第23讲 伏安法实验：从测量到探究的思维跃迁-基于科学探究素养的初中物理深度教学设计

第23讲伏安法实验：从测量到探究的思维跃迁——基于科学探究素养的初中物理深度教学设计一、教学内容分析  本课隶属于《义务教育物理课程标准（2022年版）》中“运动和相互作用”主题下的“电磁能”内容板块。课标明确要求，学生需“会使用电流表和电压表”“通过实验，探究电流与电压、电阻的关系”，并在此过程中发展科学探究能力。从知识图谱看，“伏安法测电阻”是欧姆定律的直接应用与深化，是连接电路基础、欧姆定律与后续电功率测量的关键枢纽，其核心在于理解“利用欧姆定律进行间接测量”的转换思想。在过程方法上，本课是科学探究流程（提出问题、设计实验、进行实验、分析论证、评估交流）的完整载体，尤其聚焦于电路设计、实物连接、数据采集与误差分析等关键技能。在素养价值层面，它超越了单纯的操作训练，指向“科学探究”素养的核心：引导学生像科学家一样思考，在真实的测量任务中体会精确测量的意义，在误差分析中培养实事求是的科学态度与批判性思维，在协作中感悟团队智慧。因此，本节课的重心应从“连接电路、读取数据”的技能操练，升维至“为何这样设计？如何减小误差？数据说明了什么？”的探究性思考。  学情方面，学生已具备电路元件识别、串并联电路连接、电流表电压表使用等基础操作技能，对欧姆定律公式也有初步认知。然而，普遍存在的认知障碍在于：第一，对实验原理（R=U/I）的理解停留在公式层面，未能内化为“间接测量”的思维方法；第二，实物连接时，常出现电表量程选择不当、正负接线柱接反、滑动变阻器接法错误等问题，本质是对电路工作原理理解不深；第三，缺乏系统分析实验误差来源的意识与能力。基于此，本课教学将采用“任务驱动，分层推进”的策略。通过设置梯度性探究任务，让所有学生都能在连接电路的“动手”基础上，迈向分析设计的“动脑”层次。课堂中，我将通过巡视指导、关键节点提问（如：“大家看，他这样接滑动变阻器，能起到改变电压的作用吗？”）、即时展示典型连接等方式进行动态学情评估，并针对操作困难的学生提供“分步接线图”支架，针对思维敏捷的学生抛出拓展性问题（如：“如果没有电压表，只有一个电流表和一个已知阻值的定值电阻，你能测出未知电阻吗？”），实现差异化支持。二、教学目标  知识目标：学生能深刻理解伏安法测电阻的实验原理（R=U/I）及其蕴含的“间接测量”思想；能准确叙述实验步骤，并清晰辨析实验中直接测量量与间接测得量；能基于欧姆定律和电路特点，解释滑动变阻器在本次实验中的核心作用——保护电路与改变待测电阻两端电压。  能力目标：学生能够独立、规范地完成伏安法测电阻的电路图设计、实物连接及数据测量；能设计并执行通过多次测量求平均值以减小误差的实验方案；初步具备分析实验数据、识别异常数据，并能从操作、器材、原理等角度对实验误差进行合理解释与交流的能力。  情感态度与价值观目标：学生在小组合作实验中，能主动承担角色任务，积极倾听同伴意见，共同解决连接中遇到的故障，体验协作探究的乐趣与效能；在误差分析讨论中，养成尊重实验数据、实事求是、勇于质疑的科学态度。  科学思维目标：重点发展学生的“模型建构”与“科学推理”思维。通过将抽象的测量需求转化为具体的电路模型，训练模型建构能力；通过对测量结果偏差的成因进行多因素推理（如电表内阻影响、导线电阻、接触不良等），训练基于证据的推理能力。  评价与元认知目标：引导学生运用教师提供的“实验操作评价量规”进行小组内互评，反思自身操作规范性；在实验结束后，能回顾整个探究过程，总结成功经验与失误教训，并提炼出解决此类电学测量问题的一般性思路与方法。三、教学重点与难点  教学重点：伏安法测电阻的实验原理与完整探究过程。确立依据在于，该原理是欧姆定律应用的核心范例，是中考电学实验的必考内容，高频且综合性强。其探究过程（原理设计操作处理分析）完整体现了科学探究的基本要素，对学生形成严谨的实验思维具有奠基性作用。掌握此重点，意味着学生不仅“会做”，更“懂为何这样做”，为后续所有基于欧姆定律的探究实验提供了思维模型。  教学难点：实验电路的设计与实物连接，以及系统误差的初步分析。难点成因在于，从原理图到实物图的转换需要空间想象与对电路结构的深刻理解，学生常因对元件功能认识模糊而导致连接错误。而误差分析则需要学生跳出“操作无误即数据绝对准确”的朴素观念，从实验原理本身和器材特性出发进行思考，认知跨度较大。突破方向是，利用动态电路仿真软件辅助理解电流路径，并通过对比测量值与标称值的差异，创设认知冲突，引导学生追问“差异从何而来”。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：交互式电子白板课件（内含动态电路图、仿真实验、误差分析动画）；伏安法测电阻标准与错误接线对比挂图。1.2实验器材（分组，4人一组）：学生电源、开关、滑动变阻器、待测电阻（小灯泡或定值电阻）、电流表、电压表、导线若干；额外准备两组有故障的器材（如接触不良的导线、内阻异常明显的旧电表）供拓展分析使用。1.3学习资料：分层学习任务单（含基础操作指引与进阶探究问题）；课堂练习与分层巩固题卡；“实验操作评价量规”表。2.学生准备2.1知识预备：复习欧姆定律、滑动变阻器使用方法，预习本课实验原理。2.2物品携带：刻度尺、铅笔、橡皮。3.环境布置3.1座位安排：实验课桌椅按小组分区摆放，便于组内合作与教师巡视。3.2板书记划：预留左侧主板书写核心原理与流程，右侧副板用于展示学生设计的电路图或误差分析观点。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与问题驱动：同学们，请看讲台上的这个小灯泡，它的灯丝电阻是多少？单用眼睛看，能看出来吗？（停顿）显然不能。在物理学中，很多重要的物理量就像这电阻一样，无法直接“看到”。那么，我们该如何“捕捉”它呢？回想一下我们学过的欧姆定律，它揭示了电流、电压、电阻三者的定量关系。这给我们什么启示？对，既然电阻R无法直接测量，但电流I和电压U可以，那我们是不是可以用“迂回”战术，通过测量U和I来“算出”R呢？这就是我们今天要攻克的核心方法。2.明确学习路径：今天这节课，我们将化身“电路侦探”，完成三项挑战：第一，策划方案——设计抓捕“电阻”这个“隐藏目标”的行动路线图（电路图）；第二，现场执行——亲手搭建“抓捕现场”（连接实物电路），获取关键证据（U、I数据）；第三，分析研判——根据证据计算出目标，并评估我们这次“行动”的精准度如何。准备好开始我们的探究之旅了吗？第二、新授环节任务一：策划“抓捕”方案——设计实验电路1.教师活动：首先，抛出核心问题：“根据R=U/I，我们需要测量哪些物理量？”引导学生明确需要同时测量待测电阻两端的电压和通过它的电流。接着追问：“那么，在电路中，哪些仪表可以完成这些测量？它们应该如何接入电路？”组织学生回顾电流表需串联、电压表需并联的使用规则。在此基础上，提供“设计脚手架”：展示一个只有电源、开关、待测电阻的简单电路框架图，邀请学生代表上台，尝试将电流表和电压表“安放”到合适位置。针对可能出现的错误接法（如电表接反、电压表串联），不急于否定，而是引导全班思考：“这样接，电表指针会怎么动？能测出我们需要的数据吗？”从而在辨析中巩固正确接法。最后，引入滑动变阻器：“如果只想测一组数据，电路已经可以了。但为了结果更可靠，我们通常要多次测量。谁能想到，加入哪个元件可以方便地改变电压和电流，从而获得多组数据？”引导学生说出滑动变阻器，并讨论其接入电路的方式与作用。2.学生活动：积极思考教师提问，回忆并大声说出需要测量的物理量和所需仪表。观察教师提供的电路框架，主动思考并可能提出不同的接法。对于上台同学的接法，进行观察、判断和讨论。在教师引导下，理解滑动变阻器在本实验中的双重作用（保护电路、改变电压），并在自己的任务单上画出最终的实验电路图。3.即时评价标准：1.能否准确说出实验需直接测量的两个物理量。2.设计的电路图中，电表符号使用及串并联关系是否正确。3.能否清晰表述滑动变阻器在电路中的具体作用。4.形成知识、思维、方法清单：1.5.★实验原理：R=U/I。这是整个实验的基石，是一种“间接测量”的科学方法。告诉学生：“这个公式就是我们今天的‘行动纲领’。”2.6.★电路设计：必须同时使用电流表（串联）和电压表（并联）来分别测量I和U。可以问学生：“能不能只用其中一块表？想想看，缺了任何一个，我们的‘纲领’公式还能用吗？”3.7.★滑动变阻器的作用：（1）保护电路：闭合开关前，滑片置于阻值最大处。（2）改变待测电阻两端电压，进行多次测量。这是理解实验动态过程的关键。4.8.▲设计思维：从测量需求倒推所需器材和连接方式，是科学实验设计的通用思路。任务二：搭建“抓捕现场”——连接实物电路1.教师活动：“图纸有了，现在开始实战搭建！”首先进行安全与规范教育，强调“断电连接、检查无误后再闭合开关”。演示关键步骤：如何从电路图转化为实物连接？介绍“先串后并”法——先连接电源、开关、滑动变阻器、电流表、待测电阻的串联主回路，检查无误后，再将电压表并联到待测电阻两端。特别指出易错点：电表的量程选择（建议试触法）、正负接线柱方向、滑动变阻器“一上一下”接法。随后，下发器材，宣布开始小组合作连接。教师巡视，进行差异化指导：对操作流畅的小组，可检查后允许其开始测量；对遇到困难的小组，通过提问引导其排查（例如：“你的电流表指针不动，我们一步步来，从电源正极出发，‘走’一遍电流看看在哪断路了？”）；并利用实物展台，即时展示一组典型的连接错误（如电压表接在滑动变阻器两端），引发全班讨论纠错。2.学生活动：小组内分工合作，参照电路图和教师指导，动手连接实物电路。连接过程中，互相检查接线是否牢固、是否符合“先串后并”原则、电表量程和接线柱是否正确。闭合开关前，相互提醒将滑动变阻器滑片调至最大阻值处。遇到问题时，组内先讨论解决，解决不了再寻求教师帮助。3.即时评价标准：1.连接顺序是否合理，操作是否规范、安全。2.小组内分工是否明确，协作是否有序、有效。3.遇到电路故障时，是否能遵循一定的逻辑（如分段检查法）进行排查，而非盲目拆接。4.形成知识、思维、方法清单：1.5.★实物连接技巧：“先串后并”。化繁为简，降低连接复杂度。提醒学生：“这就像建房子，先搭好主体结构，再安装门窗。”2.6.★电表使用复核：连接时必须反复确认量程、接线柱极性。这是获取准确数据的保证。3.7.★故障排查逻辑：形成从电源正极出发，沿电流路径依次检查各元件连接、接触情况的思维习惯。这是解决实际问题的关键能力。4.8.▲团队协作意识：实验不是单人项目，合理的分工（如一人主导连接，一人负责检查，一人准备记录）能极大提高效率与成功率。任务三：获取“关键证据”——进行测量与记录1.教师活动：确认大部分小组电路连接正确后，引导进入测量阶段。提出问题：“为了获得更可靠的结果，我们应该测量几组数据？滑动变阻器该怎么调节？”引导学生明确需移动滑片，改变电压表示数，分别记录多组（如35组）对应的U、I值。强调记录表格的设计应清晰，注明单位。巡视时，重点关注学生是否规范操作：是否在电路稳定后读数、视线是否与表盘垂直、读数是否准确并及时记录。对于测量中出现异常数据（如电压升高电流反而减小）的小组，引导他们暂停，分析是操作失误（如读数错误、滑片滑动导致接触不良）还是待测电阻（如小灯泡）本身特性所致，借此区分偶然误差与系统误差的早期概念。2.学生活动：小组内协调，一人缓慢移动滑动变阻器滑片，一人观察并报出电压表和电流表的示数，一人负责在任务单的表格中准确记录。至少完成三组有明显差异的数据记录。读数时力求准确，并注意单位。3.即时评价标准：1.是否通过调节滑动变阻器获得了多组有差异的数据。2.读数是否规范、准确，记录是否清晰、完整。3.对异常数据是否有警觉，并尝试寻找原因。4.形成知识、思维、方法清单：1.5.★多次测量目的：求平均值以减小偶然误差，发现规律（对于定值电阻，电压与电流成正比）。询问学生：“只测一次行不行？为什么？”2.6.★规范读数要求：明确视线与刻度盘垂直，估读到分度值的下一位（根据器材要求）。这是科学严谨性的体现。3.7.★数据记录规范：设计合理的表格，标注物理量和单位。原始数据是分析的唯一依据。4.8.▲异常数据敏感性：对明显偏离趋势的数据点要持怀疑态度，并尝试回溯操作过程，这是科学探究中可贵的品质。任务四：实施“抓捕”——计算与分析结果1.教师活动：测量结束后，引导学生处理数据。“现在，‘证据’已经到手，如何‘算出’我们的目标电阻？”请各小组根据R=U/I，计算出每一组数据对应的电阻值，并求出平均值。将各小组的测量结果（平均值）公布在黑板上。此时，结果必然有差异。创设认知冲突：“看，同样是测量这个小灯泡的电阻，为什么各组的结果不完全相同？甚至和我们用万用表粗略测量的参考值也有出入？这些差异从哪里来？”引导学生展开讨论。教师提供思维支架，将误差来源归类：1.操作误差：读数不准、接线接触电阻等；2.仪器误差：电表本身不准、零点不准等；3.原理/方法误差：这是本节课的思维提升点。通过动画演示，引导学生思考：电流表的接入，是否改变了电路本身？电压表真的只测了电阻两端的电压吗？深入浅出地引出电表内阻对测量结果的影响（外接法？内接法？），作为拓展性思考。2.学生活动：小组内合作计算每组数据的电阻值和最终的平均电阻。对比黑板上各组的成果，发现差异。积极参与误差来源的讨论，结合自己的操作体验，提出可能的原因（如：“我们读数时有点斜”，“可能导线连接的地方有点松”）。在教师引导下，思考更深刻的原理性误差问题。3.即时评价标准：1.数据处理（计算、求平均值）过程是否正确、熟练。2.能否基于实验体验，提出至少一种合理的误差来源。3.是否能够倾听他人对误差的分析，并与之进行有依据的交流。4.形成知识、思维、方法清单：1.5.★数据处理方法：利用公式逐组计算，再求算术平均值。这是物理实验处理数据的常用方法。2.6.★误差与错误：明确误差不可避免，只能减小；错误（如接错线）可以且应该避免。3.7.★误差来源分析框架：学会从操作、仪器、原理三个层面系统性思考测量不准的原因。可以问：“哪些是我们能改进的？哪些是器材限制？哪些是方法本身固有的局限？”4.8.▲批判性思维与交流：基于证据讨论结果的可靠性，敢于质疑和解释差异，是科学精神的重要组成部分。任务五：评估与交流——完善实验报告1.教师活动：引导学生回顾整个探究过程，以小组为单位，口头总结本次实验的得失。提供汇报框架：1.我们测得的电阻值是多少？2.实验过程中遇到的主要困难及解决方法。3.我们认为本组实验结果的主要误差来源是什么？4.如果重新做一次，可以在哪些方面改进？教师对学生的汇报进行点评，着重表扬在规范操作、合作精神、深度思考方面的亮点。最后，布置课后完善实验报告的任务，并提供报告格式模板。2.学生活动：小组内进行简短复盘，推选代表进行全班交流，分享实验心得与反思。倾听其他小组的汇报，吸收有益经验。记录课后任务。3.即时评价标准：1.总结是否全面，能否涵盖过程、结果、分析与反思。2.反思是否具体、深刻，是否提出了实质性的改进建议。3.表达是否清晰、有条理。4.形成知识、思维、方法清单：1.5.★科学探究完整流程：原理设计实验分析交流。这是一个闭环，交流与评估是提升探究能力的关键一环。2.6.★实验报告要素：目的、原理、器材、步骤、数据、计算、结论、误差分析。这是规范化、学术化表达探究成果的方式。3.7.★元认知反思：“我在哪里做得好？”“哪里可以做得更好？”这种反思能力是持续进步的发动机。4.8.▲学习的迁移：今天掌握的“伏安法”思想和探究流程，可以迁移到测量小灯泡电功率等其他电学实验中。第三、当堂巩固训练  现在，我们来检验一下“侦探们”的修炼成果。请大家根据刚才的实战经验，完成分层挑战（学生根据自身情况选择完成）：基础层：1.画出伏安法测电阻的电路图。2.在实物连接图中，找出并改正两处错误（预设典型错误：电压表串联、电流表正负接线柱接反）。（面向全体，巩固核心技能）综合层：3.某组实验数据如下表（提供一组数据），请计算电阻值并分析：其中第____组数据可能存在较大误差，原因是_______。4.若实验中发现，无论怎样调节滑动变阻器，电压表示数都接近电源电压且几乎不变，电流表示数几乎为零，故障可能是什么？（培养数据分析与故障诊断能力）（面向大多数，提升应用能力）挑战层：5.【思维拓展】如果没有电压表，但有一个已知阻值的定值电阻R0和两个电流表，你能设计电路测出未知电阻Rx的阻值吗？画出电路图并写出表达式。（引导知识迁移，激发高阶思维）（面向学有余力者，鼓励创新）  反馈机制：基础层题目通过同桌互查、教师投影答案快速核对。综合层与挑战层题目，先由小组内讨论，再请不同层次的学生代表讲解思路，教师进行提炼和总结。特别展示挑战层问题的不同设计方案，表彰创新思维。第四、课堂小结  同学们，今天的“电路侦探”之旅即将结束。我们一起来梳理一下“破案”的全流程：首先，我们依据“行动纲领”——欧姆定律，制定了“抓捕方案”（设计电路）；然后，我们小心翼翼地“搭建现场”（连接实物），获取了“关键证据”（U、I数据）；接着，我们“分析研判”（计算并分析误差），最终确定了“目标”（电阻值）。在这个过程中，我们不仅学会了一个方法，更体验了一次完整的科学探究。最重要的收获是什么？是那个公式吗？更是公式背后“间接测量”的智慧，是面对误差时实事求是的态度，是与同伴协作解决实际问题的能力。  课后作业：1.必做（基础性）：1.整理并完成本节课的实验报告。2.完成练习册上关于伏安法测电阻原理和电路连接的基础习题。2.选做（拓展性）：查阅资料，了解“内接法”和“外接法”的区别，并分析它们分别在什么情况下能减小由电表内阻引起的系统误差。  下节课，我们将利用伏安法的思想，去探究另一个重要的电学问题——测量小灯泡的电功率，看看又会遇到什么新的挑战。六、作业设计1.基础性作业（全体必做）1.作业内容：书面整理一份完整的“伏安法测电阻”实验报告。报告需包含：实验目的、实验原理、实验器材、电路图、简要步骤、数据记录表格（可模拟三组合理数据）、计算结果（含平均值）、实验结论及简单的误差分析（至少写出两点可能的原因）。2.设计意图：巩固实验的核心流程与规范，强化对原理、步骤、数据处理的掌握，培养规范书写科学报告的习惯。2.拓展性作业（建议大多数学生完成）3.作业内容：【情境应用】家里有一个旧手电筒的小灯泡，铭牌已模糊。请你利用今天所学知识，设计一个家庭可操作的简易方案，粗略估测该灯泡正常发光时的电阻。需说明：需要哪些简易器材（可替代实验室器材，如电池组代替学生电源）、如何连接、如何测量及注意事项。4.设计意图：将实验室所学迁移到真实生活情境中，解决实际问题。考查学生对实验原理的深度理解、器材功能的把握以及方案设计能力，体现“从物理走向生活”的理念。3.探究性/创造性作业（学有余力学生选做）5.作业内容：【深度探究与】任务A：理论探究——通过查阅资料或理论推导，定量分析：当采用电流表外接法时，由于电压表分流，测量值R测是偏大还是偏小？当待测电阻Rx满足什么条件时，采用外接法误差较小？任务B：——挑战“任务五”中提到的“缺表”问题：如果只给你一个电压表、一个已知阻值的定值电阻R0、一个电源和开关导线，你能设计几种电路测量未知电阻Rx？画出每种方案的电路图，并推导出Rx的表达式。6.设计意图：引导学生超越课本，触及系统误差的定量分析，深化对实验原理的理解。任务旨在激发学生的探究欲和创造力，训练发散思维和综合运用知识解决问题的能力，为物理竞赛或自主招生思维打下基础。七、本节知识清单及拓展1.★伏安法测电阻原理：R=U/I。这是欧姆定律的直接应用，核心思想是“间接测量”。即通过测量易于直接获取的物理量（U、I），来求得无法直接测量的物理量（R）。2.★实验电路图：关键元件包括电源、开关、待测电阻Rx、滑动变阻器、电流表（串联）、电压表（并联在Rx两端）。画图时需使用标准元件符号。3.★滑动变阻器双重作用：（1）保护电路：闭合开关前，滑片应置于最大阻值处，防止电路中电流过大。（2）改变电压：通过移动滑片，改变接入电路的阻值，从而改变Rx两端的电压和通过的电流，实现多次测量。4.★实物连接要领：“先串后并”。先连接由电源、开关、滑动变阻器、电流表、Rx组成的串联主回路，检查无误后，再将电压表并联到Rx两端。此法条理清晰，不易出错。5.★电表使用规范：电流表串联，电压表并联；电流从正接线柱流入，负接线柱流出；根据电源电压和Rx估计值，合理选择量程（可用试触法）；读数时视线与刻度盘垂直。6.★实验步骤关键词：按电路图摆好器材→断开开关，按“先串后并”顺序连接→检查电路（重点查电表极性、量程、滑动变阻器滑片位置）→闭合开关，调节滑片，记录多组U、I值→断开开关，整理器材→计算R并求平均值。7.★多次测量目的：对于定值电阻，主要是求平均值以减小偶然误差；对于小灯泡等非线性元件，主要是探究其电阻随电压变化的规律。8.★数据记录与处理：设计包含U、I、R（计算栏）的表格；利用公式逐组计算R值；最后计算所有R值的算术平均值作为测量结果。9.★误差与错误辨析：误差（如读数偏差、环境干扰）不可避免，只能设法减小；错误（如接错线、反接电表）是由于操作不当，必须避免。10.★误差来源分析框架：1.11.操作误差：读数不准确、接线柱接触不良、导线有电阻等。2.12.仪器误差：电表本身不够精确（精度限制）、零点漂移、电池内阻等。3.13.原理（方法）误差：由实验方法本身引入。如电流表外接法时，电压表测量值准确，但电流表测的是“通过Rx的电流”与“通过电压表的电流”之和，导致I测偏大，故R测（=U测/I测）偏小。反之，内接法时，电流表测量准确，但电压表测的是“Rx两端电压”与“电流表两端电压”之和，导致U测偏大，故R测偏大。14.▲电表内接法与外接法的选择原则（拓展）：1.15.当Rx>>RA(电流表内阻)时，选用内接法，可减小电流表分压带来的误差。2.16.当Rx<<RV(电压表内阻)时，选用外接法，可减小电压表分流带来的误差。3.17.简易判断：粗略估计Rx，若Rx较大（如几千欧），宜内接；若Rx较小（如几欧到几十欧），宜外接。也可用试触法判断。18.▲“缺表法”测电阻思想（拓展）：核心是利用一个已知电阻R0和现有电表，通过开关的通断改变电路结构，创造出一个等量关系（通常是电压相等或电流相等），从而利用欧姆定律求解Rx。这是中考常见的创新题型，体现了对知识迁移能力的考查。八、教学反思  本次教学设计以“电路侦探”为隐喻，将伏安法测电阻的实验流程包裹在探究叙事中，旨在提升学习的趣味性与结构化。从假设的实施效果看，教学目标基本能够达成。学生在任务驱动下，参与度高，尤其是在实物连接和误差讨论环节，表现出强烈的动手欲望和思辨热情。“大家觉得这个‘抓捕方案’可行吗？”、“电压表这样‘站岗’，能看到真实的电压吗？”等口语化设问，有效拉近了与学生的距离，促进了思考。  各教学环节的有效性评估如下：导入环节的情境创设能快速聚焦问题，但时间需严格控制，防止喧宾夺主。新授环节的五个