科学思维导向下的物理实验教学设计——以“测定电池的电动势和内电阻”为例

孙梅芳 张士军

(1. 安徽省蚌埠田家炳中学，安徽 蚌埠 233010；2.安徽省怀远第一中学,安徽 怀远 233400)

1 引言

“测定电池的电动势和内电阻”实验是高中物理的重点实验，尽管老师洞悉此事，并给予此实验以高度的重视，但学生对于变化莫测的考题还是频繁出错，其根本原因在于学生的科学思维能力没有得到很好的培养，面对变化的考题往往一筹莫展。

“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。

在“测定电池的电动势和内电阻”实验教学中，教师应抓住实验原理这个主线，逐步引领学生发现问题，解决问题，不断改进实验方案，切实培养学生的科学思维能力。

2 教学环节及设计意图

2.1 以实验事实为起点，寻求思维起源

思维的起点源于对熟悉问题的再认知，人教版高中物理选修3-1的第二章第10节是“实验：测定电池的电动势和内阻”，第7节是“闭合电路的欧姆定律”。在本节新课教学之前引导学生对第7节的例1再次进行探讨，从而寻求思维起源：测定电池的电动势和内阻的方法。

例1：如图1所示，R1=14Ω，R2=9Ω。当开关处于位置1时，电流表读数I1=0.2A；当开关处于位置2时，电流表读数I2=0.3A。求电源的电动势E和内电阻r。

图1

由闭合电路的欧姆定律有：E=I1R1+I1r，E=I2R2+I2r，解得：r=1Ω，E=3V。

学生再研讨该例题时，发现可以用例题的方法测定电池的电动势和内阻，其原理是闭合电路欧姆定律，据此原理只要测两组数据，就可测得电动势和内阻，然而用这种方法测量时难免会造成较大的偶然误差，如何减小偶然误差呢？

2.2 逐步改进实验方案，培养创造性思维能力

改进1：安阻法和伏阻法

学生注意到产生偶然误差的原因是测量数据较少，因此就需要多测几组数据。如何达到此目的？结合以前对几种电阻元件(定值电阻、滑动变阻器、电阻箱等)功能的了解，学生不难想到用一个电阻箱R来代替例题中的两个电阻R1和R2，这样就可以得到多组数据，再根据闭合电路欧姆定律，把数据两两一组代入E=IR+Ir中进行计算，算出每一组的E和r，最后求所有E和r的平均值，便可减小偶然误差，我们把这种方法叫安阻法(图2)。

图2

图3

改进2：伏安法

问题导引：电阻箱的电阻取值不是连续变化的，可否用连续变化的电阻来进行实验?学生会想到用滑动变阻器进行实验。

问题思考：若使用滑动变阻器，其电阻值无法读出，如何解决？

原理分析：E=IR+Ir式中的“IR”即为路端电压，则有：E=U+Ir，路端电压可以用电压表测出。因此，设计出如图4所示的伏安法实验电路。

图4

实验前可以让同学们先动手移动一下滑动变阻器的滑片，可能有部分同学移动滑动变阻器的动作过猛，教师适时引导：如果移动滑动变阻器动作过猛，可能会造成外电阻等于零，从而造成短路而烧坏电表。如何避免短路现象的发生呢？学生进一步改进电路图(图5)。通过系列递进性问题的引导，激活学生的创新思维。

图5

2.3 逐步改进数据处理方法，培养批判性思维能力

教师引导学生：用伏安法做实验可以测出多组数据，如果我们还用两两一组数据计算电动势E和内阻r，然后用多组数据求平均值，那和前面的方法并无多大区别。我们怎样处理实验数据才能尽量减小偶然误差？这时可以让学生联想，对于利用v-t图像求加速度的方法学生应该印象深刻，由此不难想到图像法是处理实验数据极佳的方法。学生敢于否定旧方法，寻求新方法，这一过程使学生的批判性思维能力得到提高。

实验测得的数据是U和I,是画U-I图像还是I-U图像比较好呢？引导学生回到闭合电路欧姆定律分析实验原理：外电阻R变化，导致电路中电流I变化，从而导致路端电压U变化，电流I应是自变量，路端电压U是因变量，即U=E-Ir，所以应画出U-I图像。再请学生分析U-I图像的物理意义：纵截距代表电源电动势E，斜率的绝对值代表电源内阻r(图6)。

图6

学生在处理数据时遇到了新问题，画出的实验图像如图7所示，显然用该图得到的实验结论误差比较大。怎样改进呢？不妨引导学生对某一组实验数据(表1)分组进行讨论，有了前面的思维进阶，相信会有同学想到：纵坐标可不从零开始。

图7

表1

2.4 触类旁通，培养学生的思维广度

以图像法处理实验数据作为铺垫，适时引导学生：安阻法和伏阻法都可以读出多组实验数据，是否也可以用图像法处理实验数据呢？

图8

2.5 解决新问题，培养学生的思维深度

通过上述教学设计，学生的思维逐步进阶，对测定电源电动势和内阻实验有了较全面认识。但是，还有部分学生在解决实际问题时辨别不了何时用“部分电路欧姆定律”，何时用“闭合电路欧姆定律”，或是一味依赖图像法求解电动势和内阻，因此笔者设计了如下一道实验题，帮助学生理解实验原理，拓展学生的思维深度。

例2：用如图9所示的电路做实验。① 断开S2，闭合S1，记下电压表示数为U1、电流表示数为I1；② 断开S1，闭合S2，调节电阻箱阻值，使电压表示数仍为U1,电流表示数仍为I1，记下此时电阻箱的示数R；③ 同时闭合S1、S2，保持电阻箱的阻值R不变，再次记下电压表的示数为U2、电流表的示数为I2。那么，待测电阻的阻值RX=,电流表的内阻RA=,待测电源电动势E=,电源内阻r=。

图9

通过该环节的教学设计，不仅加强了学生对欧姆定律的全面理解，也引导学生针对所遇到的不同问题，灵活甄别物理原理和应用的方法。

3 教学设计反思

3.1 基于思维递进设计教学，发展学生的科学思维能力

本教学设计以已讲过的例题为起点，依据闭合电路欧姆定律，提出测定电源电动势和内阻的方法，由安阻法联想到伏阻法，再到伏安法，这种层层递进的教学设计能够不断引导学生进行归纳与概括、演绎与推理、分析与建模，学生在逐步改进实验方案的过程中实现了科学思维能力的进阶。

教学设计的另一条线索是如何减小偶然误差，在设计中紧抓这条线索引导学生进行辩证性思考：由例题中用两组实验数据求解电动势和内阻，发展到用多组数据求解电动势和内阻的平均值，再到用图像法测定电动势和内阻。学生在逐步减小实验误差的探究过程中，不断分析数据，评估误差大小，筛选信息，改进实验方案与数据处理方法，使其思维的严谨性得到提高，也能切身体验辩证思维及创新思维过程，从而达成提升科学思维能力的目标。

3.2 基于深度学习设计教学，深化学生科学思维

课堂教学设计最后的环节是：(1) 把伏安法中用到的图像法处理实验数据的方法，延伸到安阻法和伏阻法；(2) 精选一道关于部分电路欧姆定律和闭合电路欧姆定律的例题。通过这两个环节的教学设计，对学生的思维要求层层加码，使学生进入深度学习的状态。

总之，科学思维的培养是逐步递进的过程，即由对问题的浅层思维，慢慢深入到其本质及内在决定因素的深度思维，最后上升到质疑、批判、创新的思维。