以“PBL”為導向,改進多用電表歐姆擋的電路結構

王賢勇

(貴州畢節市第一中學,貴州 畢節 551700)

1 “PBL”簡介

以“PBL”為導向,改進歐姆表的原理教學,培養學生科學探究能力.PBL是Problem-Based-Learning的縮寫,他是指以問題為導向的一種教學方法.強調在真實情境中,以學生為主體、教師為主導、問題為導向來展開教學活動.教師要給學生布置任務或啟發學生發現問題,讓學生置身于真實的情境中去探尋有價值的問題.以小組合作為單位,有自主探究、有合作探究、有交流、有評價,讓學生形成能發現問題、解決問題的能力以及自主學習的能力,一般流程如圖1.[1]

圖1

流程分為4個環節.第1個環節設計的目的是培養學生在真實情境中發現問題的能力.發現問題就是一種創新,發現問題往往比解決一個問題更有價值；第2個環節是培養學生分析問題的能力,尤其是從理論入手構建解決問題的思路；第3個環節設計實驗,解決問題.實驗的設計要兼顧選材方便、操作性強、簡單易懂、針對性強的原則；第4個環節是評估交流,作為教師在這個環節一定要讓學生充分進行交流,最大限度做到:學生匯報、學生評價、學生反思、學生改進、驗證解決.教師只需要有簡短的評價,一個是針對問題的評價,一個是對學生科學態度、科學方法的評價,鼓勵學生大膽去創新,嚴謹去求真.4個環節合成1個不可分割的有機體,培養學生的科學思維和科學探究能力,在科學思維和科學探究中培養學生尊重事實、嚴謹科學的態度.相信經過長期有效的培養,學生定會形成解決物理問題的一套科學方法,形成科學正確的價值觀念.

2 問題提出

筆者事先購置了10個熱敏電阻,常溫下電阻參數是80 Ω.學生們在實驗室測出熱敏電阻的伏安特性曲線如圖2所示.學習完人教社2004版高中物理選修3-1第2章第8節“多用電表的原理”之后,用多用電表的電阻擋來測該元件的電阻,假設用“×1”擋測出的電阻為R1,用“×10”擋測出的電阻為R2,假如不考慮偶然誤差,請從教材歐姆表的電路原理出發比較R1和R2的大小.

圖2

教師引導學生用圖3歐姆擋的電路原理[2]來分析.

圖3

假設接3時為“×1”擋,由歐姆調零時可得改裝電流表滿足

(1)

接入中值電阻R中,半偏得

(2)

由(1)、(2)式可得R中=R內,即中值電阻等于歐姆擋的內阻.

假設接4時為“×10”擋,結合電路結構可知,兩個歐姆擋共用一個電流表,故滿偏電流相同.由(1)式知電源電動勢E與內阻R內成正比,再結合圖3,因為“×10”擋的內阻是“×1”擋的10倍,所以有

E′=10E.

(3)

假設分別用“×1”擋和“×10”擋去測同一個電阻Rx有

(4)

(5)

比較(4)和(5)式可得Ix

教師把指針式多用電表和熱敏電阻發給學生,請學生用對應的歐姆擋測量出相應的電阻,驗證一下理論推導是否正確.當學生測完電阻之后發現,“×1”擋測出的電阻R1小于“×10”擋測出的R2.為什么理論推導與實驗測量不相符合,學生討論、交流、匯報.其中多數學生認為是測量誤差導致的.

教師引導學生打開多用電表的電池蓋,觀察電源的結構,與圖3進行對比,有什么發現?學生經過認真比對終于發現,原來歐姆表內部只有一組電源.教師繼續引導:圖3的設計有什么優點,存在什么缺點?一組電源是如何實現變換歐姆擋的4個擋位的?

3 問題分析

3.1 圖3優點和缺點

優點:有利于理解歐姆擋工作的原理和換擋的原理.

缺點1:用不同的電源,導致多用電表的體積增大,耗材增多,經濟成本上升,同時攜帶、使用都不方便.

缺點2: 由前面(1)、(2)式分析,結合圖3可知,歐姆擋由“×1”擋到“×10”擋,再到“×100”擋,最后到“×1000”擋.假設“×1”擋的電源電動勢為E=3 V,電動勢依次增大為30 V、300 V、3000 V.這么高的直流電動勢,一般的干電池、蓄電池和鋰電池都是無法做到的.那就說明,圖3的設計只有理論意義,不具備可行性原則,所以沒有實際意義和實際價值.

3.2 一電源四擋位設計

教師指導,學生設計與展示,交流評估.圖4-7是筆者在教學中收集學生設計歐姆表的原理圖.

圖4

圖6

圖5設計與圖4類似,不同點是多采用一個并聯電阻.

圖6設計說明:R為可調電阻,類似于電阻箱,但只能調4個電阻值,4個阻值分別與G表并聯,構成4個電流表,再分別與電源E和滑動變阻器一起構成4個擋位的歐姆表.

圖7設計雖然只有2個擋位,但學生能夠根據教材進行創新設計,也是值得鼓勵的.

4 設計應用

5 設計反思

圖8

5.1 創設情境,發現問題,激發興趣

教學中給學生創設的情境必須真實.情境可以來自生產、生活、科技、也可以是學生做過的實驗.筆者之所以安排學生先做熱敏電阻的伏安特性曲線,而且是事先選好熱敏電阻的阻值為80 Ω之內,目的是創設真實情境便于實驗驗證.學完歐姆擋的原理后,當筆者把問題拋給學生之時,學生們興趣盎然、邏輯嚴密地導出“×1”擋測出的電阻R1大于“×10”擋測出的R2.當學生用歐姆擋按題目的要求測量出電阻之后,得出的結論恰好與理論分析的相反.這樣設計的目的是讓理論與實驗沖突,說明理論存在問題,需要修正理論,引出問題.進一步打開多用電表的電池后蓋,學生進一步發現問題.這樣層層遞進的設計,可以起到持續激發學生的學習興趣和求知欲的作用.

5.2 學會質疑,善于猜想,驅動求知

對學生而言,難點在于去理解為什么同一電流表、4個電源改裝的歐姆表在實際應用中不行.因為學生還不知道要生產出幾千伏電動勢的干電池、蓄電池、鋰電池成本極高,也很困難.所以教師可以在學習完“電動勢”那一節書后給學生布置一個任務:在科技報刊、網絡上查詢一下電池的電動勢一般是多大.為后面歐姆表的學習打下基礎.教師引導,讓學生明確任務:同一電源下,要設計4個量程的歐姆擋,那就應該改變電流表的量程.給學生墊上了一塊磚,降低設計難度.經教師畫龍點睛后,放手讓學生去發現、設計、交流.把課堂還給學生,教師做好課堂巡查指導任務,注意發現學生存在的問題,對于“跑偏”的學生,必要時停下來傾聽學生的想法,再進行指導,切勿直接幫助學生給出設計方案.

最好的PBL課堂導向模式是給學生一個真實的情境,讓學生去發現一個或多個有價值的問題,激發學生的探知欲和興趣.然后經過猜想、探究,學生自己設計方案去尋找規律、提煉方法,解決問題.最后學生在評估交流中優化問題、驗證猜想、提高表達能力、增強自信心,成為學習的主人,達到理想學習的境地.