借鑒多種版本教材優勢，嘗試“電阻定律”創新教學

●施堅

“電阻定律” 是高中物理一個重要的電路定律，國內“人教版”、“魯教版”、“滬教版”和“粵教版”等多個版本對該內容的處理方式和方法有著較為明顯的差異不盡相同。

一、多種版本教材的比較

首先，實驗方案和電路的選擇上多種版本教材的指引詳略不一。 其中滬教版要求學生“設計實驗方案，擬定實驗步驟”，列出了數據記錄表；人教版給出兩個探究方案，一個是實驗探究方案，另一個是理論探究（邏輯推理）方案，其中實驗探究方案給出了簡要的實驗方法， 而理論探究方案則顯得非常的消息；粵教版更是一份完整的實驗報告，只需學生按照實驗步驟操作即可；魯教版指引學生一步一步操作，包括數據采集、數據記錄和數據處理。 相比較而言，滬教版和人教版顯得更為強調學生的實驗創新、設計能力的挖掘， 其中人教版還注意到實驗探究的局限性，鼓勵學生進行理論探究。而粵教版和魯教版則似乎關注到了中學生在實驗探究和創新的能力有限的現實，更多的是鼓勵學生體驗實驗的過程，其中粵教版的指引最詳細， 包括諸多基本環節有： 提出問題、猜想與假設、制定計劃和設計實驗、進行實驗和分析論證、評估和交流。

其次，多種版本教材對實驗數據采集和處理的方法的差異最為顯著，也從另一個側面體現了物理思維的靈活性和多樣性。滬教版教材電阻的測量采用多用電表，但沒有提供實驗電路圖。粵教版和魯教版使用了常規的伏安法(如圖1)，而人教版教材則頗具創新的使用了串聯電路中的電壓比例法(如圖2)。而在長度測量、 橫截面積的測量或者數據處理方法上多種版本教材都或多或少地比例法， 都有著追求最小實驗繁瑣度的目標， 其中魯教版的數據處理方法使用了圖像法。 而在教材的最后部分都對分析結論做了詳細的表述， 并對電阻率與溫度的關系做進一步的介紹，只是側重點有所不同（如表1）。

表1

最后，多種版本教材在學生學科知識鋪墊上也有較大差異。 滬教版是在學習了“多用電表”，“探究電流、電壓和電阻的原因”兩部分內容之后安排學習“電阻定律”，顯得知識點和規律的運用比較自然。粵教版和魯教版安排上則顯得有些唐突， 或者安排在電路這一章第一節， 或者僅安排在電流概念的學習之后；人教版則是在學習了導體中的電場和電流、電動勢、歐姆定律、串并聯、焦耳定律等5 節知識后學習“電阻定律”，但仍在多用表一節之前。

二、多種教材可借鑒之處分析

滬教版的實驗探究最具開放性，無論是猜想和假設，還是設計實驗和實驗操作步驟都由學生來完成，所以筆者在教學中大膽實踐滬教版的開放性學生實驗探究設計。人教版教材處理與中學教學最貼切，既兼顧長度測量、橫截面積、電阻測量的方法等知識的全面掌握，也考慮了實驗探究和理論探究的多樣性，并安排了探究活動的體驗方案，切合中學教學的實際，具有極強的可操作性，所以筆者在教學中主要借鑒人教版的教學思路。 粵教版教材從呈現的內容來看是讓學生體驗探究活動， 它將實驗探究的每一個環節，包括操作步驟都詳細地列出來，利于學生在系列的探究活動中領悟和掌握實驗探究的要領，但也有不利于學生自主和創新能力培養之嫌，所以筆者在教學中主要是在學生給出實驗設計方案后， 教師通過學案或多媒體投影的形式指導學生詳細操作要領。

三、“電阻定律”創新教學過程

（一）引入

師：演示1 節南孚電池短接兩張剪有細窄條的錫箔紙，發現錫箔有燃燒的火星，甚至被點燃。如何解釋這一現象（如圖 3）？

目的：該情境的引入意在引起學生的好奇，引起認知沖突，并引出課題：電阻定律。

（二）猜想

師：有哪些影響導體電阻的因素？

目的：啟發學生猜想導體電阻的決定因素，鼓勵學生回憶初中知識，并適當發散其他可能因素，而不局限于長度、橫截面積、材料三個因素，為課堂結束時鼓勵學生關注高新科技，比如超導、“巨磁電阻”效應等，使物理課堂得到延伸。

（三）定性演示驗證學生的猜想

裝置：水槽、兩塊銅片、一個帶有兩夾子的多用電表、鹽水、硫酸銅溶液（如圖4）。

現象：當銅片也部分沒在鹽水中，向槽中繼續加鹽水時，可以明顯的看出歐姆表上的示數在變小。

解釋： 向槽中加鹽水引起了導體橫截面積的變大，說明導體的橫截面積越大，電阻越小。

現象：當兩銅板間距增大時，可以明顯的看出歐姆表上的示數在變大。 解釋：銅板間距增大就是導體變長了，說明導體的長度越大時，電阻越大。 并要求同學記下當時的阻值。

現象： 當把鹽水更換為等體積的硫酸銅溶液， 電阻明顯不同，說明與材料有關。

目的：讓學生體會猜想需要實驗的驗證，而按照人類的認知規律，應該先是定性驗證，該實驗都增加學生的定性感受，增加學生的物理體驗和興趣度， 避免一上來就是冷冷的數據性實驗。因為筆者已前置安排多用電表及其應用的學習，學生對該實驗探究并不顯得陌生。

（四）二次猜想

師：請大家猜想導體的電阻與長度、橫截面積之間可能存在怎樣的定量關系呢？

目的：引導學生從長度和橫截面積兩個角度猜想，即是 R∝L 還是 R∝L2或者 R∝L3，等等；是 R∝或者等等。 有了前面定性驗證實驗，到此的二次猜想顯得自然而有據。

（五）定量探究實驗

師：導體的電阻與幾個因素有關，那我們應該使用什么方法進行探究呢？ 并具體說明探究方案。

目的：引導學生回憶討論某應變量與其他多個變量間的關系時要使用控制變量法， 并能據此聯想到伏安法（圖1）或萬用表測量法。

目的：讓學生靈活應用前面剛學過的串并聯知識，聯想在串聯電路中電阻之比等于電壓之比(圖2)，簡化實驗測量，真正做到學以致用。

師：請同學們分成兩大組分別設計測量數據的記錄表（如表2），并簡述測量步驟。

表2

目的：讓學生領悟和掌握實驗探究的要領，教師并注意傾聽并予以悉心指導，比如實物展示電阻絲的串聯可以通過電阻板背面連接導線來實現器材的改良（圖5），和用學案或多媒體投影的形式呈現實驗電路圖（圖6）和操作步驟。

師：除開同學們利用傳統實驗器材設計的實驗方案外，還可以使用先進的傳感器來完成探究。

目的：安排“用傳感器探究電阻定律”的學生實驗，讓學生親身體會高科技應用于物理教學的便捷，即用電壓、電流傳感器快速獲得各次實驗的電壓、電流數據，并應用傳感器附帶軟件或EXCEL 快速處理獲得電阻R 的數值以及1/D、1/D2等數值， 并繪制R_L（如圖 8）、R_D、R_1/D、R_1/D2的關系圖像。并通過測得數據的對比得出電阻R 與材料有關的結論。

師：繪制R_D 圖像后，同學們發現有點像雙曲線的一支，但也有可能R_D2才是雙曲線的一支，我們需要更能說明問題的圖像來體現正、反比關系？當然也有學生首先討論的即是R_D2圖像，因為可能聯想到截面積是

目的：讓學生體會數據處理中的圖像特征，尤其是說明反比關系最好的方法設置變量的倒數，并通過過原點的直線的正比圖像來體現。 比如讓學生從R_D 聯想到R_1/D，而當學生看到R_1/D 是一條過原點的類拋物線，比較容易想到離正確的結論不遠了，完全可能去試探R_1/D2是不是一條過原點的直線（如）圖9。 探究的過程意在讓學生最終得出R_L和R_1/S 的結論，并寫出為比例系數）。

(六)理論探究

師：實驗能讓我們發現很多物理規律，但有限的數據有其局限性，要讓結論更具說服力和普遍性，需要理論驗證，或者說邏輯推理。

目的：培養學生對事物的辯證觀點，并用前面所學串并聯知識創造性地得出電阻定律規律， 教師最后把邏輯推理過程加以投影：

（1）將一根長L 的導體均分為若干等份，等效于若干個電阻串聯，則R=R1+R2+R3+…Rn。

?

(2)將若干個完全相同的導體并在一起，等效于若干個相同電阻并聯，則

?

（七）電阻率

目的：讓學生聯想到材料是K 這個比例系數真正原因， 而物理意義顯然是不同的材料對電流有不同的阻礙能力，據此教師可引入電阻率的概念。

師：很多時候某種材料的電阻率并非確定不變，隨著材料所處環境的溫度、 電磁環境不同電阻率可能出現改變， 而金屬的電阻率隨溫度的改變我們通過一個傳感器實驗來展示。

目的：通過傳感器電壓、電流采集器軟件每隔兩秒鐘自動實時獲取加熱的金屬絲的電壓、 電流數據（如圖10），并使用傳感器軟件得出實時阻值（R=U/I）來體現溫度對金屬的電阻率的影響， 克服了以往燈泡亮暗的定性感受，轉化為定量數據更具說服力。至此，投影各種材料溫度影響電阻率的表格，闡述標準電阻和電阻溫度計的由來。 并鼓勵學生課后關注和收集有關超導、半導體、巨磁，阻的相關材料，更多地了解各種材料的電阻率及其影響因素， 并投影相關網址，讓課堂得到延伸和拓展。