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运用DIS探究“导体的伏安特性”教学设计

  • 投稿车师
  • 更新时间2015-09-02
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  摘 要:本研究分为3部分:1.采用传感器和DIS(数字化信息系统)获取导体的伏安特性曲线,完成采用传统教学手段一课时不可能实现的教学目标!2.本节课设计了四个探究环节:(1)描绘金属导体伏安特性曲线;(2)线性元件与欧姆定律;(3)描绘小灯泡(二极管)的伏安特性曲线;(4)非线性元件、非线性伏安特性曲线的理解与应用。3.本节课采用小组合作形式,通过多媒体教学网络广播系统共享实验结果。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
  关键词:欧姆定律;教学设计;传感器;DIS 线性元件;非线性元件;伏安特性;屏幕广播
  中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2015)6-0073-6
  1 教学内容分析
  (1)教材分析:“人教版”高中物理(选修3-1)第二章《恒定电流》中的第3节《欧姆定律》,教材首先回顾了初中学过的电阻的定义式及欧姆定律,然后重点阐述了导体的伏安特性,并分别描绘了小灯泡、半导体二极管的伏安特性曲线,对比了它们的导电性能。
  (2)《课程标准》要求:①观察并尝试识别常见的电路元器件,初步了解它们在电路中的作用;②分别描绘电炉丝、小灯泡、半导体二极管的I-U特性曲线,对比它们导电性能的特点。
  2 教学对象分析
  (1)学生在初中已经学习过的电阻的测量、电压的调节等电路的相关基础知识,为本节实验方案设计打下了基础;
  (2)初中已经学习过的欧姆定律基础知识,为欧姆定律的深化理解起了铺垫作用;
  (3)学生具备了一定的探究能力、逻辑思维能力和归纳演绎能力。
  3 教学目标
  3.1 知识与技能
  (1)了解线性元件及其特点;
  (2)理解欧姆定律及其适用条件;
  (3)了解非线性元件及其特点。
  3.2 过程与方法
  (1)通过亲历“导体伏安特性曲线”描绘的全过程,进一步熟知科学探究的各环节;
  (2)通过描绘导体伏安特性曲线,体会图线法在物理学中的作用;
  (3)初步掌握传感器、DIS(数字化信息系统)的操作和使用方法。
  3.3 情感态度与价值观
  (1)通过使用传感器和DIS(数字化信息系统),增强数字化、信息化科学意识;
  (2)通过与同学的讨论、交流、合作,提高学生主动与他人合作的意识;
  (3)通过多媒体教学网络广播系统共享实验结果,享受分享和成功带来的喜悦、提高学生合作共享意识。
  4 教学重点
  (1)线性元件与欧姆定律
  (2)线性伏安特性曲线的理解与应用
  5 教学难点
  (1)实验方案的设计与电路连接、DIS(数字化信息系统)的使用;
  (2)非线性伏安特性曲线的理解与应用。
  6 教学策略设计
  6.1 《课程标准》要求
  (1)观察并尝试识别常见的电路元器件,初步了解它们在电路中的作用;
  (2)分别描绘电炉丝、小灯泡、半导体二极管的I-U特性曲线,对比它们导电性能的特点。
  这是采用传统的教学手段一课时不可能实现的教学目标!而采用传感器和DIS(数字化信息系统)获取导体的伏安特性曲线,利用现代化信息技术,不仅大大提高了课堂教学效率,而且增强了学生数字化、信息化科学意识。
  6.2 本节课设计了四个探究环节
  (1)探究环节一:描绘金属导体(合金丝绕成的5 Ω、10 Ω电阻)伏安特性曲线
  该环节包括实验设计、电路连接、数据收集、数据的图线法处理,得出金属导体的伏安特性曲线是“过原点的直线”的实验结论。其中,包含了科学探究的“提出问题、设计实验、数据收集、分析论证、结论评估”诸多环节,使学生进一步熟知科学探究的各环节。
  (2)探究环节二:线性元件与欧姆定律
  (3)探究环节三:描绘小灯泡(二极管)的伏安特性曲线
  (4)探究环节四:非线性元件与非线性伏安特性曲线的理解与应用
  其中,环节一、三均采用两组差异化的实验器材――合金丝绕成的5 Ω与10 Ω电阻,小灯泡与二极管。这样设计,既提高了实验效率,又使实验具有了普遍性。而通过寻找两组不同曲线的异同,又能自然总结出线性元件、非线性元件的概念和特点。
  6.3 本节课采用小组合作形式
  使学生通过与同学的讨论、交流、合作,提高学生主动与他人合作的意识;通过多媒体教学网络广播系统共享实验结果,享受分享和成功带来的喜悦,提高学生合作共享意识。
  7 教学设备
  25组描绘导体伏安特性曲线器材、“友高”数字化实验系统、多媒体教学网络广播系统、多媒体课件展示、实物投影仪、半波全波整流、滤波线路板。
  8 教学过程
  引入新课
  【教师】
  实物投影:整流、滤波线路板,介绍元件、功能。
  引入课题:该线路板为何能实现如此神奇的功能呢?那就要求设计者对各元件的性能非常了解,而导体的伏安特性就是其中一项重要的性能。
  【学生】
  观察、思索、好奇、兴奋。
  【设计说明】
  激发学生研究导体伏安特性的兴趣。
  新课教学
  探究环节一:描绘金属导体伏安特性曲线
  (一)提出问题
  【教师】
  (1)今天我们就首先探究金属导体(合金丝绕成的5 Ω、10 Ω电阻)的伏安特性。
  (2)划分四个研究小组,每组六台电脑。
  【学生】   熟悉小组成员,选出小组长。
  【设计说明】
  小组合作。
  (二)设计实验
  (1)方案设计
  【教师】
  导体的伏安特性曲线――用横轴表示电压U,纵轴表示电流I,画出的I-U图线叫做导体的伏安特性曲线。
  注意解决三个问题:
  ①如何测量导体的电流、电压?
  ②如何改变导体的电流、电压?
  ③怎样描绘导体的伏安特性曲线?
  【学生】
  分组讨论:
  ①达到实验目的所需的实验器材;
  ②画出实验电路图、概述实验方案。
  【设计说明】
  ①提高学生的实验设计能力;
  ②利用学生在初中已经学习过的电阻的测量、电压的调节等电路的相关基础知识。
  (2)方案论证
  【学生】
  小组长说明实验器材。
  【教师】
  展示实验器材实物图(图1)。
  【学生】
  小组长投影实验电路、简述实验方案。
  【教师】
  展示实验电路(图2)。
  (3)方案改进
  【教师】
  在数字化时代,我们利用电压传感器、电流传感器替代电压表、电流表,利用“友高”数字化实验系统替代手工记录和坐标纸来完成此实验探究(图3)。
  【学生】
  阅读《描绘导体伏安特性曲线》操作指南。
  【设计说明】
  采用传感器和DIS,提高效率,完成传统实验器材不可能完成的任务。
  (三)数据收集
  (1)分组实验
  【学生】
  分组实验:1、2组10 Ω电阻;3、4组5 Ω电阻,同组成员相互协作。
  【教师】
  ①指导学生打开软件、实验模板、传感器调零,按操作指南要求收集数据、保存实验,暂不关闭等待分享实验数据(图4)。
  ②巡回指导。
  ④利用多媒体网络广播系统了解各组实验进度情况。
  (2)成果分享
  【教师】
  通过广播系统向全体同学展示4个小组的实验结果。
  【学生】
  观察、对比。
  【设计说明】
  采用两组差异化的实验器材,既提高了实验效率,又使实验具有了普遍性。而通过寻找两组不同图线的异同,又能自然总结出线性元件的概念。
  (四)结论评估
  【教师】
  请分析两图线的异同。
  【学生】
  (1)两图线均为过原点的直线――线性元件。
  (2)两图线的斜率不同――电阻值不相等。
  探究环节二:线性元件与欧姆定律
  (一)线性元件
  【教师】
  (1)金属导体的伏安特性曲线是通过坐标原点的直线,具有这种伏安特性的元件称为线性元件。
  那么,线性元件有什么特点呢?
  【学生】
  观察、思考后回答。
  (2)通过同一线性元件的电流强度与加在导体两端的电压成正比。
  【教师】
  展示两个电阻的伏安特性曲线(图5)。
  【学生】
  观察、思考后回答。
  (3)电压一定时,通过导体的电流强度与导体本身的电阻成反比。
  【教师】
  线性元件这两大特点你联想到哪条规律?
  【学生】
  齐答:欧姆定律。
  【设计说明】
  线性元件与欧姆定律两知识点自然衔接。
  (二)欧姆定律
  【教师】
  内容:通过导体的电流强度跟加在导体两端的电压成正比,跟导体本身的电阻成反比。
  适用范围线性元件金属导体电解液纯电阻电路
  【学生】
  回顾、归纳。
  【教师】
  情感教育:介绍欧姆及其实验装置(图6),阐述原创性实验的开拓性及对科学发展的重大影响!
  【学生】
  好奇、兴奋。
  探究环节三:描绘二极管小灯泡伏安特性曲线
  (一)提出问题
  【教师】
  下面我们分四小组、两大组分别描绘二极管和小灯泡的伏安特性曲线。
  【学生】
  更换器材、连接电路(图7)。
  (二)数据收集
  (1)分组实验
  【学生】
  分组实验:1、2组二极管;3、4组小灯泡,同组成员相互协作。
  【教师】
  ①指导学生打开软件、实验模板、传感器调零,按操作指南要求收集数据、保存实验,暂不关闭等待分享实验数据。
  ②巡回指导。
  ③利用多媒体网络广播系统了解各组实验进度情况。
  (2)成果分享
  【教师】
  通过广播系统向全体同学展示4个小组实验结果。
  【学生】
  观察、对比。
  【设计说明】
  采用两组差异化的实验器材,提高了实验效率,而通过寻找两组不同图线的异同,又能自然总结出非线性元件的概念。
  (三)结论评估
  【教师】
  请分析两图线的异同(图8)。
  【学生】
  (1)两图线均为曲线――二极管为非线性元件。   (2)两图线的弯曲方向不同――二极管的电阻随电压升高而减小;钨丝的电阻随电压升高而增大。
  (四)知识点辨析
  【教师】
  钨丝(小灯泡灯丝)属于金属导体,但其伏安特性曲线为何呈现曲线?(图9)
  【学生】
  因为灯丝温度变化范围过大。
  【教师】
  动画:手工绘制钨丝伏安特性曲线。
  可以看出:曲线起始端温度变化很小,呈现线性。
  探究环节四:非线性元件
  (一)非线性元件的概念
  【教师】
  (1)气态导体和二极管的伏安特性曲线不是直线,这种元件称为非线性元件。
  (2)对非线性元件,欧姆定律不适用。
  (3)非线性元件的电阻除了由材料本身决定外,还与加在其两端的电压有关。
  【学生】
  观察、思考。
  【设计说明】
  实验与知识点自然衔接。
  (二)非线性伏安曲线的理解与应用
  (1)跟踪练习――非线性伏安曲线的理解
  【教师】
  ①小灯泡通电后其电流I随所加电压U变化的图线如图10所示,P为图线上一点,PN为图线在P点的切线,PQ为U轴的垂线,PM为I轴的垂线,则下列说法中正确的是( )
  (2)拓展练习――非线性伏安曲线的应用
  【教师】
  ②一小灯泡的伏安特性曲线如图11所示,将该灯泡与一个R=6 Ω的定值电阻串联,接入输出电压U=3 V的恒压电源,如图12所示,试求通过小灯泡的电流强度。
  【学生】
  解析:在小灯泡的伏安特性曲线中做出U=3-6I 的图线(图13)。
  从两图线的交点求出通过小灯泡的电流强度为I = 0.22 A。
  【设计说明】
  拓展学生解题思路,增强学生图线法解决问题的意识!
  课堂小结
  【教师】
  引导学生回顾、归纳总结。
  知识小结:线性元件、欧姆定律、非线性元件。
  方法小结:实验探究、图线法、数字化。
  【设计说明】
  比知识更重要的是方法!
  作业布置
  【教师】
  (1)课本P48页2、3、4题。
  (2)请你设计一套描绘二极管完整伏安特性曲线(含正、反向电压)的方案。
  (3)网上查阅欧姆定律的发现历程。
  【设计说明】
  三道作业分别对应“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三维目标。
  参考文献
  [1]张金权.DIS数字实验系统与物理探究教学整合的策略[J].物理教学探讨,2013,(11):56.
  [2]刘茂军,刘惠莲,肖利.基于数字化传感器开展物理实验教学的问题、方法与策略[J].物理教学探讨,2013,(11):71.
  (栏目编辑 邓 磊)