歐姆的難題

2021-02-08 教育人生

 歐姆定律是初中物理電學部分的重要知識,教材一般表述為:導體中的電流,跟導體兩端的電壓成正比,跟導體的電阻成反比。孩子在學習歐姆定律之前,已經學習了電流、電壓、電阻等電路知識,而在學習這些知識的時候,歐姆定律已經滲透其中,但未明確提出。歐姆定律的學習,一方面把前面知識聯繫起來,另一方面為後續的學習,如電路計算、電功率等奠定基礎。

教師大致選用兩種方式進行教學。一是講授法。因為前面已經學習了電流、電壓和電阻,這些物理量存在什麼關係?——歐姆定律呼之欲出,所以教師就直接引出歐姆定律,配合演示實驗加以說明。這種方法通常被認為是「傳統教學」,因過於注重講授而遭到批判,但教學效率較高。二是探究法。讓學生猜測電流、電壓、電阻之間的關係,提出假設,通過實驗探究得出歐姆定律。這種方法被大力提倡,因為它重視了學生的動手實踐和實驗探究。提出假設—設計實驗—驗證假設—得出結論,這一演繹思維的模型被認為是科學家的思維方式,更有助於科學素養的培養。

歐姆定律非常簡單,它的數學表達式為:I(電流)=U(電壓)/R(電阻)。如此簡單的定律其發現過程並不簡單,提出後的近20年中未被本國科學家重視,發現者德國物理學家歐姆還因此受到質疑和攻擊,他甚至請求國王出面為其主持正義,但因觀點不一而不了了之。讓學生在現有條件下完成這個實驗,特別是在確定了實驗方案之後讓學生進行實驗,對於培養他們的科學素養,作用其實並不明顯。因為實驗過程探究的成分很少,學生只需要動手操作,比如連接電路、調整滑動變阻器、讀取電流表和電壓表的數值就可以,一切盡在掌控之中,水到渠成,自然會得出結論。在這一過程中,孩子們體驗到的是什麼,或是說他們獲得的體驗是什麼?據我觀察,很多孩子表示歐姆定律不過如此,沒有什麼神秘的,實驗也非常簡單,結論似乎是天經地義的,這與真正的科學相差甚遠,甚至是背道而馳。

有體驗的課堂是活動建構的課堂,它的一個重要使命是把孩子在活動中獲得的體驗,內化並深化為富有教育性價值的經驗,這經驗是他們解決以後將要遇到的問題的有力武器。因此,教學中的歐姆定律實驗,其目的並不指向歐姆定律,至少不是主要或完全指向歐姆定律。上述兩種教學方式雖然得出結論的方法不一樣,一個是講授歐姆定律,一個是實驗歐姆定律,但其思路基本是一致的,即:由未知走向已知,由不知道歐姆定律到知道歐姆定律,已知是教學的終點。孩子們通過觀察實驗、記錄數據、數學計算,最終得到歐姆定律,露出如釋重負輕鬆愉快的表情,但這並不是科學家的快樂。當年,歐姆遇到的最大難題是兩個,一是沒有穩定的電源,二是沒有測量電流強度的儀器。這兩個難題導致探索電流規律異常艱難。歐姆所得到的快樂是建立在克服了實驗中的難題的基礎上。我們的教學能否也讓孩子收穫到這種快樂呢?——是探究的快樂而非僅僅是動手操作完成一項任務的快樂。答案是可以的。當然,我們沒有必要還原到歐姆的時代,經歷歐姆定律的發現過程。但是,我們可以把教學的基本思路進行調整,變由未知走向已知的教學為由已知走向未知的教學,把未知作為教學的終點。

實驗方案的設計,這樣一件有意思的事情,其實應該交由學生完成。我有幸觀摩過這樣一節課:教學開始,教師毫無懸念的展示了歐姆定律,比我們稱之為「傳統教學」的講授法還要簡單明了。隨後他拋出一個問題:歐姆定律提出後遭到很多人的質疑,歐姆因此而痛苦不堪,請同學們思考一下,在向世人證明歐姆定律的過程中,歐姆可能遇到的難題是什麼?你有什麼方法驗證歐姆定律,確定它是正確的或是錯誤的?很明顯,這樣一來,教學就成為從已知走向未知。已知是歐姆定律,未知是可能遇到的難題和可行的實驗方案。

孩子們提出很多歐姆可能遇到的難題,包括一些不屬於科學領域是人們思想觀念的問題,這極大地豐富了孩子的經驗,事實上在他們以後的人生中,也將會遭遇到類似問題——不是問題本身而是對問題的態度的困擾。在這一過程中,他們要利用已有知識對歐姆定律進行深入思考:如此明顯的事實,當時的人為何不接受呢?是哪些條件不具備而使歐姆的實驗缺乏說服力?這個簡單的數學表達式揭示的最本質的規律是什麼?一系列問題讓孩子們進入到真正的探究之中。此時的思考是帶著質疑和批評的思考,是更有價值的思考。

在自己設計實驗驗證歐姆定律的過程中,孩子們真的像科學家那樣開展工作,設計實驗方案、控制實驗變量、安排實驗程序……於是,問題出現了。因為實驗方案是孩子們自己制定的,他們所需要的材料實驗室裡沒有,場面很尷尬。但這不正是真實的情景嗎,歐姆當年的難題不就是條件不具備嗎?相反,如果一切都安排好了,探究又從何而來。於是,他們又修改實驗方案,重新設計變量。直到下課鈴聲響起,孩子們還在津津有味的工作。這份寶貴的體驗將會投射到他們的學習和生活中。如果把真實的生活看成人生的實驗室的話,沒有實驗員為他們準備好所有的實驗器材,也沒有教師給他們設計完善的實驗方案,路是他們自己走出來的。

有體驗的課堂核心是發展孩子的經驗,並把經驗投射到學習和生活中。因此我們必須要警惕,有些經驗是沒有教育性價值的,甚至是對孩子有害的。孩子走進實驗室,看到實驗桌上的材料儀器,把這些用上就完成了實驗,這種經驗很容易養成他們的惰性,助長他們的僥倖,使他們輕信和盲從。因此,把實驗桌上的器材收起來,把最有價值的事情交給孩子去做,給他們一個完整的體驗過程,才是真正的有體驗的課堂。

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  • 這個暑假和我一起自學九年級物理之17.2歐姆定律(免費)
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