| 标题 | “水果电池的制作与基本参数测定”探究实验中的乐与获 |
| 范文 | 蒋华 摘 要：培养高中生的创新能力是高中新课程赋予教师的重要历史使命，而探究实验是培养学生创新能力的重要手段与途径。本文从人教版选修3-1第二章《恒定电流》的第十节《测定电池的电动势和内阻》出发，通过制作水果电池并测定其基本电学参数，综合多学科的相关知识，延展学生的思维触角，激发学生的创新灵感，使学生的电路设计能力、动手实验能力、思维回馈能力得到培养，学生尝到了实验的快乐，激发了创新思维，提升了创新能力。 关键词：水果电池；制作；创新能力；培养 中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）1-0005-4 1 问题的提出 《普通高中物理课程标准（实验）》在课程理念中强调：“在课程内容上体现时代性、基础性、选择性。在内容上应精选学生终身学习必备的基础知识与技能，加强与学生生活、现代社会及科技发展的联系，反映当代科学技术发展的重要成果和新的科学思想，关注物理学的技术应用所带来的社会问题，培养学生的社会参与意识和对社会负责任的态度。”[1]在实施建议中进一步指出：“教师应选择与学生生活联系密切的素材用于教学”。[1] “测定电源的电动势和内阻”是学生在学习电源电动势概念和全电路欧姆定律之后的一个探究实验。人教版教材选修3-1的第70页在“实验方法”中提到：“把较粗的铜丝和铁丝相隔约几毫米插入马铃薯或苹果中，就制成了一个水果电池（铜丝和铁丝相距越近，插入越深，电池的内阻就越小）。”这里体现的就是让物理走进生活的基本思想。为了将这一思想和理念转变为师生的行为，我们设计并实施了“水果电池的制作与其基本参数的测定”探究实验。 2 设计思路 通过微课复习巩固基础概念与实验方法，以实验小组为单位，自主开展电路设计、电路研判、电路选择、亲历实验、数据计算、误差分析、电路重新设计与改进等教学过程。流程图如图1： 3 精彩片段 3.1 微课：电极电势 化学电池的“电动势”是描述电池将化学能转化为电能本领大小的物理量。这句话让学生很费解。微课“化学电池的电动势和内阻”从化学反应与能量转化的角度，提出“电极电势”的概念，较好地解决了这一问题。Zn2+/Zn为锌电极，Cu2+/Cu为铜电极。由于金属锌的活泼性高于铜，导致两电极的电子得失不同，造成电极电势不相等。在化学中，规定氢（H+/H2）电极电势为零，铜电极电势为+0.34 V，锌电极电势为-0.76 V，铜和锌组成的化学电池的电动势即为1.10 V。当浓度和温度固定时，电极电势与金属的活泼性关系密切。因此，化学电池的电动势是由电池极板的活泼性决定的。学生看到这里，非常兴奋，因为他们借助化学知识从本质上理解了电池电动势产生的根源。 3.2 设问：哪个设计电路最好 实验小组结合实验桌上的设备和教材给出的提示，设计了图2所示的3个电路。各组代表完成班级交流准备开始动手实验时，老师突然发问：“哪个电路最好？”学生感到很突然和惊讶：“是啊！究竟用哪一个实验电路呢？”学生继续讨论并积极交流之后，确定了符合本实验的电路设计①。这一过程用时较长，但是该过程使学生产生了更加浓厚的探索兴趣。 3.3 提问：用安培表怎么测不出电流 实验课桌上给出了众多的测量设备，部分小组用苹果、土豆或柠檬、安培表、伏特表、滑动变阻器等很快完成电路连接。接通电键，伏特表有读数。但是，安培表指针几乎纹丝不动。 “老师，用安培表怎么测不出电流？”老师听见了反复的提问，这也是老师预期的问题。老师反问：“为什么呢？检查电路连接是否有问题？”“电路是否断路？”“是滑动变阻器阻值偏大吗？”“这是否表明水果电池的内阻太大了呢？”“实验桌上还有其他的测量设备吗？”“大胆更换测量仪器吧！” 在老师的启发指导下，学生用万用表精确地测量出了电流。他们非常开心，因为他们用万用表测量出了毫安级的电流。 3.4 验证：土豆电池的内阻与电极之间的距离真是越近越小吗 教材中“水果电池中的铜丝和铁丝相距越近，插入越深，电池的内阻就越小”，引起了学生极大的兴趣。各小组积极开展相关实验，控制插入深度，得到表1、表2、表3中的数据，通过作图（见图3），的确得到了相应的结论。学生脸上乐开了花。 3.5 对白：土豆、柠檬、苹果与干电池的对话 实验中，老师为各实验组配置了苹果、土豆、柠檬和干电池。这些电池的电动势和内阻究竟有怎样的特点，实验小组经过测量得到了较为准确的数据。计算数据后，教师请学生代表土豆、柠檬、苹果与干电池进行对话。 柠檬电池：“各位兄弟，经过各位同学对我进行体检，发现我的果酸浓度很大，金属电极在与果酸的反应中，产生的电荷多。同等条件下，我的电动势最大，内阻最小。” 苹果电池：“兄弟们，我的医生对我体检后，发现我的果酸浓度较大。金属锌电极在与果酸反应中，也产生了大量的电荷。但是，我的电动势比柠檬大哥小，内阻比柠檬大哥大。” 土豆电池：“柠檬、苹果兄弟，我参加体检后，发现胃里的果酸浓度最小，锌电极与果酸产生的电荷不多。我的电动势最小，内阻最大，希望两位大哥大姐原谅我！” 干电池站出来说：“几位兄弟，你们很优秀。因为你们本不是专业的化学电池，电动势不大、内阻很大可以原谅。你们看我，现在我的胃里基本没什么反应物质了，我的电动势衰减了，内阻变大了，我可以休息了。” 几位同学的对话，把实验推向了高潮，学生们的脸上洋溢着微笑。 3.6 反思：是否应该改进实验电路 在实验中，同学们发现柠檬、苹果、土豆电池的内阻很大（几千欧姆）。如果把这些水果电池的内阻与伏特表的内阻相比较，似乎水果电池的内阻更大。部分同学讨论道：“是否需要改进设计的电路？对比图4所示的两个电路，用哪个电路测量更准确呢？” 教师请实验小组对两个电路进行深入的理论探究，最后统一了认识：图4中的甲电路，适合测量内阻很小的电源。在电源的内阻远小于伏特表的内阻时，电压表分流很小，电流表测量的电流近似等于通过电源的电流，E=U+Ir等式基本成立，根据图像得到的电动势和内阻基本能反映电源的参数。但是，如果电源的内阻很大（几乎与电压表相当时），电流表测量的已经不再是通过电源的电流，实验原理不再成立，测量误差必然很大。 如果改用图4中的乙电路进行测量，路端电压是真实的，电流表测量的是通过电源的电流，根据E=U+Ir，电动势是真实值。此时，测量的内阻实际上还包含了电流表的内阻，测出的电源内阻偏大。但是，只要用测得的内阻减去电流表的内阻就可以得到电池内阻的准确值。 同学们改用图4中电路图乙的方法重新进行实验，得到了更准确的数据。在对这一问题的思考中，同学们的认知能力得到进一步发展，创新意识得到进一步强化。 4 学生感悟 课后，教师与几位同学进行了交流。 甲同学：今天的实验课很带劲，我们终于可以放手设计，大胆实验，这样的实验课多一点就好了。 乙同学：没想到水果电池还真有这么大的电动势，要不是内阻太大的话，真可以用水果直接做电源呢！ 丙同学：最大的收获是对几个设计电路的探究分析，特别是如何选择较好的电路进行测量，确实提高了我们的分析能力和创新意识！感谢您！老师。 5 创新提炼 这节课对老师的触动很大，进一步反思后，得到以下几点启示： 1）本节课以学生理论设计、实验探究、分享成果为教学主线，意在落实新课程“学生为主体、教师为主导”的教学理念，培养学生自主学习、合作学习、探究创新的能力，让学生在兴趣盎然中相互启发，共同进步。从课堂教学的实际操作流程来看，较好地实现了这一教学设计目标。 2）学生对实验原理的解读和对实验电路的论证，能有效地选择实验器材开展实验。学生分工合作，操作规范有序，实验参与度极高，在实验过程中对新的问题能灵活处理，较好地完成了预期的三维目标。 3）通过微课复习巩固基本概念，将化学知识与物理知识有机结合起来，使学生的综合思维能力得到发展。水果电池的微视频（下转第10页）（上接第7页）使学生迅速掌握了制作水果电池的方法，提高了课堂教学效率，节省了时间，使学生能更加充分地开展实验探究，较好地发挥了微课的功能。这一方法还可以在今后的课程中广泛采用。 4）课堂中，学生交流自如、大胆，思想活跃。教师语言简洁流畅，对学生引导、启发、牵引得当，对学生的能力培养起到了很好的促进作用。 5）实验过程中，教师与小组之间的交流还不是很深入，对学生实验的指导还需要更细致，还可以再优化课堂教学流程。在实验原理、电路设计部分再节省点时间，让学生更充分地进行实验探究和成果交流。 探究性实验课是高中新课程中最重要的课程，这节课让我们感受到探究实验的重要价值，必将在今后的教学实践中进一步创新发展。 参考文献： [1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003. [2]李远蓉，朱霞，邓磊.物理探究式教学设计与案例分析[M].北京：高等教育出版社，2004. [3]赵保钢.实验与探究能力的评价——来自GCE物理考试的启示[J]. 物理教学探讨，2005，23（11）：1—2. （栏目编辑 赵保钢） |
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