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本次教学内容在教材中没有专门的一节内容相对应,在高中物理选修3—1中第二章第三节“欧姆定律”中“问题与练习”(涉及电流表内外接的问题)、第六节“电阻定律”(涉及分压式电路问题)中都有涉及。本次教学中要解决的问题是教师根据“测电阻”这一问题比较灵活的特点而自主整合的一节教学内容。
根据欧姆定律可知R=U/I,只要测得电阻两端的电压U及流过电阻的电流强度I,就可以得到电阻的阻值。实际测量时,由于电压表内阻的分流及电流表内阻的分压不可避免的存在,因此需要根据测量电阻阻值的不同,适当地进行实验电路的设计,以尽量减少电压表内阻的分流及电流表内阻的分压给测量带来的系统误差。常见的连接方式有“电流表内接”和“电流表外接”两种。为了实现实验中电压U及电流强度I的调节,电路中还需要接入滑动变阻器,可以采用“串联的限流式”和“并联的分压式”。
根据上述的分析,不难看到实验可以参考的电路有四种组合,分别是“限流内接”、“限流外接”、“分压内接”、“分压外接”(电路原理图略)。
围绕这上述四个实验方案的探究,构成了此次学习活动的中心问题。四种方案是并列的关系,可以作为学习活动的起始问题,不影响学习活动的质量,因此可以提出“如何根据提供的实验器材测量待测电阻的阻值”这样的问题,让学生自由选择参与学习活动的切入口,在“自行设计方案”、“评估他人方案”、“总结一般规律”的程序引导下,达到实现相同的学习效果的目的,这是一种殊途同归的非线性教学设计方法的一次有益尝试。
这个教学设计的流程如下图所示:
教学目标
知识与技能:能够准确地说出电流表、电压表对电阻测量的影响;能准确表述滑动变阻器的两种功能,并能准确地在电路图上画出相对应的连接线;能分析伏安法测电阻中的误差情况;能够准确画出四种伏安法测电阻的对应电路图。
过程与方法:学会电学实验电路设计中以滑动变阻器为中心的两种设计的基本思路,即限流和分压;能辨别限流式与分压式电路;能在一些具体情景中准确选择内接、外接的接法。
情感、态度与价值观:在探究活动中感悟探究的乐趣;增强对科学探究的兴趣。
教学过程
1.“学习任务”的布置
整个学习活动是在网络环境下展开的,网络学习环境中包含的学习活动栏目有“学习任务”、“探究方案”、“方案展示评估”、“规律总结”、“活学活用”、“交流讨论”等六个板块。
设计意图:采用网络化课案的方式,布置此次学习活动的学习任务。网络环境更便于提供必要的学习资源支持,特别是四个实验电路的设计。如果采用“黑板 粉笔”的传统教学方式进行,不易实现学生探究活动的有效展开,不利于不同方案的交流、评估,时间上也不允许。
2.“探究方案”的展开
利用“仿真实验室”软件开发了一个模拟探究的实验环境(图1),学生可以在线以“所见所得”的直观方式进行实验方案的探究活动。
师:请同学们在刚才对欧姆定律复习的基础上,选择界面上的一个待测电阻,设计一种测量其电阻的电路。
学生设计出的测量电路只出现了“限流外接式”和“限流内接式”。
师:请第6小组的同学(“限流外接式”,待测电阻1Ω)将模拟测量的结果告诉大家。
生:当待测电阻的电压是0.40V时,电流是0.42A,按照欧姆定律算出的电阻结果是0.95Ω。
师:请第13小组的同学(“限流内接式”,待测电阻1Ω)将模拟测量的结果告诉大家。
生:当待测电阻的电压是0.50V时,电流是0.42A,按照欧姆定律算出的电阻结果是1.19Ω。
(其他小组选择100Ω电阻的测量情况略)
师:待测电阻的真实值是1Ω,两个小组的测量值一个偏大,一个偏小,这是什么原因呢?
生:“限流外接式”时,电流表测量的是待测电阻和电压表的电流和,所以偏大,计算的结果就偏小。
师:那么对于“限流内接式”,如何分析呢?
生:“限流内接式”时,电压表测量的是待测电阻和电流表的电压和,所以偏大,计算的结果就偏大。
师:我们来一起观察第6小组的同学(“限流外接式”,待测电阻1Ω)设计的电路,当移动滑动头的时候,待测电阻上的电压的变化范围比较小,还不到1V,这样在实际的测量实验中对采集待测电阻的电压带来一定的不便,那么,如何来解决这个问题呢?
设计意图:通过这个环节,充分利用“仿真实验室”提供的探究环境,学生可以尝试自己的各种想法。在教师的引导下,学生尝试滑动变阻器的分压式连接。
3.方案的展示、评估
在这个环节里,学生可以很方便地将自己的设计方案发布在网络课件上,供其他同学评估、借鉴。这是整个学习活动的主体部分,通过学生间不同方案的交流,相互借鉴、相互促进,最终达到共同理解、共享智慧的目标。
设计意图:每个学生设计的方案,走过了不同的设计过程,有的学生可能得到了一种方案,有的学生可能得到多种方案,但所有的方案实际上都会包含在四种结果之中。当四种结果逐步浮出水面时,正是学习活动达到目的之时。教师在整个过程中的帮助、引导,也是在与学生的共同活动中完成的,可谓是“润物细无声”。
4.规律总结
师:请设计了“内接式”电路的小组,看看其他选择了另一个待测电阻的小组的测量结果,总结一下该种电路的适用条件和测量误差上的规律。
生:不管滑动变阻器是限流式,还是分压式,只要是内接式的测量电路,测量结果都是偏大的。当待测电阻越大时,测量值越接近真实值,相对误差比较小。
师:请设计了“外接式”电路的小组,看看其他选择了另一个待测电阻的小组的测量结果,总结一下该种电路的适用条件和测量误差上的规律。
生:不管滑动变阻器是限流式,还是分压式,只要是外接式的测量电路,测量结果都是偏小的。当待测电阻越小时,测量值越接近真实值,相对误差比较小。
设计意图:这里充分利用了网络环境的交互功能。教师要求学生将8种方案的模拟测量结果发布在网络上,将8种结果分成“内接”和“外接”,从适用条件、系统误差分析等方面进行总结,得出结论。
5.活学、活用
教师编制了一组在线的练习题,学生可以在线练习,提交后即时得到反馈信息,包括个体的应答错误信息、帮助信息、班级群体的应答情况信息等。另外,提出了一些与学生们的实际生活紧密联系的电路问题,利用“仿真实验室”来完成的电路设计任务。
教学反思
1.本节课打破了传统教学设计中学习活动单向的线性进程,这样的教学设计更适合于在网络环境下完成。非线性的过程恰恰是网络环境的特性所在,也可以说,网络环境为非线性的教学设计提供了可靠的技术保障。
2.非线性教学设计更突出了学生在学习活动中的主体地位。网络课案中只提供了学习活动要完成的明晰任务,没有提供一条固定的学习路径,每个学生的学习活动进程完全掌控在自己的手中。无论学生对问题理解的对错都真实地反映在他提交的学习作品(设计的电路方案)上,实际上是用网络这一特殊工具记录了学生思维发展、变化的过程。
3.仿真实验室软件是学习活动展开的舞台。我在开发的电路设计环境中,只是提供了问题中涉及的基本元器件,学生可以通过鼠标的简单操作完成自己的设计过程。
4.在这样的学习活动展开的过程中,不是教师的主导作用削弱了,而是教师面临的挑战更艰巨了。教师要融入学生的探究活动中去,及时给予启发、帮助,挑起思维上的冲突,显然,这样的作用不是凸现的,而是隐性的。
(作者单位:江苏常熟市教育局教科室)
根据欧姆定律可知R=U/I,只要测得电阻两端的电压U及流过电阻的电流强度I,就可以得到电阻的阻值。实际测量时,由于电压表内阻的分流及电流表内阻的分压不可避免的存在,因此需要根据测量电阻阻值的不同,适当地进行实验电路的设计,以尽量减少电压表内阻的分流及电流表内阻的分压给测量带来的系统误差。常见的连接方式有“电流表内接”和“电流表外接”两种。为了实现实验中电压U及电流强度I的调节,电路中还需要接入滑动变阻器,可以采用“串联的限流式”和“并联的分压式”。
根据上述的分析,不难看到实验可以参考的电路有四种组合,分别是“限流内接”、“限流外接”、“分压内接”、“分压外接”(电路原理图略)。
围绕这上述四个实验方案的探究,构成了此次学习活动的中心问题。四种方案是并列的关系,可以作为学习活动的起始问题,不影响学习活动的质量,因此可以提出“如何根据提供的实验器材测量待测电阻的阻值”这样的问题,让学生自由选择参与学习活动的切入口,在“自行设计方案”、“评估他人方案”、“总结一般规律”的程序引导下,达到实现相同的学习效果的目的,这是一种殊途同归的非线性教学设计方法的一次有益尝试。
这个教学设计的流程如下图所示:
教学目标
知识与技能:能够准确地说出电流表、电压表对电阻测量的影响;能准确表述滑动变阻器的两种功能,并能准确地在电路图上画出相对应的连接线;能分析伏安法测电阻中的误差情况;能够准确画出四种伏安法测电阻的对应电路图。
过程与方法:学会电学实验电路设计中以滑动变阻器为中心的两种设计的基本思路,即限流和分压;能辨别限流式与分压式电路;能在一些具体情景中准确选择内接、外接的接法。
情感、态度与价值观:在探究活动中感悟探究的乐趣;增强对科学探究的兴趣。
教学过程
1.“学习任务”的布置
整个学习活动是在网络环境下展开的,网络学习环境中包含的学习活动栏目有“学习任务”、“探究方案”、“方案展示评估”、“规律总结”、“活学活用”、“交流讨论”等六个板块。
设计意图:采用网络化课案的方式,布置此次学习活动的学习任务。网络环境更便于提供必要的学习资源支持,特别是四个实验电路的设计。如果采用“黑板 粉笔”的传统教学方式进行,不易实现学生探究活动的有效展开,不利于不同方案的交流、评估,时间上也不允许。
2.“探究方案”的展开
利用“仿真实验室”软件开发了一个模拟探究的实验环境(图1),学生可以在线以“所见所得”的直观方式进行实验方案的探究活动。
师:请同学们在刚才对欧姆定律复习的基础上,选择界面上的一个待测电阻,设计一种测量其电阻的电路。
学生设计出的测量电路只出现了“限流外接式”和“限流内接式”。
师:请第6小组的同学(“限流外接式”,待测电阻1Ω)将模拟测量的结果告诉大家。
生:当待测电阻的电压是0.40V时,电流是0.42A,按照欧姆定律算出的电阻结果是0.95Ω。
师:请第13小组的同学(“限流内接式”,待测电阻1Ω)将模拟测量的结果告诉大家。
生:当待测电阻的电压是0.50V时,电流是0.42A,按照欧姆定律算出的电阻结果是1.19Ω。
(其他小组选择100Ω电阻的测量情况略)
师:待测电阻的真实值是1Ω,两个小组的测量值一个偏大,一个偏小,这是什么原因呢?
生:“限流外接式”时,电流表测量的是待测电阻和电压表的电流和,所以偏大,计算的结果就偏小。
师:那么对于“限流内接式”,如何分析呢?
生:“限流内接式”时,电压表测量的是待测电阻和电流表的电压和,所以偏大,计算的结果就偏大。
师:我们来一起观察第6小组的同学(“限流外接式”,待测电阻1Ω)设计的电路,当移动滑动头的时候,待测电阻上的电压的变化范围比较小,还不到1V,这样在实际的测量实验中对采集待测电阻的电压带来一定的不便,那么,如何来解决这个问题呢?
设计意图:通过这个环节,充分利用“仿真实验室”提供的探究环境,学生可以尝试自己的各种想法。在教师的引导下,学生尝试滑动变阻器的分压式连接。
3.方案的展示、评估
在这个环节里,学生可以很方便地将自己的设计方案发布在网络课件上,供其他同学评估、借鉴。这是整个学习活动的主体部分,通过学生间不同方案的交流,相互借鉴、相互促进,最终达到共同理解、共享智慧的目标。
设计意图:每个学生设计的方案,走过了不同的设计过程,有的学生可能得到了一种方案,有的学生可能得到多种方案,但所有的方案实际上都会包含在四种结果之中。当四种结果逐步浮出水面时,正是学习活动达到目的之时。教师在整个过程中的帮助、引导,也是在与学生的共同活动中完成的,可谓是“润物细无声”。
4.规律总结
师:请设计了“内接式”电路的小组,看看其他选择了另一个待测电阻的小组的测量结果,总结一下该种电路的适用条件和测量误差上的规律。
生:不管滑动变阻器是限流式,还是分压式,只要是内接式的测量电路,测量结果都是偏大的。当待测电阻越大时,测量值越接近真实值,相对误差比较小。
师:请设计了“外接式”电路的小组,看看其他选择了另一个待测电阻的小组的测量结果,总结一下该种电路的适用条件和测量误差上的规律。
生:不管滑动变阻器是限流式,还是分压式,只要是外接式的测量电路,测量结果都是偏小的。当待测电阻越小时,测量值越接近真实值,相对误差比较小。
设计意图:这里充分利用了网络环境的交互功能。教师要求学生将8种方案的模拟测量结果发布在网络上,将8种结果分成“内接”和“外接”,从适用条件、系统误差分析等方面进行总结,得出结论。
5.活学、活用
教师编制了一组在线的练习题,学生可以在线练习,提交后即时得到反馈信息,包括个体的应答错误信息、帮助信息、班级群体的应答情况信息等。另外,提出了一些与学生们的实际生活紧密联系的电路问题,利用“仿真实验室”来完成的电路设计任务。
教学反思
1.本节课打破了传统教学设计中学习活动单向的线性进程,这样的教学设计更适合于在网络环境下完成。非线性的过程恰恰是网络环境的特性所在,也可以说,网络环境为非线性的教学设计提供了可靠的技术保障。
2.非线性教学设计更突出了学生在学习活动中的主体地位。网络课案中只提供了学习活动要完成的明晰任务,没有提供一条固定的学习路径,每个学生的学习活动进程完全掌控在自己的手中。无论学生对问题理解的对错都真实地反映在他提交的学习作品(设计的电路方案)上,实际上是用网络这一特殊工具记录了学生思维发展、变化的过程。
3.仿真实验室软件是学习活动展开的舞台。我在开发的电路设计环境中,只是提供了问题中涉及的基本元器件,学生可以通过鼠标的简单操作完成自己的设计过程。
4.在这样的学习活动展开的过程中,不是教师的主导作用削弱了,而是教师面临的挑战更艰巨了。教师要融入学生的探究活动中去,及时给予启发、帮助,挑起思维上的冲突,显然,这样的作用不是凸现的,而是隐性的。
(作者单位:江苏常熟市教育局教科室)