仿真实验环境中的物理教学——《照明电路中白炽灯泡功率的测定》教学设计，本文主要内容关键词为：教学设计论文,灯泡论文,功率论文,电路论文,物理教学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、设计思路
照明电路的电压是220V，远远超过了人体的安全电压，所以测量照明电路中白炽灯泡功率这样的实验通常是不能在普通实验室中完成的。利用《仿真物理实验室》教学平台的网络功能，整个教学设计采用任务驱动式的教学方法，使学生始终置身于发现问题、提出问题、思考方法、解决问题的动态过程中。通过设置多层次的学习任务，将相关的学科知识和能力要求有机地结合在一起。
二、教学实录
师：这节课，我们做测定照明电路中白炽灯泡功率的实验。考虑到便于计算的因素，我们把灯泡的参数设置为“60V360W”。大家知道这个实验为什么没有安排在实验室进行吗？
生：因为照明电路的电压是220V，远远超过了人体的安全电压（即不超过36V），所以测量照明电路中白炽灯泡功率这个实验不能在普通实验室中完成。
师（出示任务一）：请每位同学在《仿真物理实验室》教学平台上创建一个测量灯泡电功率的实验电路。仪器要求：电流表的量程Ig=3A（Ig远小于通过灯泡的实际电流I），内电阻R[，A]=0.1Ω；电压表量程U[，V]=15V，内电阻R[，V]=10000Ω；电源电压220V，内阻为0；灯泡“60V360W”；滑动变阻器的最大阻值为50Ω。需要测量的物理量是I和U。在《仿真物理实验室》中设计符合上述要求的电路图并给每个元件赋值。
学生完成电路设计。教师把多个学生的实验设计电路图切换到大屏幕，并广播给各终端机，供大家交流（图1）。
附图
师：我们总结一下实验中可能遇到的问题。
生：问题一，灯泡的额定电压小于照明电路的电源电压。问题二，电压表和电流表的量程小于被测电压和电流。问题三，电流表内接、外接对测量结果有影响。问题四，滑动变阻器的选择和使用。
师（出示任务二）：怎样使电源电压220V降低到灯泡的额定电压？
生：设想一，串联一个定值电阻分压。设想二，串联一个滑动变阻器，组成限流电路分压。设想三，连接成滑动变阻器分压电路。
师：请同学们对上述设想进行讨论。
生：设想一，串联一个阻值适当的定值电阻分压，虽然可以达到降低灯泡两端电压的目的，但是只能测量一组数据，不符合实验测量的要求。设想二，限流电路也可以降低灯泡两端的电压。通过理论分析和代入参数进行运算可知，调整滑动变阻器的滑片位置可得到多组数据，但是测量范围小，不能测量灯泡在较小电压值时的功率。设想三，分压电路能够降低灯泡两端电压且得到多组实验数据，故采用连接滑动变阻器分压电路的方法最为理想。
师：通过讨论我们验证了三种设想，并得到了共识。下面，大家改进自己设计的电路，把所学的知识用于实践。
教师把学生改进的实验设计电路图切换到大屏幕，并广播给各终端机（图2）。
附图
师（出示任务三）：同学们进一步研究怎样改装电流表和电压表，使其扩大量程。
学生踊跃发言，交流改装仪表设计方案，很快得出结论。
生：设计一，电流表应并联一个小电阻分流。为使其量程扩大至实际电流I，并联的电阻阻值为I[，g]R[，g]=（I-I[，g]）R[，并]；R[，并]=I[，g]R[，g]/I-I[，g]。设计二，电压表应串联一个大电阻分压。为使其量程扩大至I，串联的电阻阻值为U=I[，g]（R[，串]+R[，g]）；R[，串]=（U/I[，g]）-R[，g]。
教师把多个学生进一步改进的实验设计电路图切换到大屏幕，并广播给各终端机，供大家交流（图3）。
附图
师（出示任务四）：同学们连接的电路中有的用电流表内接电路，有的用电流表外接电路图，请问电流表内、外接对测量结果有什么影响呢？
教师投影设计一（电流表内接局部电路图）和设计二（电流表外接局部电路图）。电流表内接电路相对误差R[，A]/R[，x]，电流表外接电路相对误差R[，x]/R[，V]。
附图
师：根据误差分析的结果，应选用哪个电路？
生：把实验参数代入运算，得出电流表外接电路误差较小。
师：请大家再次改进实验电路。
学生对电路再次修改加工，教师把多个学生改进后的电路设计切换到大屏幕以供交流（图4）。
附图
师（出示任务五）：刚才看到同学们设计的电路中，滑动变阻器的选择也不尽相同，怎样才能有利于调节又不会损坏灯泡？请思考下列问题——思考一：滑动变阻器的调压范围是0～220V，与它并联的灯泡的额定电压仅为60V，怎样才能确保调节过程中不会超过灯泡的耐压能力？思考二：怎样才能使滑动变阻器的调节范围足够大并且调节更加精确？
生：换用不同规格的滑动变阻器，赋值实验发现，50Ω的能在0～1/3范围调节，100Ω的能在0～3/4范围调节，200Ω的能在0～7/8的范围调节，老师这是为什么呢？
师：这是灯泡与滑动变阻器并联后与剩余部分串联造成的结果（图5）。思考三：实验中只提供了50Ω的滑动变阻器，怎样改进它？
附图
面对新的具有挑战性的问题，学生更加兴奋，分析提出想法：可以给滑动变阻器串联一个电阻，阻值为R=U[，电源]-U[，灯额定]/I[，总]。因为串联了分压电阻，滑动变阻器的滑片从一端移到另一端电压的变化范围由0～220V下降为0～80V，提高了调节的精确程度。
师：请同学们对实验电路进行再次改进，完成最终的实验电路设计。
师（出示任务六）：大家已经完成了测定灯泡功率的仿真实验，记录并交流实验结果。
学生设计表格，采集数据，利用《仿真物理实验室》教学平台的图表功能修正图像。实验过程略。
师：总结一下这节课，说说你的主要收获是什么？
生：第一，学习研究了测定白炽灯泡功率的方法，其中包括改装电流表和电压表扩大量程、滑动变阻器的限流与分压电路的使用、电流表的内接与外接电路对实验误差的影响、保护电阻的作用等多个实验环节。第二，把在普通实验室不能做的电学实验放到《仿真物理实验室》教学平台上完成，大家能在独立设计的基础上，交流讨论，不断改进设计方案。我们也学会了在学习中与别人交流合作。第三，学习了怎样将学过的物理知识应用到实际中去解决问题，变未知为已知。
点评：
这节电学综合复习课的教学设计非常新颖、独特。因为照明电路的电压远超过了人体的安全电压，这样的实验通常是不能在普通实验室中完成的。因此对于学生来说，这的确是一个新奇又具有挑战性的实验课题。
本节课以学生在学习中的切身体验为出发点，充分发掘学生的学习潜能，激发学生在学习活动中的创新意识，为不同层次的学生设置了广阔的思维活动空间。在知识方面融合了伏安法测电阻、电路中电流表的内接和外接问题、分压电路的使用、电流表和电压表扩大量程的方法、保护电阻的作用、提高滑动变阻器调压的精确程度等重点和难点的实验，对培养学生电学实验的设计和研究能力起到了很好的作用。
在中学物理实验教学中，受条件的限制，有很多实验无法在实验室里完成。对于现在的学生来说，很多常识性知识都没有切身体会，要使“真实的情境”实实在在地进入课堂并非总是十分方便和可行的，而“虚拟的”或“模仿的”情境便成为“真实情境”的一种有效且十分方便的替代。当前，以网络技术和多媒体技术为核心的信息技术已成为拓展人类思维的创造性工具。信息技术作为突破时空、地域限制，创设真实情境的最有效工具，能产生身临其境的逼真效果，能够把各种技术手段完美地融合到物理课程之中。教师最主要的任务是如何应用现有的软件平台把信息技术的优势发挥出来，进行物理学科教学。张老师使用的《仿真物理实验室》是目前物理学科实现信息技术与学科教学整合较为方便的应用软件，它能够快捷、准确地将教师的教学意图展现出来。学生在课堂上表现出浓厚的学习兴趣，参与程度高，活动面大。通过切换计算机屏幕，教师随时选择有新意的设计推荐给大家，学生可以及时了解其他学生的研究思路，实现了生生互动，变众人研究一道题为每个人在独立研究自己的问题基础上，参考借鉴他人的学习成果，相互交流，共同提高。信息技术进课堂使学生的眼界放宽了，思维变灵活了，求知的欲望更加强烈了。现代信息技术成为学习物理知识的有力工具，极大地丰富了物理教学活动，符合学生的认知规律。这正是信息技术与物理课程整合的魅力所在。