信息技術輔助下的問題導向化實驗教學設計

摘 要：以“測量電源電動勢和內阻”的實驗教學設計為例，通過設置導向化問題，輔以一定的信息技術手段，引導學生參與實驗設計、數據處理以及難點分析，高效完成實驗，精準把握本節課重點內容，體會數理結合的分析方式，感受科技應用的魅力。

關鍵詞：信息技術;問題導向;實驗教學;高中物理

問題導向化教學模式強調教師合理設置問題，學生積極參與解決問題，在解決問題的過程中獲取知識。相較于講授式教學，更加突出學生學習的主動性，并且部分情境式問題的設置，更容易調動學生學習的興趣。信息技術手段在實驗教學中的合理使用，有助于精確處理數據，更高效地完成實驗過程[ 1 ]。本文以入選中央電教館師生信息素養提升實踐活動特色課例的一節課，介紹筆者的應用心得。

1 實驗教學依據

1.1 教材分析及教學重點

本節課選自魯科版（2019）高中物理必修第三冊第四章“閉合電路歐姆定律與科學用電”的第2節內容。這節課內容是通過實驗測量未知電源的電動勢和內阻，不僅是對上一課時學習內容的加深，同時有助于認識電源的特性，以便更加合理地使用電源。通過圖像法的數據處理教學，培養學生數形結合能力及化繁為簡的思維。此外本節課的內容也是高考命題的熱點之一。

在備課過程中，借鑒教師用書及課程標準中的建議，確定本節課的教學重點：（1）測量方案的設計;（2）掌握圖像法處理數據。針對教學重點，具體的解決措施為：通過課前演示實驗把課本中的實驗原理、實驗電路以提出解決方案的形式提出，學生討論、設計實驗方案，并進行可行性分析，激發學生的發散性設計思維[ 2 ]。學生根據自己的設計理念自由選擇實驗方案以及實驗模式，進行實物或是實物模型的實驗探究，再利用中央電教館虛擬實驗室平臺進行實驗數據的采集與處理，高效、快捷地達到本次實驗的目的，使學生明確兩種數據處理方法的利弊，感受科技應用的魅力。

1.2 學情分析及教學難點

通過本章第1節課內容的學習，學生已掌握了閉合電路的基本分析方法，但對于實際電路的分析能力有待進一步加強。另外，對于數據處理，學生較熟悉的是計算法，利用圖像處理數據的準確性與直觀性的培養是本次實驗探究的另一個重要任務。最后，讓學生從探究中觀察現象、發現問題、解決問題，明確實驗器材的選用是本節課的最后一個任務。

因此，本節課的教學難點確立為：（1）測量過程中選擇適用的滑動變阻器;（2）利用圖像法得出實驗結論。解決措施：通過虛擬實驗操作的過程，觀察發現調節不同阻值的滑動變阻器有可能使電壓表、電流的示數明顯改變。而后再通過TI圖形計算機分析判斷實驗器材選取的理由，使學生深刻體會數理結合的研究方法。

2 實驗設計思路及教學目標

2.1 設計思路

實驗教學設計的意圖在于“學以致用”，即學生在實驗測量電源電動勢和內阻時運用、深化已學過的閉合電路歐姆定律知識。在教學中借用創設問題導向的方式，讓學生根據閉合電路歐姆定律相關知識設計實驗電路圖、分析設計圖并選擇最優方案，通過課堂學習掌握高效處理實驗數據方法。利用虛擬實驗室和TI圖形計算器觀察并分析滑動變阻器選擇的依據，引導其對所得結果進行分析、總結。在教師的引導下學生在探索中不但把理論的知識應用于實際，還可以激發他們的學習興趣。

2.2 制定教學目標

（1）物理觀念

理解測量電路中實驗器材的合理選擇與電路設計，掌握數據處理中圖像法的直觀性與準確性，知道閉合電路歐姆定律是用能量的觀點認識自然現象。

（2）科學思維

通過分析電路、求解未知量的過程，認識分析、判斷的研究方法;通過圖像法處理實驗數據以及TI圖形計算機分析判斷實驗器材選取的理由，體會數理結合的研究方法。

（3）科學探究

通過實驗電路設計、實驗器材選取、實驗數據的采集與處理，達到本次實驗的目的，同時對比兩種數據處理方法的利弊。

（4）科學態度與責任

通過實驗操作和實驗器材分析，培養學生實事求是的態度，了解電源在生產、生活中的廣泛應用。同時借助中央電教館的虛擬實驗室平臺，感受信息技術對生產、生活產生的改變，領略科技應用的魅力。

3 教學設計流程（圖1）

4 問題導向化教學過程

4.1 實驗引入

教師通過兩個簡單的演示實驗引出問題：

實驗一：用電壓傳感器粗測一節干電池和水果電池的電動勢，比較電動勢的大小。

實驗二：將這節電池、水果電池分別與小燈泡串聯，觀察小燈泡的發光情況。

導學問題1：電池是如何影響小燈泡的亮暗？

學生討論回答，教師引導得出：電源的特性主要取決于電動勢和內阻。

設計意圖：復習了上一節課閉合電路歐姆定律的相應內容，又強調了本節課測量中的兩個重點項目。

4.2 實驗教學

4.2.1實驗方案的選擇

導學問題2：如何測量電池的電動勢和內阻？請同學根據實驗室提供的器材，設計測量兩節干電池的電動勢和內阻的實驗方案。

設計意圖：激發學生的發散性設計思維，并了解理想環境與真實環境中電表的分析特點。在各小組討論后，教師利用希沃投屏，展示各小組的實驗方案，并邀請小組代表介紹各實驗方案的設計依據，培養學生科學思維和分析能力。教師重點分析以下方案的缺陷，既可加深閉合電路的基礎知識理解，同時讓學生感知實際操作測量中誤差的存在。

重點分析方案：直接用電壓表測電源電動勢（如圖2）、用電流表測得電流值計算出電源內阻（如圖3）。

選擇儀器：電壓表、電流表、電池、開關

學生設想：根據閉合電路歐姆定律常用表達式U=E-Ir，當I=0，U=E。

教師分析：電壓表直接接入電路中時，由于電壓表電阻不是無窮大，因此實際的干路電流不為零，測得的路端電壓小于電動勢的數值。當電池內阻較小，內阻產生的分壓作用較小時，可用這種方式進行電動勢的粗測，但當內阻較大，分壓較大時，測量結果和實際E差距較大，這種方法不可使用。

教師分析：（1）電流表也是有內阻的，測得的電流是小于短路時的最大電流，（2）當總電阻較小，總電流較大，也不利于電源和電表的安全。引導得出“伏安法”測量的實驗方案。

4.2.2數據處理方式的比較

導學問題3：比較數據處理中計算法與圖像法的優缺點。

設計意圖：培養學生分析總結、數理結合的能力，體會圖像法的簡潔功能。

（1）計算法：測量路端電壓和電流，利用U=E-Ir建立方程組求解，測量六組的U-I值，計算出三組E-r。再對三組E-r值求平均。

（2）圖像法：多測幾組數據，畫出圖像，擬合出一條直線（圖4），根據圖像求解。

引導學生得出：圖像法在處理中更有益于減少誤差，且對于實驗數據的得出更直觀、便捷。

4.2.3實驗操作及數據處理

實驗探究一：學生分組根據圖5所示的“伏安法測量電源電動勢及內阻”進行實驗探究并記錄六組數據，再利用虛擬實驗室的數據處理器進行數據處理。

數據處理中，部分學生提出疑惑：為何測量的是6組數據，而圖像中只顯示4個數據點（如圖6）。借此機會，教師提出導學問題。

導學問題4：如何解決測量數據無法完全顯示并且數據點只分布在坐標系的一小部分區域的問題？

設計意圖：掌握圖像法的改進方法，培養學生的科學思維及數理分析能力。

學生通過討論，提出了對于虛擬實驗室平臺的圖像優化建議：（1）x、y軸的最小分度應可以調節，且y軸最小值可以設置，每5格坐標線最好加粗;（2）使縱軸從1.6 V標起，調整標度比例，使數據點大致布滿整個區域，直線與橫、縱軸都有交點。

教師在歸納總結學生意見后，需提醒學生：改進后的圖像直線與橫軸的交點值不再是最大電流了，因為它的對應的路端電壓不等于零，因此不能用縱軸交點與橫軸交點的數值之比來求解內阻。

實驗探究二：以電動勢為3 V，內阻為1 Ω的兩節干電池為例（在虛擬實驗室進行參數設置），選擇不同阻值的滑動變阻器（最大阻值分別為5 Ω，10 Ω，20 Ω的三種），并調節滑片觀察能使電壓表、電流表的示數起到明顯改變的滑動變阻器的調節范圍。

待學生分組實驗后，提問學生觀察到的現象。不少學生均能總結出以下結論：對于電源電動勢為3 V，內阻為1 Ω的電源，滑動變阻器最大值選擇5 Ω，能使電壓表、電流的示數起到明顯改變的調節范圍更大。而最大阻值分別為10 Ω，20 Ω的滑動變阻器滑片在很大范圍內移動時，電壓表、電流表的示數變化卻非常小。

設計意圖：教師借此結論，引出“TI圖像計算器”，該計算器的使用不僅是對學生數學能力的一次深化，更能讓學生感受到信息技術對科學研究的巨大幫助。

探究結論：在本實驗中，選取的滑動變阻器最大阻值不宜超過5倍內阻。由于此次虛擬實驗室中待測干電池的內電阻設為1 Ω，所以最大阻值5 Ω的滑動變阻器相比于最大阻值10 Ω、20 Ω的滑動變阻器，調節滑片起到明顯改變外電壓的滑動范圍更大，得到的實驗數據分布更廣，實驗結論更精準。

5 教學反思

教師的引導只是為了讓學生更加高效地學習，把重點放在原理、電路的獲得，器材的選擇以及探究過程的實際操作，再到后面的數據處理，特別是利用圖像法處理數據，注重課堂內容設計銜接，注重培養學生的實驗探究能力。而且本實驗中由于學生對干電池內阻大小無意識，所以在實驗過程中無法選用合適的滑動變阻器。要引導學生思考和慢慢探究，通過TI圖形計算器幫助學生更好地理解。

問題導向化的教學模式，注重課程重點內容的突顯，有利于學生對教師教學內容的理解，使課堂更加高效[ 3 ]。而信息技術的使用，為課程教育帶來了更加多元化的模式，有效實現了技術、教育、學習的有機融合，真正體現了“學生主體者，教師引導者，信息技術輔助者”的教育理念。

參考文獻：

[1] 蔣濤.信息技術與高中物理教學的深度融合策略[J].中小學電教（教學），2021（5）：23-24.

[2] 王家山.基于問題導向式的物理教學實踐探索[J].中學理科園地，2021，17（4）：45-46，48.

[3] 湯菲菲.高中物理問題導向式課堂實踐：以“波的形成”教學為例[J].中學物理教學參考，2022，51（21）：16-17.