基于“科学思维”视角分析电表改装反思实验教学

周易

摘   要：“科学思维”是物理核心素养的重要组成部分，是高中物理的重要思维方法，主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。文章基于此角度对电表改装问题进行分析，进而反思实验教学。

关键词：科学思维;电表改装;实验教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）6-0031-3

实验室常用的电压表与电流表均由满偏电流较小的电流表表头改装而成。由于实验需求不同，对其量程的要求也就不尽相同，所以改装的目的主要在于“扩程”。下面分别对电压表、电流表的改装进行分析。

1    电压表的改装

1.1    改装特点

已知电流表表头的满偏电流Ig及内阻Rg，由于满偏电流Ig太小，一般不能直接用于测量，仅用于检测电路中电流的有无以及判断其方向。根据欧姆定律，表头满偏时的电压为Ug=IgRg，同样Ug也太小，无法承担更大的电压。为了满足实验所需，必须给表头串联一个分压电阻R0（改装流程如图1）。

改装后的新表（电压表）参数如下：

问题：常用的电压表一般都有多个量程（至少两个），那么又将如何设计改装呢？

分析：设计图如图2所示。

1.2    核心素养分析

（1）模型溯源：电压表改装的物理“原型”其实就是最基本的串联电路，如图3所示。电路中的电流处处相等，电路两端总电压等于各串联电阻两端的电压之和，电路总电阻等于各串联电阻之和。

（2）推理创新：在串联电路中，总电压被分配到各串联电阻上，阻值大的电阻分得的电压大，阻值小的电阻分得的电压小……据此推理，思维的火花油然而生，一种“分担”的思想立马浮于脑海——若能给表头串联一个“电压分担者”，量程不够的问题便迎刃而解。于是，一个全新的设计跃然纸上，即图1所示的改装设计（多量程的情况亦如此，此处不再赘述）。

（3）素养呈现：看似简单的建模与推理过程，其间包涵了科学推理、孕育了创新思维、内化了学科特性，尽显物理核心素养。倘若没有扎实的知识基础和良好的思维习惯，必将一筹莫展。

2    电流表的改装

2.1    改装特点

由于表头满偏电流Ig太小，直接用于测量可能会烧坏表头，为了满足实验所需，必须给表头并联一个分流电阻R0（改装流程如图4）。

显然，R0越小，扩大倍数越大。

问题：含多个量程（至少两个）的电流表又该如何设计呢？

分析：设计图如图5所示。

2.2    核心素养分析

（1）模型溯源：电流表改装的物理“原型”来自最基本的并联电路，如图6所示。电路中各支路两端的电压相等，电路总电流等于各支路电流之和，电路总电阻的倒数等于各支路电阻的倒数之和。

（2）推理创新：在并联电路中，总电流被分配到各并联支路上，支路电阻大的分得的电流小、支路电阻小的分得的电流大……据此推理，“分担”思想再次跃然纸上。于是，便有了图4所示的改装设计。

但是，就“多量程”的改装而言，电流表的设计比电压表复杂多了——仅靠增加支路来实现电流的“分担”已行不通。因为这样虽然扩大了量程，但是无法实现多量程共存。所以得换一个角度，从“改变分流电阻的阻值”上做文章，进而在实现扩程的同时，也做到了多量程共存，如圖5所示。

（3）素养呈现：同样，建模与推理过程中孕育了创新思维、包含了科学推理。尤其是在多量程的设计中，先后经历了模型构建、科学推理、问题发现、质疑论证，最后得出新的解决方案。每个环节都关乎科学思维，都有助于内化学科品质，都在不间断地激发好奇心与求知欲，是对基本知识、基本技能、思维品质以及科学态度的一次大检阅、大提升。

3    反思教学

不难看出，当面对新情境、新任务，需要运用已学过的物理理论、实验方法、实验仪器去进行创新设计、解决实际问题时，科学思维能力显得尤为重要。

所以，我们必须摒弃传统的“以讲代做、演示为主、模拟泛滥、机械重复”实验教学模式，开启以培育和提升学生科学思维能力为目标的新思路。

（1）注重基本概念和基本规律的理解，以储备更多的物理“原型”。“问渠那得清如许，为有源头活水来”就是这个道理，没有“旧枝”，何来“新芽”。

（2）深刻理解实验原理，敢于质疑、勤于论证、勇于创新。有了“旧枝”，我们还得施以“阳光、雨露、肥料”，“新芽”才能茁壮成长，这就是质疑、论证和创新的重要性。

（3）高质量完成基本实验，多动手操作，少一些模拟和演示。如果一味地以讲代做、演示为主、模拟横行，那么学生自然就会眼高手低（一听就懂、一做就错）。只有亲自动手、切身体验，去发现问题、解决问题，才能真正掌握必备的知识和必要的技能。

（4）学以致用，直面真实情境、解决实际问题。这是学习的最高境界，如果条件允许，多开展一些课外实践活动，解决实际问题（如：检测电路故障、探究声控电路、设计晴雨自动晾衣架等），将所学的知识转化为技能、内化学科特质、提升学科素养。

综上所述，科学思维是应用物理知识解决实际问题的重要保证，在实验教学中培养学生的科学思维能力显得尤为重要。为此，我们必须重视基本实验，准确理解和体会其中所展现的科学思维能力，进一步提高课堂效率;同时还得不断提高自身的学科素养、加深对学科本质的理解。只有这样，才能更好地完成实验教学任务、提升学生的科学思维能力、促进学生终身发展。

（栏目编辑    邓   磊）