從生活到課堂--三用電表的教學示例


文/林宣安

 前言

在國中電學的基本測量幾乎都只教導伏特計與安培計,反而是常見的三用電表學生卻不會操作,如此的學習內容明顯和生活有些脫節。在十二年國教新課綱中有一個重點,就是希望學習內容可以和生活結合,因此也正式將三用電表的使用納入正式課程,但有些老師對於三用電表的使用卻不一定熟悉。筆者在多年前就嘗試在課堂中教導學生使用三用電表,最近再將其整理成系統化的教學模組,設計了此操作型的探究活動。
藉由三用電表的使用,讓學生學習如何測量電路中的電壓和電流,以及小燈泡的電阻,加上教學流程的刻意安排,希望學生主動發現用三用電表直接測量電阻,和通電後測量電壓、電流的計算值的不同結果,讓學生嘗試說明並判斷這兩個結果的差異,引導學生數據處理的原則與方法,落實新課綱學習表現中「分析與發現」的表徵,並藉此引出溫度對電阻的影響,同時帶出科學實驗條件控制的極限概念,最後也讓學生自行設計如何運用三用電表(或不用三用電表)來查電路線,真正讓電學落實在生活運用中。

 教學目標與對象

此教學活動實施的對象為九年級的學生,主要施作的時間點安排在基本電路連接都已經教授完畢之後的總結,希望學生可以認識三用電表常用的基本功能,並學會利用三用電表測量電壓、電流與電阻,並能設計檢查電線是否斷掉的方法,也藉由老師的引導,重新檢視歐姆定律的適用範圍。
在學習表現上也嘗試讓學生學習數據處理的方式與原則,並了解科學實驗條件控制的極限。

一、 教學內容

(一)認識三用電表
1. 分組觀察三用電表的不同檔位,並標出每個檔位所測量的物理量及其單位(圖1)。
此教學設計希望學生透過自行摸索去獨立觀察與記錄,而非只是單向接收老師給的「標準答案」
2. 確認不同檔位探針所要插入的孔位置,以及正負極連接正確或錯誤所出現的訊息。
3. 實測看看,若超出測量範圍螢幕會顯示甚麼訊息。
每種儀器對於不同訊息的標示都不同,藉由操作了解三用電表的代號意義。


圖1. 標出每個檔位所測量的物理量及其單位         


4. 課堂紀錄
(1) 學生幾乎都是第一次接觸三用電表,因此非常新奇,也藉此引導學生重新複習一次各個不同物理量的代號和所用的單位
(2) 師:「上面的數字表示甚麼意思呢?」,生:「可測量的最大值」、「和之前用的伏特計一樣」。師:「那如果破表會怎樣?」,生:「……」,師:「那你們自己試試看啊」,生(不可思議的表情):「那壞掉怎麼辦?我不敢試」,師:「放心去試,只要不是測電流,基本上都是安全的,壞掉算老師的!」,生:「太棒了,可以隨便玩了!」

我們的學生似乎已經被訓練到不敢輕易去嘗試不了解的事,也因此逐漸失去了探索新鮮事物的樂趣,其實只要在安全的範圍(但不可讓電流破表,也讓學生進一步討論原因),老師應該放手讓學生去嘗試,即使是一般所認知的錯誤方法,也是讓學生知道某些行為下的結果。壞掉確實算老師的,但這是值得投資的事!

(二)練習利用三用電表測量電壓、電流和電阻
1. 嘗試自行連接一個燈泡的電路,並畫出電路圖。
在此還是希望讓學生再將電路圖的畫法和實際的電路連結做一個統整,畢竟電路圖的表示還是學習電學的重要方法,這是必須去學習的符號表達方式。

2. 開放所有所需的材料讓學生自行取用,而非由老師決定(圖2)。
實驗的目的不只是學習實驗的方法與技巧,對更多的孩子來說更是學習如何有效率、有系統規劃一個工作的機會,因此開放實驗的材料與步驟,讓孩子從中學習更多溝通與探究的能力。


圖2. 學生自行選擇需要的器材         

3. 利用三用電表測量燈泡通路後的電壓與電流(圖3),並利用公式計算出此時的燈泡電阻(計算值)。
學生通常都只會從題目中去計算電阻,卻不知道電壓和電流的數字是怎麼得來的,藉由三用電表的操作實際讓學生得到一組燈泡的電壓與電流,同時也練習電壓與電流測量的不同方式(串聯或並聯?如何連接?)
4. 拆下燈泡,直接利用三用電表測量燈泡的電阻(測量值)。
5. 比較這兩種方法(計算值和測量值)所得到的電阻有何不同,可以參考其他組的答案。

這是本次課程安排的最大伏筆,沒有事先讓學生知道(他們以為只是在玩三用電表而已!),希望讓學生主動發現實驗結果的不同之處,同樣測量電阻,為何差異會如此大?這麼大的差異你決定要接受那一個?你判斷的原則是甚麼?如何客觀選擇所得到的實驗結果是最後實驗分析的重要關鍵,而不是只有著重在操作方法而已。


圖3. 利用三用電表量測電壓和電流         


6. 課堂紀錄
(1) 上課過程中發現許多會畫電路圖的學生卻不會實際接電路,有些卻是會接不會畫,同組之間的合作教學在此展現無遺。
(2) 實測電路的燈泡電壓與電流,感受到學生在沒有實際操作下對於串並聯根本一知半解,但在實驗過程中重新複習串並聯的概念,就不再是純記憶的模糊概念了。
(3) 嘗試讓學生初步討論燈泡電阻「計算值」與「測量值」之間的差異,大部分學生很難在第一時間看出溫度的影響,確實需要老師更多的教學引導,也因此有下一節課的教學統整活動

(三)設計查線的方法
1. 隨機抽取五條線(已事前製作好),並嘗試設計兩種以上的方法檢查線是否斷掉?
這個活動對學生來說非常實用且有趣,因為他們在稍微思考一下後,都可以得到正確的結果,因此,學生操作過後都很有成就感,也紛紛主動希望可以查更多的線,想出更多查線的方法,也讓他們對三用電表在生活中的用處更有感覺,這真是讓人興奮的課堂風景!






2. 課堂紀錄:
(1) 事先製作60條外觀相仿的電線,其中20條斷路,40條正常,並隨機編號讓學生抽取五條,學生對這項挑戰都感覺到非常興奮。
(2) 原本設定測5條電線,兩種方法,但許多組後來玩出樂趣,幾乎把所有電線都拿去試,也都設計出3種以上的方法,真正讓學習進入主動的氛圍
(3) 生:「老師,這樣我就會測家裡的延長線有沒有斷掉了」、「原來測電線有沒有斷這麼簡單,以前以為多難呢!」、「太有成就感了啦!」

(四)教學統整
1. 學生分享使用三用電表的心得

 




2. 統整各組燈泡的測量值與計算值的差異,並帶領學生分辨是否為「可參考的實驗結果」的原則(圖4)。
這是重要的實驗結果分析,先整理各組的答案,發現雖然測量值和計算值有顯著的差異,但同樣測量值或計算值各組卻都很接近,這表示甚麼意思?這樣的結果是否是可信的?若可信,那就表示我們一定有一個變因沒有控制好,導致結果的不同(但卻有志一同的集中在某個結果),帶領學生回想實驗過程中的變因,並一一分析釐清。


圖4. 協助學生整理實驗數據         

3. 重新認識歐姆定律。
回到歐姆定律的前提,必須是溫度不變情況下,通過電阻電壓與電流的比值為定值,但真實的世界中只要電阻加上電壓幾乎溫度都會上升,因此這個過程讓學生感受到許多實驗的先決條件其實很難達到。因此真實世界總會和理想狀態的預期有落差,這是無可避免的事,但這樣的理論也提供了一些接近真實情況的參考,科學是有極限的,這才是科學真正的本質。

「一定要親自弄清事實,才能確定事實的可信度!」學生如是說。

 




二、 學習評量

充分利用學習單的優點,反覆來回修正學生的想法,教師批改後發回後再更正,如此不但可以在有限的時間內達到進度的要求,也可以讓學生更深入的探究背後的原理與相關的知識技能,真正落實探究與實作完美的結合,也讓學生將知識可以充分應用的生活中。
學生的回饋中也對這樣的實作方式感到相當的肯定與喜愛,雖然未來不一定有老師會延續類似的教學方法,但身為老師如果可以在有限的時間與空間裡,給予孩子們更多元的學習機會,或許就可能造就某些孩子不一樣的人生,值不值得就不是當下可以評斷的了。






 附錄

附錄一. 無敵三用電表實驗紀錄單


林宣安
臺中市立長億高級中學教師