周易
摘要：“科学思维”是物理学核心素养的重要组成部分，是高中物理教学中重要的思维方法，主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑与创新等。文章基于此视角，对计量器具修改中存在的问题进行分析，并对实验教学进行反思。
关键词：科学思维；电表改造；实验教学
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148 (2019)6-0031-3
实验室常用的电压表、电流表都是由满量程较小的电流表头改装而成的。由于实验要求不同，对其量程的要求也不同，所以改装的目的主要就是“扩大量程”。下面分别对电压表、电流表的改装进行分析。
1 电压表的改造
1.1 修改特点
电流表的满偏电流Ig和内阻Rg已知，由于满偏电流Ig太小，不能直接用来测量，只用来检测电路中是否有电流，并判断其方向。根据欧姆定律，电表满偏时的电压为Ug=IgRg，同样，Ug太小高中物理电表的改装，不能承受较大的电压。为了满足实验的需要，必须在电表上串联一个分压电阻R0（改造过程如图1所示）。
改造后的新仪表（电压表）的参数如下：
问：常用的电压表一般都有多个量程（至少两个），那么应如何设计和改造？
分析：设计图如图2所示。
1.2 核心竞争力分析
（1）模型描记：改进型电压表的物理“原型”其实就是最基本的串联电路，如图3所示。电路中电流处处相等，电路两端的总电压等于各串联电阻两端电压之和，电路总电阻等于各串联电阻阻值之和。
（2）推理创新：串联电路中，总电压被分配到每一个串联电阻上，阻值大的电阻接受到的电压大，阻值小的电阻接受到的电压小。基于这样的推理，思维的火花油然而生，脑海中立刻浮现出“共享”的思路——如果能在表头上串联一个“电压共享器”，量程不足的问题就解决了。于是，一个全新的设计浮现在我的脑海中，就是图1所示的改进设计（多量程的情况也是一样，这里就不再赘述）。
（3）素养呈现：看似简单的建模推理过程蕴含着科学推理，培养创新思维，内化学科特色，充分展现物理核心素养。没有扎实的知识基础和良好的思维习惯，什么事也做不成。
2 电流表改造
2.1 修改特点
由于该表的满偏置电流Ig太小，直接用它来测量可能会烧坏表，为了满足实验的需要，必须在表头上并联一个分流电阻R0（改造过程如图4所示）。
显然，R0越小，膨胀倍数越大。
问题：如何设计具有多个量程（至少两个）的电流表？
分析：设计图如图5所示。
2.2核心竞争力分析
（1）模型描记：改造电流表的实物“原型”来自于最基本的并联电路，如图6所示。电路中各支路两端电压相等，电路总电流等于各支路电流之和，电路总电阻的倒数等于各支路电阻倒数之和。
（2）推理创新：并联电路中，总电流被分配到各个并联支路中，电阻大的支路得到小电流，电阻小的支路得到大电流。基于这样的推理，“均流”的思路又浮现在脑海中。于是，产生了图4所示的修改设计。
然而在“多量程”改造方面，电流表的设计要比电压表复杂得多——单纯地增加支路来实现电流的“分流”已经行不通了。因为这样虽然扩大了量程，但却无法实现多量程的共存。因此，我们只好换个角度，在“改变分流电阻的阻值”上做文章，这样既能实现量程的扩大，又能实现多量程的共存，如图5所示。
（3）素养呈现：同样，建模与推理的过程培养创新思维，包括科学推理。特别是在多尺度设计中，我们经历了模型构建、科学推理、问题发现、质疑与论证，最后得出新的解决方案。每一个环节都与科学思维有关，有助于内化学科素养，不断激发好奇心和求知欲。是对基础知识、基本技能、思维品质和科学态度的一次重大回顾与提升。
3 反思性教学
不难看出，面对新情况、新任务，当需要运用所学的物理理论、实验方法、实验仪器进行创新设计、解决实际问题时，科学思维能力就显得尤为重要。
因此，必须摒弃“讲代做、演示为主、过度模拟、机械重复”的传统实验教学模式，从新思路出发，着力培养和提高学生的科学思维能力。
（1）注重理解基本概念、基本规律，积累更多的实物“原型”。“水为什么这么清？因为它来自一个清澈的水源”就是这个道理。没有“老枝”，就没有“新芽”。
（2）深刻理解实验原理留学之路，敢于质疑，勤于论证，勇于创新。有了“老枝”，还要施以“阳光、雨水、肥料”，才能让“新芽”茁壮成长。这就是质疑、论证、创新的重要性。
（3）高质量地完成基础实验，多做动手操作，少做模拟演示。如果只用讲授代替实践、演示、模拟，学生自然会期望高而技能低（听的时候听懂了，做的时候却出错）。只有自己动手，亲身体验，发现问题，解决问题，才能真正掌握必要的知识和技能。
（4）学以致用，面对真实情况，解决实际问题。这是学习的最高境界。有条件的话，多开展课外实践活动高中物理电表的改装，解决实际问题（如检测电路故障、探究声控电路、设计晴天雨天自动晾衣架等），把所学知识转化为技能，内化学科特色，提高学科素养。
综上所述，科学思维是运用物理知识解决实际问题的重要保证，在实验教学中培养学生的科学思维能力尤为重要。为此，我们要重视基础实验，准确理解和体会其中所展现的科学思维能力，进一步提高课堂效率；同时要不断提高自身的学科素养，深化对学科本质的理解。只有这样，才能更好地完成实验教学任务，提高学生的科学思维能力，促进学生的终身发展。
(专栏编辑邓蕾)