基于信息技术支持的物理创新实验设计策略——以“探究导体的电阻规律”教学为例

安徽省合肥市教育局教育科学研究院(230000) 陶士金

安徽省庐江县龙桥镇初级中学(231551) 刘信生

2018年国家教育部发布《教育信息化2.0行动计划》要求落实立德树人根本任务，积极推进“互联网+教育”，坚持信息技术与教育教学深度融合的核心理念，坚持应用驱动和机制创新的基本方针，实现教育的可持续发展。正是由于当今的信息化潮流势不可挡，我们的学生早已就是信息时代的“原居民”而不是“闯入者”，信息技术对他们的生活和学习已无法替代，传统教学模式俨然无法满足如今学生学习的需求，特别是物理实验教学更要插上信息技术的翅膀，实现新的跨越。

1 引言

教育信息化在高中物理实验教学由“起步”“应用”阶段正在向“融合”“创新”阶段迈进。这几年，初中物理实验的信息化应用高歌猛进，特别是基于传感器技术与传统实验的快速融合成燎原之势，锐不可挡。以初中物理“探究影响导体电阻的因素”实验为例，传统实验在以往的教学过程中的作用功不可没，但是在新时代的坐标轴上看存在诸多不足：①在将不同金属线接入电路中的时候，小灯泡的亮暗发生变化，小灯泡的电阻也随之发生变化，设计方案与控制变量法的思维有相悖之处；②学生用的电流表可视性差，演示实验时，教室后排的学生无法看清楚；③由于干电池存在内阻，在不同的电路中，无法保证每次实验时提供的电源电压为一定值，直接影响实验结论的可靠性；④初中学生对镍铬金属丝比较陌生，心理上一时难以理解。最关键的一点就是串并联电路的电阻规律教学，教师都是从欧姆定律、串并联电路电压和电流规律的物理理论出发，运用等效法思维进行抽象思维的理论推导和论证，没有站在实施实验探究的角度进行研究，笔者通过一系列的数字化创新实验，让学生对导体电阻的影响因素和串、并联电阻规律进行量化实验探究。

2 数字化传感器和传统实验的有机融合

由于传统实验存在的问题，笔者带领学生实施创新实验，将各种“金属线”改为学生身边每天使用、非常熟悉的铅笔作为实验器材，选用同一厂家、不同规格的铅笔芯作为研究对象；将干电池组更换为学生电源供电；将实验室电流表更换为电流传感器、信息收集器和带软件笔记本电脑。

2.1 探究影响导体电阻的因素数字化实验

2.1.1 实验器材

同一厂家(均是中华绘图铅笔)同种型号的铅笔组合(2H、HB、2B、3B、4B、5B、6B)、亚克力板条2根(20 cm×8 cm×1 cm)、薄免漆板1块(30 cm×30 cm)，电流传感器、数据收集器、带有数字化软件的电脑、学生电源、带有鳄鱼夹的导线若干、圆柱强磁体若干、钢锯条、裁纸刀、手电钻、胶棒枪。

2.1.2 实验装置

取中华绘图铅笔组合(其中2H、HB、3B、4B、5B、6B铅笔各1支，2B铅笔2支)，用锯条将每支铅笔距离两端0.5 cm处木质层锯出深2 mm的凹槽，再用裁纸刀小心地将两端的木质层去掉，漏出铅笔芯。将2块长方体亚克力重叠放置，每间隔2 cm用手电钻打穿8对圆孔，依次将2H、HB、2B、2B、3B、4B、5B、6B铅笔，按照从上到下顺序整齐地穿过这对亚克力板条，用胶棒枪的热熔胶将其整体固定在薄免漆板上(如图1所示)。

图1 将型号相同、材料不同的铅笔整体固定

如图2所示，使用学生电源为电路供电(控制工作电压不变)，将电流传感器(注意正负接线柱)与铅笔串联接入电路，用数据线将传感器与数据采集器连接，再与带有数字化软件的电脑相连，用胶棒枪将圆柱强磁分别固定在薄免漆板、电流传感器、数据采集器上，再将这些器件吸附在竖直放置的长方形白色铁板上，便于向学生展示。

图2 探究影响导体电阻的因素数字化实验装置

2.1.3 实验操作过程

在课堂教学中，电阻的概念建立后，学生会发现：同一个电路中导体的电阻越大，电路中电流反而会越小。因此，学生只有通过电路中电流大小的变化来间接反应电阻的变化。接着教师引导学生进行猜想和假设。

师：同学们阅读教材中内容，猜想一下导体的电阻大小与哪些因素有关？

生：导体的材料、长度、横截面积(粗细)、温度……

师：很好。我们在生活中接触稀有金属镍、铬的机会不多，但是，同学们接触铅笔的机会是很多的，你们知道我们使用的铅笔中的主要成分是什么吗？能导电吗？铅笔通常有“H”与“B”之类的区别，知道其中的含义吗？

生：主要成分是石墨，可以导电的。“H”与“B”具体表示什么就不是很清楚……

教师此时在百度搜索引擎中搜索铅笔中“H”和“B”的含义，并通过白板展示，学生发现“H”前的数字越大笔芯的硬度越大，掺入的黏土越多，含有的石墨越少，导电的性能越差；相反“B”前面的数字越大，掺入的黏土越少，含有石墨越多，导电性能越好。

师：实验的结果真如同学们的猜想一致吗？下面我们用实验来进行验证了。

探究活动：首先将学生电源接入220 V家庭电路中，连接好串联的数字化电路，注意连接铅笔两端的各带有鳄鱼夹的导线。教师将多余的铅笔组合分发给学生观察比较。

师：型号相同的铅笔有什么外部特征？

生：这些铅笔长度和横截面积(粗细)都相同。

师：那么现在我们进行如下操作步骤：①将学生电源电压调至3 V，打开电脑中的数字化软件系统界面，在接通电路前将数字化电流值“调零”；②将2只鳄鱼夹住2H铅笔的两端，闭合电源开关，电脑屏显示的电流值为0.09 A，将数据记录在表1中；③断开电源开关，依次将2H铅笔两端的鳄鱼夹，顺次将HB、2B、3B、4B、5B、6B铅笔分别接入电路中，闭合电源开关，记录电路中电流数据，填入表1中。

表1 分别将不同材料的铅笔接入电路中的电流值

分析表1中的1～7组数据得出实验结论：在导体长度和横截面积(粗细)相同时，导体的电阻与导体材料有关。

师：图2演示板上我们放置了2支相同的2B铅笔，作用是什么？又可以完成哪些实验？

生：可以完成导体的电阻与导体的长度、横截面积之间的关系实验。

师：很好。下面请同学们上来进行操作，探究这个实验。

学生用带鳄鱼夹的导线将两支相同的2B铅笔头、尾相连，然后再将剩下的头尾两端接入电路中，形成两支铅笔串联的电路，闭合电源开关，读出电路电流大小；再用鳄鱼夹将两支2B铅笔头头、尾尾相连，形成两支铅笔并联电路，闭合电源开关，读出电路电流大小，将以上数据填入表1中。

师生合作分析表1中的数据8和9组，得出实验结论：①在导体材料、横截面积相同时，导体越长，其电阻越大；②在导体材料、长度相同时，导体横截面积越大，导体电阻越小。在师生的共同参与中，非常轻松愉悦地完成了探究实验，在玩实验中实现思维的启迪和理论的升华。

2.2 探究串并联导体电阻规律的数字化实验

通过以上电阻实验探究得出：导体的电阻大小与导体材料、长度和横截面积有关，为了进一步探究导体电阻大小与导体的长度和横截面积之间的数量关系，教师再一次带领学生设计创新实验方案，采用控制变量研究方法，展开数字化创新探究。

实验器材的准备与组装：取一段直径为2 mm、长度为20.80 cm密绕的镍铬合金丝，为了研究问题的方便，让学生用毫米刻度尺将金属丝进行4等分，在每一等份的节点上装备一个金属柱(方便接入电路中)。由于金属丝之间是密绕在一起，为了避免金属丝接入电路中的电流直接从匝与匝之间流动，必须将金属丝进行拉伸，再固定在PVC板上备用，如图3所示。

图3 将镍铬合金丝四等分并均匀拉伸、固定

以教学片段为例，在具体的教学环境中解决实际问题。取下装置中的薄免漆板上的铅笔组合，换上PVC板上的镍铬合金丝装置，将金属丝的接线柱从左向右标上序号1、2、3、4、5。

师:我们将该镍铬合金丝看成一个电阻，我们为了探究导体的电阻与导体长度之间的数量关系，需要进行哪些实验操作？

生:采用控制变量法思维，保证导体的横截面积不变，只改变导体的长度，将镍铬合金丝接入电路中的接线柱分别有1与2、1与3、1与4、1与5四种接法。

师：很好。下面,我们就分别将以上四种接法进行实验操作，用4.5 V的电源进行供电，接通电路，在电脑界面上读出电流传感器上的电流值，将数据填入表2中。

表2 将镍铬合金丝的不同接线柱接入电路中的电流大小

师生合作完成实验，整个镍铬合金丝相当于四个相同小电阻串联，将表2中的1、2、3、4组数据进行数据处理，画出电流和电流倒数与串联导体个数的关系图像(如图4所示)，让学生走上讲台，宣布实验结论：串联在同一电路中的导体数目成整数倍增加，电路中电流就减小到原来的几分之一，说明电压一定时，电路中总电阻值与流过的电流成反比例。进一步推导得出：串联在电路中导体越多，相当于接入电路中导体的长度就越长，导体的电阻越大(或者串联导体相当于增加导体的长度)。

图4 图像1

师:我们能否用同样的方法来探究导体的电阻与导体横截面积之间的数量关系？需要进行哪些实验操作？能否将等效电路先画出来？

生：当然能，我们将镍铬合金丝中一些接线柱组合在一起后分别接入电路中就能达到目的，控制导体长度一定时，只改变导体的横截面积大小，将接线柱1、3与2，1、3、5与2、4，1、5与3(注意：“与”前面的接线柱共接正极端，后面的接线柱共接负极端)三种方法，等效电路如图5所示。

图5 镍铬合金丝的等效电阻

师：我们就按照你们的想法，请同学到讲台上来亲自完成这些实验步骤，祝你们成功！

学生带着画好的等效电路图，认真连接好三种实物电路，接通开关，点击电脑软件系统，读出电路中电流值大小，将数据填入表2中。

师生共同进行实验探讨：将表2中的1、5、6组进行数据处理，画出电路中电流大小与并联导体个数的关系图像(如图6所示)，得出结论：同一电路中的导体长度一定时，导体的横截面积成整数倍的增加，电路中的电流也成整数倍增加，电路中的总电阻成整数倍的减小。说明并联导体越多，导体的横截面积越大，电阻就越小(或者说并联导体相当于增加导体的横截面积)。

图6 图像2

3 教学反思

由于该节内容是安排在欧姆定律内容的前面，无法直接用伏安法测出导体的电阻，只能通过同一电路(导体两端电压不变)的电流值大小间接地比较电路中的电阻值变化规律，所以是本节课无法绕开的难点。如果只是通过铅笔组合创新实验来探究导体的电阻与哪些因素有关，感觉实验说服力有些不够，再用数字化传感器与改装后的镍铬合金丝进行串、并联导体的电阻规律之量化实验探究，强化了导体串、并联电阻改变的本质就是改变了导体的长度或横截面积的道理，为下一步欧姆定律的教学扫除了科学思维的障碍，为后面欧姆定律的应用——串并联电路中电阻规律的理论推导做好了铺垫。

4 结语

本节课将数字化传感器与传统实验进行深度融合，让数字化软件系统与班级的多媒体展台进行无缝链接，学生可以通过大屏幕读出实验的测量数据，可视性强。巧妙运用学生非常熟悉的铅笔组合进行数字化实验探究，增强了亲切感。将铅笔的两端露出一部分，避免在使用中被折断，可以反复使用，也体现了运用生活物品进行物理实验的简化思想。运用镍铬合金丝进一步探究串、并联电路的电阻规律，培养了学生的物理思维能力，在信息化创新实验活动中使学生的物理核心素养落到实处。