基于项目式学习的高中物理实验探究教学——以“用发光二极管制作电源指示灯”为例

吴志山

(江苏省南通第一中学,江苏南通 226001)

物理是以实验为基础的一门基础学科.实验内容本身也是物理教学的重要内容,但在应试背景下,实验的教学时间和空间都明显不足.目前一些学校的实验教学主要以课本实验知识为主,讲实验、画实验现象十分普遍,即使做分组实验也有很多是“照本宣科”,学生体会不到所学内容在生活中的应用,缺乏实验兴趣.基于项目式学习的实验探究教学是源于生活情境问题的实验探究,其融入了杜威“做中学”的科学探究思想,在做事中学习,强调在真实问题中运用科学思维和方法进行探究,在小组合作探究过程中打磨和提升学生自身的价值判断,提升学生学科核心素养.本文以“用发光二极管制作电源指示灯”为例,与大家交流基于项目式学习的实验探究教学.

1 基于项目式学习的实验教学

项目式学习具有真实情境创设、挑战性问题驱动、产出项目成果、经历自主探究、进行深度学习和评价方式多元化的特征.[1]高中物理实验项目式探究教学是在真实的情境中根据学生学情提炼出合适的实验项目,师生共同分析该项目提出具有挑战性的驱动问题(或子项目),然后根据项目需要收集相关资源,形成个人(或团队)探究方案,经过小组协作探究完成项目(或子项目)成果并进行展示反馈和评价.笔者参照项目式学习基本流程总结出项目式学习的实验教学流程如图1所示.实际教学过程中可以根据教学实际进行适当的调整.项目探究过程中也可以在完成某项目的基础上螺旋递进式提出新项目并进一步研究.

图1 项目式学习实验探究教学的一般流程

2 项目选择与提炼

生活中与物理相关的真实情境有许多,但并不是所有项目都适合我们实验探究教学,项目的选择应该与实际教学活动关联,要符合学生学习目标与学习背景.项目来源要能激发学生探究欲望,对学生知识和能力要求要在“最近发展区”,同时又要便于协同探究、多元评价.在人教版教材《物理》必修3中“电路及其应用”“电能 能量守恒定律”这两章学习结束后,学生具备了有关电路知识,接触了电压表、电流表、多用电表等实验仪器,掌握了闭合电路欧姆定律应用以及电源电动势和内阻测量方法,具备了一定的理论知识和实验能力.起初笔者准备开展“探究发光二极管伏安特性”项目,主要考虑发光二极管具有二极管一样单向导通的特性,可以让学生练习使用多用电表判断二极管的正负极;另外,发光二极管的伏安特性曲线是非线性曲线,在新教材删除了“描绘小灯泡伏安特性曲线”实验的情况下,该项目可以作为一个补充,但这样的项目有为了实验而实验的感觉,和生活实际没有紧密联系.把项目改成“用发光二极管制作电源指示灯”后,除了要研究发光二极管的特性还要研究电源特性,并且要运用闭合电路欧姆定律选择合适的限流电阻,与生活中电源指示灯制作流程相似.这个项目符合项目式学习来源于生活情境、挑战性问题驱动、综合知识能力应用的特征,可以很好地激发学生学习兴趣,提升学生解决问题的综合能力,学生在科学素养提升的同时能够获得成就感.

3 项目设计与实施

3.1 驱动性问题设计

驱动性问题设计是项目设计的基础,对项目目标分析后,结合实验器材等实验支撑实际来设计驱动性问题,形成实验探究总体方案.本项目驱动性问题如表1所示.

表1 “用发光二极管制作电源指示灯”项目学习驱动性问题

3.2 项目实施

任务1:判断发光二极管的正负极.

学生通过前面的学习已经知道,多用电表电流从红表笔流进、黑表笔流出,发光二极管也有单向导通性,测量方法与普通二极管相似.在实际实验过程中发现,多用电表电池为1.5 V的欧姆表调零后可以测出普通二极管正负极,但测量发光二极管电阻时,正反向电阻都显示是无穷大,无法判断其正负极.学生查找资料发现,普通的红色发光二极管正偏压约为1.6 V,黄色约为1.4 V,蓝白为至少2.5 V.正向导通所需电压大于电表电源电动势1.5 V,二极管正向也不导通,需要更换电源为更高电动势(3 V或9 V)的多用电表,学生测出发光二极管长脚为其正极,与资料所查信息相同.另外,学生还发现了“异常现象”:分别用多用电表欧姆挡×1 K、×100、×10、×1的不同倍率测量发光二极管正向导通电阻时,测量值相差很大,并且所用倍率越小二极管发光的亮度越高,电阻测量值越小,如图2所示.学生对此现象还提出了新的探究项目.

图2 “×100”和“×1”亮度和读数

任务评价:二极管正负极判断的常规方法是用多用电表测其正反电阻,学生通过学习掌握了多用电表理论知识与一般操作方法,但在实际实验过程中会遇到与设想不同的实际问题,需要学生根据实际情况查找资料或重新立项探索.这时学生的探索学习是一种带着任务的主动学习过程,他们会协同配合解决问题从而提升能力.通过查阅资料学生还发现可以从二极管外形判断其正负极:新的发光二极管长脚为正极;发光端半透明时内部正负极形状不同也可以作为判断依据.还有学生提议可以用一个电阻与二极管串联,再与电源“试触”看是否能点亮来判断正负极等方法.学生思维活跃,勇于面对挑战性问题.

任务2:描绘发光二极管伏安特性曲线.

为进一步了解发光二极管的电学特性,项目组决定利用DIS系统描绘其伏安特性,二极管是非线性元件,测量数据要多,学生选择了如图3所示分压电路进行测量.为了保证初始电路安全,滑片在开关闭合前应移至最左侧.实验前查得该型二极管正常工作电流约20～30 m A.开关闭合后缓慢向右移动滑片,观察通过发光二极管的电流和亮度情况.电压传感器和电流传感器能实时测出其电压和电流并描绘伏安曲线,如图4实线所示.学生由图像发现,该型发光二极管在1.8 V左右时才有导通电流,所以实验室原来1.5 V电源的多用电表无法使其导通,所以正反电阻都是无穷大;学生还发现,发光二极管导通后电流随电压变化很快,较小的电压误差会引起很大的电流变化,而电流太大容易烧坏二极管.

图3 伏安特性曲线测量电路

任务评价:该任务要求学生熟练掌握伏安法分压测量方法,描绘发光二极管伏安曲线特性.实验任务作为整个项目的一环,是要得出结论并加以应用,所以为了测量快捷方便,笔者选择了数字实验系统记录实验数据,在自动采样过程中会有些数据多余重复,要让学生进行甄别和删除.得到图像后学生会自觉用于解释前面实验现象,并发现电压波动对二极管的伤害很大.此时教师可以呈现教室里照明LED灯的驱动器并引导学生发现,实际使用中LED灯用恒流源驱动,如图5所示.这种驱动器输入电压可以波动较大,但电流误差要求在5%以内.学生再次发现物理与生活的紧密性,学有所用.

图5 LED灯驱动电源

任务3:选择合适的限流电阻.

通过以上实验图像可知,发光二极管若直接接在3 V电源两端电流太大,需要选择合适的定值电阻与之串联后再连接到电源,该型二极管额定电流约为20 m A.由图像可知,当电流I=20 m A时,二极管对应工作电压约为2.2 V,由欧姆定律E=U+IR可求得R=40Ω,实验室与之相近的常见定值电阻有36Ω、39Ω、43Ω、47Ω等,学生容易选出43Ω或47Ω电阻.

任务评价:该任务结合图线经过简单计算即可完成.这是解决实际问题的重要环节.在研究过程中会有许多的实验现象或图表信息,如何利用这些信息来找到规律或解决问题是十分重要的能力,就像开普勒从无数的数据中归纳出开普勒三定律是一种伟大的能力一样.通过这个任务,学生还发现“试触法”具有一定的随机性,不能贸然使用,串联太小的电阻会烧毁二极管,串联太大的电阻二极管可能不亮,无法分辨二极管的正负极,试触不同的电源风险也很大.可见,随着探究的不断深入学生会进行反思和改进,进行更深入的学习和思考,这也是我们运用项目探究教学的目的之一.

任务4:计算接入电路的实际功率.

不同的场景下指示灯所需要的亮度不同,而其亮度与其工作电流相关,可以通过调节串联电阻的阻值来改变其工作状态.虽然每个指示灯的电流不大,但家里指示灯很多,并且许多指示灯总会长时间开着,会造成能源的浪费,所以计算发光二极管实际接入电路时消耗的功率具有实际意义.若用50Ω电阻与二极管串联接入3 V电源,其实际消耗功率多大呢?学生在实验室电池盒放入2节新的干电池,与发光二极管和50Ω定值电阻串联,用电压和电流传感器测出二极管两端电压和电流即可求得其实际功率.也有学生利用二极管伏安特性曲线求解,设二极管两端电压为U,对应内部电流为I,与电阻串联后接在电源上,则E=U+IR,代入数值可得3=U+50I,再将直线画在二极管伏安特性图上,如图4虚线所示,两图线的交点即为二极管接入该电路的实际工作点,由图可得该情况下二极管的工作电流约为18 mA,工作电压约为2.2 V,功率约为39.6 mW,电路接入指示灯多消耗的功率约为54.0 mW,如果指示灯接在家里常用220 V电源上,则该指示灯电路(包括限流电阻)要消耗约220 V×20 mA=4.4 W(学生还没有交流电知识基础,未考虑整流,实际功率要小一些),家里有许多电源指示灯,总功耗还是相当可观的,所以要及时关闭电源节约能源.

任务评价:该任务可以用实验测量电压和电流完成,也可以运用二极管伏安特性曲线结合实际工作电路作图求出工作点.该工作点既要适合该电路的电压电流特征,又要适合元件的伏安特性曲线,所以交点即为其工作点.该任务的处理方法也是处理非线性伏安特性曲线问题的重要方法.学生在以后的问题处理中还会经常使用.另外,对学生的环保节能教育也是实实在在体验式的.

生成任务:探究多用电表不同倍率下的二极管亮度变化原因.

在判断二极管正负极时,实际是测量其导通电阻,按照学生的最初设想,应该像电阻测量一样有个最合适的倍率使指针在中间1/3范围内,实际测量发现,二极管的测量值在不同倍率下阻值变化很大,亮度还随所选倍率变小而变亮.学生主动提出要探究该问题.通过前面的探究学生知道,二极管的亮度与电流相关,实验中小倍率测量时变亮说明通过二极管的电流变大了,由多用电表原理学生知道倍率越小时,多用电表的内阻越小.由任务4的分析可知,二极管的电流越大二极管将会更亮.这和图2中“×1”倍率测量时比“×100”测量时更亮是吻合的,但根据原人教版教材中提供的欧姆表原理图(如图6的3、4两挡位),各倍率使用同一个电流表,更亮的“×1”倍率电流大,偏角应该更大,细心的学生从实验对比中却发现,更亮的“×1”倍率指针偏角较小(如图2中指针所示),与教材原理图矛盾.可能的解释是在倍率变化时,电表的量程也跟着变化,经过研究欧姆表的实际电路图(如图7所示)和拆解实物发现,一般欧姆表在变换倍率时会在改变串联内阻的同时通过改变与表头串、并联的电阻来改变电流表的量程.图7所示电路的欧姆调零电阻与表头是间接并联关系,“×100 K”的倍率接入电路的电源也变成了15 V,所以实际电路比原理图复杂很多.为了更好说明原理,教材采取了简化方式.这样更能突出原理,也更利于教学应用.通过该探究任务,学生解决了实验过程中的疑惑,同时对多用电表的原理和结构有了更进一步的认识.

图6 教材提供的原理图

图7 MF-10型多用电表原理图

任务评价:该任务是学生在项目实验过程中生成的探究任务.该任务源于实验现象与学生电阻测量原有认知的冲突,激发了学生探究的欲望.学生不但发现不同倍率下测量的明显“异常”,还发现了亮度和电流指针偏转角度的“异常”,进而主动研究原教学过程中教材上的电路图来解释实验现象,发现矛盾提出猜想后还主动寻找相关多用电表电路图资料进行佐证.项目式学习过程中学生自己发现的问题更容易点燃学生探究热情.项目式学习过程中基于实际生活的情境中有许多“出乎意料”的问题,容易激发学生真正的实验探究进行协同与深度学习.

4 项目评价与反思

项目式实验探究教学的项目来源于生活情境,基于问题驱动,在做中学,在实验中进行探究,学习的成果可以是一件作品,可以是问题的解决,更重要的是探究学习的投入和深度学习的状态以及饱满的学习热情.这就需要我们教师在项目的选择上要“离生活近一些”,要“学有所用”,要在能力“最近发展区”,例如力学部分的球类抛体运动的实验探究、圆周运动的实验探究、最速降线问题,电学的电磁铁、电动机、发电机等制作都是很好的探究项目.在项目实施过程中教师要积极关注学生需求,及时搭建资源型支架,例如准备多种类的实验器材,提供信息搜索渠道等.还要设计好驱动性问题,提供思维性支架,捕捉学生的想法和思维难点,在学生困难的时候提供必要的引导.在项目展示评价时要不拘一格,加强正面引导,在确保安全的前提下允许“试错”,对有些“超纲”内容适当“容忍”,有些项目所用知识和能力并不限于考纲或课程标准要求,甚至有一些跨学科内容,重要的是要利于激发学生深度学习的发生,提升学生学科核心素养.