设计探究实验 培养思维能力——以“探究电感和电容对交变电流的影响”为例

胡 佳 陈志军

(1. 安徽省绩溪县适之中学，安徽 宣城 245300； 2. 安徽省绩溪中学，安徽 宣城 245300)

1 问题的提出

人教版教材中“电感和电容对交变电流的影响”一节主要讨论简单的交流电路中电感、电容元件对交流电路的影响，这一节内容放在正弦式交流电的产生和描述等的学习之后，可以突出交变电流和恒定电流的区别，有利于加深学生对交变电流特点的认识。[1]教材针对直流电和交流电能否通过电感器和电容器给出了实验电路，但对于电感器和电容器对交流电是否有阻碍作用、电感器和电容器对交流电阻碍作用的大小与什么因素有关，没有给出实验设计，也没有提及用什么科学研究方法进行探究，而是直接给出结论，导致学生在学习过程中不能理解，只能死记硬背，对学生的思维能力、探究能力、活动设计能力以及创新思维能力的培养造成了较大的限制。在教学中设计和改进探究电容器和电感器对交变电流的影响实验，自制实验探究电路板，运用控制变量法，通过演示实验、探究实验、理论分析、归纳讨论，突破教学重点和难点，有效解决了学生理解模糊的学习难题，提升他们的科学思维和科学探究能力。

2 实验设计与意图

2.1 电容器对交变电流的影响

问题1：直流电能否通过电容器？交流电能否通过电容器？

学生猜想：直流电不能通过电容器，交流电能通过电容器。

实验探究1：如图1所示，师生设计制作实验探究电路板，将两个不同的电容器与两个相同的小灯泡分别串联后接入电路，取其中一路，电路如图2所示，先把它们接到直流电源上，观察灯泡是否发光，再用导线将电容器短路，观察灯泡是否发光；再把它们接到交流电源上，观察灯泡是否发光。实验中取直流电源的电压与交流电压的有效值相等。

图1

图2

设计意图：师生设计、制作实验探究电路板，培养学生将物理与生活相联系、理论与实践相结合的能力，并通过问题引导学生猜想、思考并设计实验。在接直流电时，学生因学过电容器知识，很自然得出直流电不能通过电容器的结论，此时可提出问题：灯泡不亮，会不会是电源故障或导线接触不良？你怎么排查？引导学生提出将电容器短路、观察灯泡是否变亮的思路，并进行推理论证，以促进深度学习，提升思维能力。

问题2：电容器对交流电是否有阻碍作用？

实验探究2：如图3所示，电容器与小灯泡串联，把它们接到交流电源上，再用导线将电容器短路，观察灯泡的亮度变化情况。

图3

设计意图：在实验探究1的启示下，引导学生将电容器短路、比较灯泡的亮度变化来确定是否有阻碍作用培养学生的分析推理和实验设计能力。

问题3：电容器对交流电阻碍作用的大小与什么因素有关？

实验探究3：探究影响容抗大小的因素，采用控制变量法。

(1) 交流电的频率一定，改变电容器的电容

如图4所示，交流电的电压为6 V，频率为50 Hz，将电容为470 μF和1 000 μF的两个不同电容器，分别与规格为“6 V 0.7 A”的两个相同的小灯泡串联，再并联接到交流电源上。比较两个灯泡的亮度，根据实验现象完成表1。

图4

表1

(2) 电容器的电容一定，改变交流电的频率

如图4所示，撤去其中一个支路，保留电容为470 μF的支路，接通交流电源，保持交流电压为6 V，改变交流电的频率，分别调为50 Hz、60 Hz、100 Hz、200 Hz，比较灯泡的亮度变化情况，根据实验现象完成表2。

表2

设计意图：按照交流电能通过电容器、电容器对交流电有阻碍作用、电容器对交流电的阻碍作用与什么因素有关的顺序进行探究，符合学生的认知规律，在探究的过程中引导学生猜想，并采用控制变量法设计探究实验3，通过观察到的实验现象(与较大电容的电容器串联的灯泡比较亮；频率越大，灯泡越亮)，学生讨论、交流、总结得出电容器的作用以及影响容抗大小的因素，得出结论：交流电频率越大容抗越小、电容越大容抗越小。

2.2 电感器对交变电流的影响

基于前面电容器对交变电流的影响实验设计的基础，与之类似，仍然按照交流电能否通过电感器、电感器对交流电是否有阻碍作用、电感器对交流电的阻碍作用与什么因数有关的顺序进行探究，将电感器与小灯泡串联，接到交流电源上，观察灯泡的亮暗情况，再用导线将电感器短路，观察灯泡的亮度变化情况，引导学生通过电感器被短路后灯泡更亮的实验现象，得出结论：电感器对交变电流有阻碍作用，进而提出感抗的概念，并提出问题：影响感抗大小的因素有哪些？学生进行猜想，同样，采用控制变量法探究影响感抗大小的因素，设计交流电的频率一定、改变电感和电感一定、改变交流电的频率两种实验进行探究，学生动手绕好圈数不同的带铁芯的电感，分别与规格为“6 V 0.7 A”的小灯泡串联，再并联接入交流电路，比较灯泡的亮暗情况；再选择其中一个支路，保持电感一定，改变交流电的频率，分别调节为50 Hz、60 Hz、100 Hz、200 Hz，观察灯泡的亮度，学生通过探究实验，讨论、交流、总结电感器的作用以及影响感抗大小的因素。

3 实验探究教学反思

3.1 以问题驱动实验探究

在课堂教学中，教师通过问题引导学生对新知识进行定位，引发学生猜想，启发教学与情境创设相结合，指导学生对研究的问题进行分析讨论，提出开放性的问题：如何验证？如何避免？如何推理？如何解决？结合探究实验，引导学生对情境现象进行观察、描述、解释、讨论、再解释、评价，激发学生学习兴趣，提高学生的科学思维和探究能力，培养学生的核心素养。

3.2 推理论证与实践相结合，自制实验探究电路板

通过推理分析设计实验，自制实验探究电路板，结合实验现象再进行推理、分析、论证、归纳、总结，使学生体验“分析——实践——总结”的探究过程，将推理论证与实验相结合，锻炼学生的动手能力，体验科学探究过程，促进学生认知的发展。

3.3 聚焦科学方法，提升思维品质

思维品质主要包括深刻性、灵活性、批判性、独创性和敏捷性五个方面，教学中教师要引导学生针对问题全面、深入地进行分析，进行整体综合判断，运用已有的经验和知识体系从不同角度、不同方向、不同深度去思考问题，运用控制变量、图像等方法，借助探究实验和信息技术多角度解决问题，强化拓展探究，做到从分析到综合，再从综合到分析，提高学生的科学思维能力和创新能力。[2]