高中物理電學實驗設計能力培養(yǎng)的教學策略

電學實驗是高中物理教學內(nèi)容中十分重要的一個版塊，對于培養(yǎng)學生科學探究、發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力具有重要意義。傳統(tǒng)的電學實驗教學往往是由教師主導的，教師先進行演示，學生只進行觀看，然后學生需要按照教師的指令進行實驗，這種實驗教學方式限制了學生的創(chuàng)新思維和實踐能力的發(fā)展。想要改變這一現(xiàn)狀，教師必須轉(zhuǎn)變實驗教學理念和方法，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，引導學生基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、自主制定實驗方案、獲取和處理信息，鼓勵學生從多角度思考實驗的可能性，設計出更安全的、更精確的、更有創(chuàng)意的電學實驗，從而促進物理學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。一、實驗設計的基本概述1.實驗設計的概念。實驗設計是指實驗者依據(jù)實驗目的，運用物理原理和實驗技能，借助一定的實驗儀器，嚴格尊重實驗要求，探究實驗操作的活動。具體包括實驗方案設計、實驗流程和步驟的設計、實驗改進方法的設計等。實驗設計是物理實驗的基礎，也是核心，為實驗提供了理論支撐和行動依據(jù)。其中實驗方案和實驗原理二者是相輔相成、密不可分的關系，一切物理實驗方案的設計都應該圍繞著一定的物理實驗原理展開。設計的實驗計劃要充分符合現(xiàn)有實驗室和實驗儀器的要求，選擇最適合的操作方法，這樣才能從實驗中獲得更加準確的、具體的實驗結(jié)果。在設計實驗過程中，可能會遇到一些要求精準測量的數(shù)據(jù)，這就需要實驗設計者將各種實驗理念相融合，對實驗過程和實驗結(jié)果進行全方位的、科學合理的預測，并且提出針對性的解決方案。2.實驗設計思想。不論是演示實驗、課外實驗還是分組實驗，在實驗儀器配備、操作、數(shù)據(jù)采集和分析等各個環(huán)節(jié)都蘊藏著豐富的實驗思想。比如，類比思想、替代思想、轉(zhuǎn)化思想、放大思想等，只有靈活運用這些實驗設計思想，才能設計出更加符合實驗要求的、精巧具體、科學合理的實驗。二、電學實驗設計1.基本原則。（1）安全性。電學實驗需要進行通電，當電路選擇不正確、實驗儀器選擇不正確時都會對實驗儀器和人身安全產(chǎn)生威脅，儀器可能會損壞嚴重，實驗人員也有遭受電擊的危險。所以進行電學實驗，首先要保證實驗的安全性和可靠性，保證實驗儀器不受到損害，人身安全不受到威脅，這也是實驗成功的基礎。（2）科學性。電學實驗設計一定能夠反映真實的物理本質(zhì)，實事求是，不能存在弄虛作假，保證實驗原理的選擇無誤，實驗操作準確無誤，實驗儀器選擇無誤。（3）精確性。物理實驗結(jié)果追求精準、具體、有價值，所以在電學實驗設計環(huán)節(jié)就應該追求精準性，選用優(yōu)質(zhì)的實驗儀器和最規(guī)范的實驗操作，控制誤差，保證實驗的精準度。因為電學實驗很多情況會因為一些細微的因素產(chǎn)生誤差，這時實驗人員需要對誤差進行科學分析，做出最科學的解釋，也可以進行多次反復測量，去平均值，保證實驗誤差最小。（4）便捷性。在保證安全性和精準性的基礎上，應該采用最為簡便的、最容易操作的實驗器材和實驗操作方法。比如，在電路實驗中，選用滑動變阻器可以省去了更換電阻的操作，也可以有效控制電流。（5）經(jīng)濟性。實驗人員應該具有節(jié)約資源和保護環(huán)境的意識，盡量選用節(jié)能環(huán)保綠色的實驗材料，在合理范圍內(nèi)降低實驗成本。（6）趣味性。用于教學的電學物理實驗應該符合趣味性原則，可以以學生在生活中常見的，或者親身經(jīng)歷、親眼看到的物理現(xiàn)象和物理原理為基礎進行實驗，盡量選用生活中的實驗素材，這樣更容易激發(fā)學生的探索欲望，主動投入到實驗中，也更容易理解其中的實驗原理。2.基本思路。首先，根據(jù)實驗探究的目的與所給條件，構建實驗模型，確定合適的實驗原理，所需的器材及相應的規(guī)格。其次，確定控制電路（分壓或限流）和測量電路（內(nèi)接或外接）。再次，根據(jù)器材的規(guī)格（電表的量程、內(nèi)阻等），確定是否要采用特殊的設計方法，如是否要改裝、擴程、保護等，并思考如何減小或消除系統(tǒng)誤差。最后，統(tǒng)籌考慮各方面因素和條件，設計實驗步驟和操作流程。三、創(chuàng)新高中物理電學實驗設計的策略分析1.運用信息技術手段。高中階段的物理電學的教學內(nèi)容更抽象、更復雜，難度也更大。在設計電學物理實驗的時候，需要考慮的條件也更多。這就需要教師提前對物理實驗的原理和過程進行詳細的說明，引導學生討論分析，建立電路模型，確定實驗原理和控制電路。我們可以巧妙運用多媒體設備落實可視化教學，通過展示圖片、動畫、視頻、計算機采集與處理數(shù)據(jù)的方式使教材中的物理原理活起來，將抽象難懂的物理知識形象化、具體化，使學生可以更好地、更準確地模擬電學實驗情境，預測實驗過程中的可能情況，設計出更加安全、精準的實驗計劃，也可以在潛移默化中培養(yǎng)學生的實驗設計能力。例如，在“科學測量：金屬絲的電阻率”實驗中滑動變阻器要用限流式接法，而在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中滑動變阻器要用分壓式接法，分壓式接法與限流式接法在對電路的控制作用上有什么區(qū)別，基于實驗目的與器材確定滑動變阻器的接法，以及分壓式接法時滑動變阻器的規(guī)格等等問題都是教學的難點。我們可以運用信息技術手段努力突破教學難點：如通過數(shù)據(jù)采集器和計算機軟件處理，探究“改變分壓器的電阻大小時被測電阻上的電壓變化情況”，作出相應的曲線，得出“滑動變阻器相對于被測電阻越小，被測電阻上得到的電壓圖線線性越好，越便于調(diào)節(jié)”的結(jié)論，這樣既便捷又有說服力。2.明確實驗設計目的。明確實驗目的是進行物理實驗設計的基礎和關鍵，也是影響實驗器材的選擇、實驗步驟和實驗方法的關鍵因素，所以我們應該鼓勵學生自主設計實驗計劃，根據(jù)給出的提問，思考為什么做、怎么做，理清實驗思路，要求學生圍繞著實驗目的，結(jié)合實驗原理，選擇實驗器材，設計實驗計劃，這樣才能更好保證實驗計劃是與實驗原理相符合，是符合實驗室規(guī)定的，從而有效培養(yǎng)學生的電學實驗設計能力。例如，在進行“科學測量：金屬絲的電阻率”的教學時，需要用“伏安法”測電阻。在學生自主設計實驗計劃前，應明確本實驗的目的是測量金屬電阻率，且掌握螺旋測微器的測量原理和讀數(shù)方法，基本原理是歐姆定律和電阻定律，運用的方法是伏安法測電阻。接下來，鼓勵學生圍繞實驗目的設計實驗思路，明確求什么、測什么、怎么測、用什么測、怎么減小誤差等問題，選擇實驗器材，設計實驗電路。圍繞著同樣測電阻的目的，教師也可以改變實驗條件，如無合適量程的電流表，是否可以用兩個電壓表來測電阻，這一條件下，對電壓表有何特殊要求，所需的滑動變阻器規(guī)格與接法又要做怎樣的改變，組織學生進行相關的“伏伏法”或“安安法”測電阻的實驗，通過實驗原理的遷移培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。3.體會實驗設計思想。每一個物理實驗都有其獨特的實驗設計思想，成功的物理實驗設計充分體現(xiàn)了實驗設計者對已掌握的物理知識的靈活應用能力和創(chuàng)造性思維。教學中應分析領會實驗設計思想，并在新的實驗中遷移運用。比如，替代是一種重要的實驗設計思想，用已知的變量去代替未知的變量，保證實驗可以保持同樣的狀態(tài)和效果，從而得出待測量。替代實驗需要通過一個中間載體將未知量與標準量建立起聯(lián)系，再通過把控精準的實驗儀器，保證替代的等效性。此外還有圖表法、極限思維法、整體法等實驗設計思想。應該引導學生在設計電學實驗計劃的時候，應該根據(jù)實驗目的，選擇合適的物理實驗計劃，從而有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、邏輯分析能力和實驗設計能力。如圖，這是為了研究小燈泡伏安特性設計的一個電路（2020年高考全國Ⅱ卷），其中包含的設計思想是：實驗未提供電壓表，已知內(nèi)阻的兩個電流表均可發(fā)揮電壓表的作用，但量程均小于小燈泡的額定電壓，所以要用電流表A1與定值電阻R0串聯(lián)改裝成合適量程的電壓表。同時因為改裝的電壓表支路電流可讀，用I2-I1可得小燈泡的真實電流，從而消除“伏安法測電阻”中，電流表外接電壓表分流造成的系統(tǒng)誤差。這其中的“改裝替代”及“利用串并聯(lián)電路特點消除系統(tǒng)誤差”的設計思想，是值得深入分析并在具體的設計問題中遷移運用的。同樣的，以“電阻的測量”為核心的測量方法有“伏安法”“伏伏法”“安安法”“替代法”“半偏法”“電橋法”等，每一種方法都包含深刻的設計思想，在明確設計思想的基礎上進行拓展變化、包括相應的誤差分析以及提高測量精度的改進辦法，達到提高學生實驗設計能力的目的。4.改變實驗設計條件。通過實驗條件的改變，設計符合要求的實驗方案，有助于深化實驗原理的理解，提升分析問題解決問題的能力。例如，在“科學測量：電源的電動勢和內(nèi)電阻”教學中，實驗的基本原理是閉合電路歐姆定律E＝U＋Ir，式中U為路端電壓、I為經(jīng)過電源的電流，如果有電壓表、電流表，再加滑動變阻器即可實現(xiàn)多次測量（此為伏安法）。從理論上說只需測出U、I兩組數(shù)據(jù)，就能求得電動勢和內(nèi)電阻，但顯然偶然誤差較大。實際實驗中是采用圖線法進行數(shù)據(jù)處理，通過繪制電源的U-I圖像，所畫出圖線的延長線與U軸的交點就等于電動勢E，圖線斜率絕對值等于電源內(nèi)阻r?！胺卜ā睖y電動勢和內(nèi)阻有1、3兩種電路，通過“圖線修正法”（分別對應圖2、圖4）分析可知，圖1電路誤差來源為電壓表分流，所測的電動勢E和內(nèi)阻r均偏小。圖3電路誤差來源為電流表分壓，所測的電動勢與真實值相等，所測的內(nèi)阻偏大，實際等于電源內(nèi)阻和電流表內(nèi)阻之和。圖1圖2圖3圖4根據(jù)實驗條件的變化，需要做不同的方案設計：（1）若測量對象為實驗室內(nèi)阻較小的干電池，因其內(nèi)阻與電流表內(nèi)阻接近，為了減小測量相對誤差，應采用圖1電路。（2）若測量對象為內(nèi)阻較大的電池（如試題常見的水果電池），應采用圖3電路，此時所測的電動勢是準確的，所測的內(nèi)阻雖偏大，但相對誤差很小。（3）若圖1實驗中發(fā)現(xiàn)電壓表示值變化范圍很窄，這個問題怎么解決？原因在于電源內(nèi)阻太小，可設計圖5電路解決。圖5（4）若未提供電壓表，為了解決測電壓的問題，需將滑動變阻器換成電阻箱，采用“安阻法”測量，設計如圖6電路，實驗原理為E＝IR＋Ir。實驗的誤差來源仍為電流表分壓，故誤差情況與圖3電路相同。圖6圖7綜上所述，電學實驗是高