以“問題”為導向關注學科核心素養的教學研究

王泉崴 趙新軍 班月琴

［摘 要］在伏安法測電阻教學活動中，為引發學生深度思考，提高學生分析問題、解決問題的能力，以問題為導向引導學生正確選擇電流表的外接法或內接法，減小實驗測量誤差，這樣既能使學生掌握物理概念，又能培養學生的科學思維能力。

［關鍵詞］問題導向；核心素養；電流表；外接法；內接法

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）05-0062-03

隨著新課改的推進，在物理教學中培養學生物理學科核心素養顯得尤為重要。中學階段是培養學生核心素養的關鍵時期。初中階段利用伏安法測電阻，并沒有考慮電表的阻值對測量電阻的影響，而高中階段，為了更加精確地測量電阻的阻值，本著實事求是、嚴肅認真的科學態度，需要考慮電表的阻值對測量電阻的影響。研究發現電流表采用外接法和內接法測量不同阻值的電阻時，由于選擇電路不同，它們的理論測量結果與真實值的誤差是不同的。為研究方便，針對不同阻值的電阻，分別選擇電流表外接法、內接法進行理論計算，并進行對比分析，得出實驗誤差較小的電流表接法。

在實際教學中，若教師僅通過理論分析，判定電流表的內、外接法，對學生而言，顯得枯燥無味，難以深入理解，也不能有效調動學生思考問題、分析問題、解決問題的積極性。若要提升課堂教學效果，教師可以通過驅動問題，給出具體的電阻數值，對電流表的外接法和內接法進行對比分析，這樣的教學更加直觀、易懂，易于接受。

一、創設驅動問題，提升科學思維

問題1.根據初中學習的物理知識，如何測未知電阻的阻值？請畫出電路圖。

生：利用電壓表和電流表測量電阻，電路圖如圖1和圖2。

師：如果學生畫了其中一個電路圖，可以補充另一個，同時說明圖1中電流表在電壓表的外部稱為電流表外接法，圖2中電流表在電壓表的內部稱為電流表內接法。

以上兩個電路圖都可以利用電壓表和電流表測量電阻的阻值，在初中階段沒有考慮電表的內阻對測量結果的影響，實際上電壓表和電流表都有一定的阻值，并且電壓表的阻值相對較大，電流表的阻值相對較小，它們對電流的測量結果有一定的影響。

問題2.電壓表和電流表的阻值，如何影響測量結果？下面分別用電流表外接法和電流表內接法測量同一個電阻，看結果如何？

生：用外接法和內接法測量電阻時，前后兩次電表的示數不同，說明外接法和內接法對測量電阻有影響。

師：根據歐姆定律[R=UI] ，電表的不同接法測量出的電阻阻值是不同的，說明電表的阻值對電路的測量有影響。由于電阻自身的屬性，每個電阻都有確定的阻值，即電阻的真實值，通過電表測出的阻值是電阻的測量值。

問題3.電表電阻產生影響的原因是什么呢？測量值和真實值的大小又有怎樣的關系呢？同學們可以討論一下，然后一起分析原因。

師生：由于考慮電表的電阻，在圖3中，電壓表和電阻并聯，電壓表的示數是被測電阻[R]的真實電壓，而電流表的示數是電壓表與被測電阻[R]并聯的總電流，實際流過電阻的電流要小于電流表的示數，根據[R測=U測I測]，測量的是電壓表和電阻并聯的總電阻，即[R測=RRVR+RV] 。因此，測量值比真實值要偏小。

在圖4中，電流表和電阻串聯，電流表的示數是被測電阻[R]的真實電流，而電壓表的示數是電流表和被測電阻[R]串聯的總電壓，所以電阻兩端的實際電壓要小于電壓表的示數，根據[R測=U測I測]? ，則[R測=R+RA]。因此，測量值比真實值要偏大。

無論選擇哪種方法測電阻，電壓表和電流表的阻值都是存在的，都會對測量結果產生影響，這種影響是不可避免的。但是選擇的測量方式不同，測量值可能會更接近真實值，這樣就可以有效減小測量誤差。

二、對比分析，提升解決問題的能力

問題4.用電流表的外接法和內接法測電阻時，若電壓表的內阻為1 kΩ，電流表的內阻為0.1 Ω。不考慮實驗操作中的偶然誤差，如果被測電阻[R]的真實電阻分別為1 Ω、5 Ω、10 Ω、50 Ω、100 Ω。測量時，把電壓表示數和電流表示數之比作為電阻的測量值， 得到的電阻測量值各是多少？和真實值相比，測量誤差是多少？分析測量誤差不同的原因。

問題分析1：當被測電阻[R]的真實電阻為[1 Ω]、[5 Ω]時，通過對比電流表外接法（如圖3）和電流表內接法（如圖4）發現，電流表外接時的理論誤差遠小于內接時的理論誤差，選擇外接法測量電阻準確度高，而且選用內接法測得的結果誤差超過了誤差的允許范圍，是不可取的。造成這種結果的原因是，圖3中電流表外接時，電壓表的分流會造成誤差。由于電壓表的阻值遠大于電阻[R]，電阻越大分得電流越小，電流表的示數就更接近流過電阻[R]的真實值，測量誤差就比較小；圖4中電流表內接時，電流表分壓也會產生誤差。因為電流表的阻值并不是遠小于電阻[R]，電壓表的示數就與電阻[R]兩端的實際電壓相差較大，測量誤差就越大，此時就不能采取內接法。

問題分析2：當被測電阻 [R]的真實電阻為[10 Ω]，通過對比電流表外接法（如圖3）和電流表內接法（如圖4）發現，電流表外接時測得電阻的誤差等于電流表內接時測得的電阻誤差，電流表采用內接法或者外接法測量電阻都是可以的。造成這種結果的原因是，圖3中電壓表的分流作用和圖4中電流表的分壓作用造成的測量誤差相等，因此電流表選擇外接法和內接法測電阻都是可以的。

問題分析3：當被測電阻 [R]的真實電阻為[50 Ω]、[100 Ω]時，通過對比電流表外接法（如圖3）和電流表內接法（如圖4）發現，電流表外接時測得電阻的誤差遠大于電流表內接時測得電阻的誤差，所以電流表選擇內接法測量電阻，并且外接法的誤差超過了誤差的允許范圍，是不可取的。造成這種結果的原因是，圖3中電流表外接時，電壓表分流，電壓表的阻值相對電阻[R]而言，電阻越小分得電流越大，電流表的示數與流過電阻[R]電流的真實值相差越大，測量理論誤差就比較大；圖4中電流表內接時，電流表分壓，電流表的阻值相對電阻[R]而言，電阻越小分得電壓越小，電壓表的示數就與電阻[R]兩端的實際電壓越接近，測量理論誤差就越小，此時就應選擇內接法。

問題5. 通過對表1進行對比分析，就可以明白應該怎么選擇電流表的接法。

通過列表對比發現，選用阻值已知的電壓表和電流表測電阻時，待測電阻的阻值大小不同，電流表選擇外接法和內接法測得電阻值的誤差也不同。如果知道待測電阻、電壓表和電流表的大約阻值，則可以通過電壓表的阻值與待測電阻[R]的比值，即[RVR]，凸顯外接時電壓表的分流情況，以及待測電阻[R]的阻值與電流表阻值的比值，即[RRA]，凸顯內接時電流表的分壓情況。

通過比較[RVR]和[RRA]發現，當[RVR?RRA]時，電壓表的分流作用造成的測量誤差明顯比電流表的分壓作用造成的測量誤差小，此時選擇電流表外接法測電阻更精確。

當[RVR?RRA]時，電壓表的分流作用造成的測量誤差明顯比電流表的分壓作用造成的測量誤差大，此時選擇電流表內接測電阻更精確。

利用外接法和內接法，定量計算不同阻值的電阻，計算理論誤差，通過橫向對比測量誤差，得出如何選擇電流表的接法，以減小實驗誤差。

以上結論的得出，是在已知電阻阻值的情況下得出的。實驗前，我們是不知道待測電阻阻值的，我們可以通過“試觸法”大概知道阻值的大小，然后再根據結論選擇電流表的接法，減小實驗測量誤差。

提出問題、分析問題、解決問題是學生認識自然規律的過程和方法，為進一步提升學生物理學科核心素養，引發學生深度思考，在思考解決問題中培養學生的科學思維素養。

該教學，通過學生初中時所學的伏安法測電阻，引出高中階段伏安法測電阻時必須考慮電表的阻值對測量電阻的影響，進而引出電流表的外接法和內接法。本節物理課，從物理學視角出發對伏安法測電阻層層設問，以問題為導向，引導學生分析誤差產生的原因，選擇電流表的外接法和內接法測量不同阻值的電阻，對測量值和真實值進行對比，并分析誤差，進而得出如何選擇電流表的接法，以減小測量誤差。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：2017年版2020年修訂［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］? 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中教科書物理必修第一冊［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］? 黃命軍.高中物理課堂培養學生物理核心素養的途徑研究［J］.數理化解題研究，2020（27）：42-43.

［4］? 李友興.凸顯學科核心素養的高中物理教學策略［J］.物理教學，2020（7）：23-27，29.

（責任編輯 易志毅）