巧设物理实验 突破教学难点
——初中物理“电流和电路”教学片断案例研究

韦 超

(重庆市永川区教育科学研究所，重庆 402160)

1 教学设计

教学流程如下.

师:在前面的实验中,我们用盐水电池点亮了20盏LED灯,如果直接把电池的两极连接起来,会发生什么现象呢?

生1: 灯泡不亮．(生2:灯泡烧坏;生3:导线燃烧起来．)

演示实验1.断开开关,用导线将盐水电池的两极连接起来,再闭合开关,你们观察到什么实验现象?(图1是用碳片和锌片自制的盐水电池盒,在盒中加入盐水就可以点亮LED灯)．

图1 自制的盐水电池盒

生1:灯泡不发光．(生2:导线没有燃烧起来.)

师:灯泡烧断没有?怎样检验?

生:断开连接电源两极的导线,观察灯泡是否发光．

师:(断开开关,断开连接电源两极的导线,再闭合开关,观察灯泡的发光情况)灯泡烧坏了吗?

生:灯泡发光了,说明没有烧坏．

师:刚才我用导线直接将电源两极连接起来,电路中就会有很大的电流,这种情况叫短路,短路会不会有什么危害?

生:没有危害．

演示实验2.我们再来看一个实验,将口香糖的锡纸直接接在干电池的两极,请观察会发生什么现象?

生1:锡纸冒烟了.(生2:锡纸快烧起来了．)

师:锡纸冒烟了,说明温度很高,这是因为干电池被短路后,电路中的电流很大所导致的．如果在家庭电路中发生短路则会引发火灾,所以在连接电路时不允许发生短路．

生:家庭电路中发生短路空气开关要跳闸．

师:是的,空气开关对家庭电路有保护作用．我们来看看短路的另一种情况．

演示实验3.(用磁吸式电路演示器材连接两个灯泡的串联电路)我们用导线将其中一个灯泡两端连接起来,观察灯泡的发光情况．

生1:一个灯泡不发光,另一个灯泡发光．(生2:另一个灯泡更亮了.)

师:像刚才这样,用导线将一个用电器两端直接连接起来,叫做用电器短接．在刚才的实验中一个灯泡被短接,为什么另一个灯泡还要发光?

生:说明还有电流通过灯泡．

师:电流从哪儿通过的?

生:连接用电器两端的那根导线．

师:实验表明,小灯泡因被短接而熄灭,电流经外加导线绕过了小灯泡,所以另一个小灯泡仍然发光．

评析： 在本教学片断中,教师设计了3个实验来突破教学难点．第1个实验教师用自制的电源演示了短路,学生只看到了灯泡不发光,并没有感知到因电流大而产生的具体情景,所以印象不深刻;第2个实验教师将干电池用锡纸短路,可以看到锡纸明显冒烟,是因为发热而冒烟,说明短路时电流很大可能导致火灾的发生,第1个实验为第2个实验作了铺垫和对比的作用;第3个实验是用磁吸式电路演示器材演示了用电器短接时的情形．总体来讲设计的实验效果好,能给学生建立具体形象的思维过程,并且在教学过程中蕴含了促进思维发展的推理过程,从盐水电池短路似乎没有什么危害,到干电池短路可能起火,可以推知家庭电路发生短路的危害,在逻辑上有水到渠成的感觉．

存在的问题: (1) 用盐水电池做电源有画蛇添足之嫌,本片断教学的主题是电路,用非常规的电源可能会干扰学生对电路的认知; (2) 盐水电池的输出功率太小,将盐水电池短路之后,再次接通时小灯泡可能不亮,就会给学生造成灯泡坏了的错觉,有较大的失败风险; (3) 将干电池用锡纸短路,可以看到锡纸明显冒烟,但没有明显的火焰,实验效果不算明显,教室后部分的学生无法看清楚．并且笔者试做了多次,有时能出现火焰,有时是冒烟,有时无明显现象,实验失败的风险较大; (4) 情境创设不够生动,3个实验间的联系比较生硬,缺乏内在联系和过渡,特别是第3个实验,有为短路而短路之嫌．

2 教学设计的改进

教学流程如下.

师:当电路接通后,是不是所有的用电器都一定要工作?

生:是的.

师:请大家注意观察,我把刚才电路中的电源两极用导线直接连通,闭合开关,灯泡还能发光吗?(在演示电路中,把电源两极连接起来,尝试着短时间闭合开关.)

师:灯泡是否发光?

生:没有发光.

师:灯泡没有发光,是否意味着电路中没有电流呢?

生1:没有电流．(生2:有电流； 生3:不确定.)

师:为了实验效果更明显一些,我换用一根剥去了绝缘皮且有一半绕了棉花的细铜线将电源两极连接起,请大家观察闭合开关时发生的现象(图2是自制的短路导线)．

演示实验1.电源短路(实验现象:先是细铜线发热红炽约3s,然后棉花猛烈燃烧起来)．

生:哇!

自制的短路导线

导线处于红炽状态导线上的棉花猛烈燃烧

师:刚才用导线把电源正负极直接连通了,这种情况叫做电源短路,发生电源短路后用电器不工作,电路中有很大的电流．如果家庭电路中发生电源短路会给人们带来灾难．我们来观看一起因电源短路引发的火灾．

播放视频:(央视新闻)家庭电路短路引发的火灾.

师:通过刚才的实验,我们知道了电路不允许发生短路．请你说说,在实验中为了避免短路发生,我们在连接电路中应该注意什么问题?

生1:连接电路时要断开开关．(生2:连接电路时要认真检查．)

师:刚才我们看到的是电源短路,实验中的电路还有另一种状态．如果有两个小灯泡象这样(两灯串联)连接在电路中,其中一个灯泡的两端用一根导线连接起来,另一个灯泡还发光吗?

生1:要发光．(生2:不发光.)

师:演示实验2(将导线直接接在一个小灯的两端),观察到什么现象?

生:其中一个灯泡不发光,另一个灯泡更亮了．

师:象这种情况叫做用电器短接,用电器被短接后,电流经外接导线流过,用电器不工作．

师:我们学习了电路的3种状态,接下来就来判断一下．这里有一个神奇的电源,它是用食盐水和金属片组成．倒入盐水,观察发光二极管的发光情况．

师:请观察电路,你能判断发光二极管不发光的原因是什么吗?

生1:其中一个小灯是断路．(生2:有一个小灯是短路； 生3:发光的小灯是通路．)

师:我们排除故障后你们再观察,试试你们的判断是否正确?请同学们注意观察小灯的亮度相同吗?

师:演示实验3(排除故障,3个灯发光,亮度不同,引导学生关注电路的连接方式．)

生:3个灯都发光,其中有两灯发光较暗．

师:在有多个小灯的情况下,小灯的连接方式可能是不一样的,发光情况也可能是不一样的,是什么原因造成的呢?我们在后面的学习中将会得到解答.

评析： 在本教学片断中,对前面的实验设计进行了大胆的修改,3个实验间的内在联系更紧密了,实验效果也更好了,非常有震撼力,在逻辑思维上更有连续性和因果关系．首先是提出问题:当电路接通后,是不是所有的用电器都一定要工作?然后用尝试短路的方法激发认知冲突,引起探究欲望．接着用自制的细铜线短接入电路中,学生观察到细铜线约有3s的时间处于红炽状态,从而引燃棉花．短短的3s是宝贵的,是精心设计实验得出来的,让学生用具体形象的方法看清了导体有电流而发热这一本质特性,隐含了电流的热效应这一关键知识点,也为后续学习埋下伏笔．第三,在学习家庭电路短路时,引入了微视频元素,让学生清楚明白了家庭电路发生短路的危害．第四,在学习短路的知识后加入了实践训练,从实际电路中判断哪些是断路、通路和短路,学以致用,当堂实践．

存在的问题: (1) 盐水电池的出现仍然对本节的难点知识有干扰,从教学流程来讲影响了教学的流畅性,有节外生枝的感觉．(2) 在实践训练的环节,出现了混联电路来判断电路的状态,对学生来讲为时太早,在一个难点没有突破之前又叠加一个新的难点会影响本内容的学习,造成认知模糊．混联电路的出现也超出了课程标准的要求,拔高了学习的难度．

3 教学设计的进一步改进

教学流程如下.

师:同学们想一想,是不是处处接通的电路,用电器都要工作呢?

生:不是．

师:为什么?

生:因为电路发生短路时也是处处接通的．

师:我们用实验来试一试,在不确定的情况下,我们可以用试一试的办法,就是用导线迅速地碰一碰接线柱．

演示实验1.接通电路,观察灯泡发光,用导线试触灯泡两端,观察灯泡的发光情况．

生:没有发光．

师:灯泡不发光,电路中有电流通过吗?

生:有．

师:电流是看不见的,我们怎么才能知道电路中有没有电流呢?

师:(边实验边讲解)为了让实验效果更明显一些,笔者换上了一段剥了皮的细铜线,铜线的一部分绕上棉花,一部分裸露在外,把它接入电路中,闭合开关,请观察……

师:灯泡发光了吗?

生:发光了．

师:此时电路中有……

生:电流．

师:(断开开关)用一根导线接在灯泡的两端,现在请3个同学近距离的观察,你们3个同学各有分工,其中一位同学观察灯泡的发光情况,另一位同学观察细铜线上的棉花,另一位同学观察裸露的铜线,其余的同学注意观察实验现象．

演示实验2.短路引发火灾．(闭合开关)观察实验现象．

师:你们3个同学分别汇报一下看到了什么实验现象?

生1:灯泡不发光．

生2:裸露的铜线变红了．

生3:看到棉花燃烧起来．

师:此时,电流从哪儿通过的呢?

生:(用手在演示电路中比划)从外接导线通过．

师:说得非常好,谢谢!这种情况叫做短路,也叫电源短路,相当于用导线将电池的两端直接连接起来．(板书:短路、电源短路)所以我们在上课之初的实验中要求不能用导线将电池的两端连接起来,这样会造成短路．

师:在家庭电路中,如果发生短路,就不会是这么简单了,可能会带来危及生命的灾难!

观看央视微视频:25号在广州建业大厦火灾的直接原因,是电工违规作业,导致电线短路引发火灾．

师:看了视频,你知道在实验中连接电路时要注意什么?

生:不能用导线直接连接电池的两端．

师:是不是所有的短路都会带来很大的危害呢?请看老师连接一个电路,接入了两个灯泡,闭合开关,灯泡发光了吗?(在电路中串联接入两个灯泡)

生:两个灯泡都发光了．

演示实验3.(用电器短接)断开开关,将一段导线短接在一个灯泡的两端,再闭合开关,观察灯泡的发光情况．

生:一个灯泡不发光,另一个灯泡发光更亮了．

师:电流从哪儿通过的?

生:从外接导线．

师:对,我们把这种情况叫做用电器短接(板书: 用电器短接)．

师:今天我们学习了电流和电路,老师运用今天的知识制作了一个模拟炸弹(如图3,内有一个充足气的气球),这是它的指示灯,指示灯发光表示电路已经接通,随时可能发生爆炸,外面有两根导线,请你通过观察拆除其中一根,如果拆除正确,指示灯熄灭,爆炸装置拆除,如果拆除错误,炸弹立即启爆!

模拟炸弹的外观模拟炸弹的内部结构

师:哪位勇敢的同学来试一试？你有5s的观察时间.

师:这里有位勇敢的女同学,你来试试.同学们,倒计时开始!

生:5、4、3、2、1.

生:拆除其中一根导线,指示灯熄灭(掌声鼓励)．

师:她成功了，她正确地排除了启爆装置，她在5s内看清楚了电路的连接.

师:有同学会怀疑,老师做的炸弹是不是不炸哟?我们来试试看.

师:(演示实验:闭合刚才断开的开关恢复电路,随后断开另一个开关)砰……

生:哇(尖叫)……

师:刚才只有一个同学看清了模拟炸弹的内部电路,我们现在一起来看看模拟炸弹的内部电路连接,是怎么回事儿呢?你能说说其中的原理吗?(多媒体展示模拟炸弹的内部电路)

生:电动机和小灯泡连在一起．

师:电动机处于什么状态?

生:短接状态．

师:如果拆除蓝色导线,就是刚才那位勇敢的女同学拆除的蓝色导线,会是什么结果?

生:电路形成断路,指示灯熄灭,模拟炸弹拆除.

师:如果拆除的是短接导线呢?

生:电动机启动,引爆炸弹(气球爆炸)．

评析： 在本教学片断中,保留了前一次设计中的优秀实验,对前两次实验设计进行了大胆的取舍和再创造,舍去了盐水电池,整个实验始终围绕着黑板上的磁吸式电路演示器材进行,主题突出,有效突破学习难点．在实践训练的环节新增加一个排除模拟炸弹,学生非常感兴趣,实验效果有很强的视觉冲击力,全体学生留下深刻的印象．同时,实验过程中无形渗透了物理思想和方法,如试触的方法、转换的思想、对结果逆向检验等,这些思想和方法对学生能力的提高非常有用,就算不用于解决物理问题,而在生活中也是一种基本能力,无形中提高了学生的科学素养．

4 结束语

教师在怎样突破“短路”的教学案例研究过程中,通过自制实验教具,反复修改实验设计, 多次进行研课磨课,对比同一内容所采用的教学方法、实验方法、学习效果,有效地突破了教学难点,用具体形象的方法让学生感知到了什么是短路及短路带来的危害．学习过程中对突破难点最有帮助的是两个自制的教具,在演示短路实验时,用12 V的蓄电池既安全又保证了实验的效果明显稳定,通过对细铜丝规格的选取,延长了细铜丝处于红炽状态的时间长达3s,让学生看清了短路的危害,短路引发火灾的根本原因是电流

的热效应．在课堂内设计了实践环节排除模拟炸弹,达到了学以致用、解决问题、提高能力的基本要求．在以后的教学中,我们还要多进行类似的案例研究,积累方法和经验,提高实验设计的能力和自制教具的能力,为初中物理教学提供有效的保障．

1 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准[S].北京:北京师范大学出版社，2012.

2 彭前程.义务教育教科书九年级物理[M].北京:人民教育出版社，2013.

3 邢红军.中学物理实验教学的调查研究[J].物理教师,1998(4):17-19.

4 祁映宏.中美物理教材学生实验的比较研究[J].物理教师,2007(3):4-6.