为两组，让他们分别对电流表内接法和外接法的误差原因、误差结果进行分析，并讨论什么情况下用电流表内接法产生的误差更小、什么情况下用电流表外接法产生的误差更小。最后请学生代表为全班同学进行分析、讲解，笔者进行适当的补充和点评。

在课堂上，要充分发挥学生的主体作用，老师适当点拨、发挥出必要的引导作用即可。在学生交流、讨论的过程中，不可避免地会产生各种错误，老师要怀着宽容的心态鼓励学生继续讨论，将犯错视为学习的好机会。在学生学习过程中，当然也会遇到各种各样学生解决不了的问题，这时老师的“脚手架”作用就该发挥出来了。但要注意在学生的“最近发展区”内设置问题，这样才能充分调动学生的学习兴趣，引导学生逐步深入学习，取得进步。

4.3 滑动变阻器的分压接法

笔者首先向学生介绍了滑动变阻器的分压接法，然后引导学生比较滑动变阻器限流接法和分压接法的不同之处，并交流展示。滑动变阻器的分压接法学生从来没有接触过，所以由笔者介绍。而当笔者介绍完分压接法后，比较限流接法和分压接法的不同点，则完全可以交给学生自己处理。笔者设置了一个表格，引导学生进行分析讨论。这里充分发挥了教师的主导作用和学生的主体作用，教师的“教”是为了引导学生更好地“学”，因此教师的“教”要“教”得恰到好处，并“适可而止”。

5 优化实验：用新学知识描绘小灯泡的伏安特性曲线

在学习了电流表内、外接法的不同和滑动变阻器的分压接法之后，学生就可以对之前体验活动中设计的电路图进行优化了。在优化实验中，笔者并没有明确告诉学生电路设计方案，而是让学生自己去分析问题，设计恰当的电路，并进行实验。例如，笔者将“选择电流表的接法”这个问题交给学生去思考。有的学生提出：灯丝是钨丝，是一种金属，阻值相对较小，应该选择电流表外接法；有的学生提出：可以通过灯泡铭牌上所标识的额定电压和额定电流估算灯泡的电阻，再确定如何选择电流表的接法；有学生提出可以上网查一下灯丝的电阻；也有学生想到用“试触法”等等来决定电流表的接法。

由于整个实验探究的意图是希望学生掌握描绘新型导体的伏安特性曲线的方法，在科学家研制新型导体的时候，其实一开始也并不清楚新型导体的阻值情况，那么如何选择电路进行测量呢？因此在这个优化实验活动中，笔者也并未告诉学生灯泡的阻值情况，而是让学生自己想办法解决问题。事实证明，在这个问题的解决过程中，学生用到了估算法、试触法等多种方法，利用了已有生活经验(旧知识)、分析数据的能力、搜索资料的能力等。因此，教师在教学中要尽可能设置一些开放性的问题，设置的问题也要尽可能贴近真实的复杂情境。因为，在真实的复杂情境下，学生往往需要调用各种知识和能力去分析问题、解决问题，这样学生的综合应用知识解决问题的能力才能得到提高，这正体现了STEM课程的基本理念。

6 拓展延伸：描绘新型导体的伏安特性曲线

学生体验的实验是比较传统、基础的，在体验活动后，有必要对其进行拓展延伸，以拓宽学生的视野。

(1) 对于学生实验中获得的数据，除了可在纸上描点作图外，还可以通过Excel进行数据处理。这一部分的拓展主要由笔者操作演示，然后请学生体验操作过程。目的是让学生体会到信息技术给物理研究带来的便利，启发学生平时要注意提高自己的信息技术水平。

(2) 在体验活动中用到的是传统的电流表和电压表，其实还可以通过电流传感器和电压传感器进行实验。用传感器的最大优势在于能够实时地将探测到的数据传输到电脑中进行处理，更为准确和便捷。通过传感器实验，能够引导学生学习新实验技术，拓宽学生的实验思路，激发学生的探究热情。

(3) 介绍其他传感器及科学家研制出的一些新型材料。笔者事先布置感兴趣的学生搜集资料，然后全班交流分享。旨在培养学生搜集、整理相关资料的能力，以及主动学习、交流分享的能力。

本案例是由一则新闻报道引出研究主题，体现了STEM课程的情境性。围绕这一主题笔者设置了体验活动，体现了STEM课程的设计性、体验性。先让学生应用旧知识解决问题，而在此过程中又遇到了一些旧知识无法解决的问题，这就激发了学生探索新知的学习欲望。在学习新知识时，笔者首先设置了一组实验，通过“先猜想后实验”，制造出学生的“认知冲突”。在学生“意料之外”“兴趣盎然”之时引导学生学习新知识，并在学生“力所能及”的知识领域由学生进行自主探究。通过分组讨论、合作交流，充分发挥了学生的主观能动性，也锻炼了学生语言组织、逻辑思维、团队协作等能力，同时还增强了学生分享展示的勇气，体现了STEM课程的协作性。最后通过动手实验，进一步增强对新知识的理解，打破学生的“思维定势”。在学生动手操作的过程中，会遇到很多实际问题，而这些来自真实情境的问题正是培养学生分析问题、解决问题能力的绝佳机会，教师和学生都应该积极把握这些机会。因为，面对真实情境下的问题，学生往往要调用各类知识和各种能力，同时借助相关技术才能解决真实的复杂问题，这体现了STEM课程的跨学科特征。在这个过程中，学生综合应用知识解决实际问题的能力也会在“不知不觉”中得到提高，这正是STEM教育的初衷。