基于問題情境 顯化科學方法教育①
——以“電能和電功”教學為例

(1. 北京市海淀區教育科學研究院，北京 100080;2. 北京市西城外國語學校，北京 100044)

基于問題情境顯化科學方法教育①
——以“電能和電功”教學為例

王宇航1王志茜2

(1. 北京市海淀區教育科學研究院，北京 100080;2. 北京市西城外國語學校，北京 100044)

針對“電能和電功”教學中對能量轉化和守恒關注不多、對電阻的處理很棘手、忽視科學方法顯化的現狀，本文提出了改進課堂教學的設想，并在教學實踐中進行嘗試。在這樣的教學設計和實踐中，不僅巧妙回避了電阻的問題，充分實現了課程標準的要求，并能突出問題情境的創設和顯化科學方法的教育。

問題情境;科學方法;電能和電功;教學設計

1 “電能和電功”的教學現狀分析

《義務教育物理課程標準(2011年版)》中“電能和電功”的內容出現在一級主題“能量”之下，課程標準明確提出：能量的轉化和守恒定律是自然界的基本和普遍規律。它與很多學科都有關聯，和生產、生活息息相關。這部分內容對于學生形成可持續發展的意識以及進一步學習其他科學技術，都是十分重要的[1]。但在實際教學之中，由于課時限制和教師對教學重難點的理解不同，在本節內容的教學中，老師們對能量的轉化和守恒關注不多。

在教學實踐甚至一些優質課比賽中，老師們往往直接請學生猜測：影響電功的因素有哪些？基于此前的知識背景，學生往往會猜測到通電時間、電壓、電流、電阻等因素。從科學知識來看，電功公式中并沒有出現電阻，所以很多一線老師深感棘手，既不能否定電阻的作用，又不能肯定電阻的作用。為了不影響教學設計的進行，在課堂教學中，許多老師要么直接回避電阻的問題，要么讓學生當作課后探究作業來完成[2]。

在課堂教學之中，關于影響電功的因素，老師往往引導學生在實驗中關注“控制變量法”的應用，忽視了概念建構過程中其他科學方法的顯化教育。

2 對教學現狀的思考及改進設想

為了探究影響電功的因素，不同版本的教材分別提供了如下三個實驗：觀察燈泡明暗程度，觀察電動機提升物體的高度，觀察電阻絲加熱煤油后的體積變化。這三個實驗都有各自的優缺點，均突出了能量轉化的問題[3]。在實際教學之中，老師們往往從這三個實驗中選擇一個在課堂教學上使用。如果在教學實踐中能整合這幾個實驗，且盡量多地展示這些實驗，學生對能量的轉化和守恒認識定會更加深刻。

創設問題的功能不僅僅在于引起學生好奇心，還應該是有助于學生從情境中提出問題，并就此展開思考[4]。關于引導學生猜測影響電功的因素有哪些，筆者認為，這樣直接提出問題的做法往往缺乏情境創設。由于缺乏必要的情境創設，學生們自然會猜測到電壓、電流、電阻等因素。在教學實踐之中可以創設某一個用電器消耗電能的情境，然后讓學生們猜測怎樣使這個用電器消耗更多的電能，繼而通過實驗驗證他們的猜想。由于只是涉及這樣一個用電器，學生們自然可以把思維聚焦于電壓、電流、通電時間等因素，巧妙回避電阻R帶來的負面遷移。借助對一個用電器適用的結論是否能推廣到其他用電器的問題，教師則可引導學生借助不同類型的用電器進行下一個探究實驗。

物理科學方法的教育內容主要包括3部分：思維方法、物理方法和科學方法[5]。思維方法是物理智力活動的核心，主導著科學思考，在物理學習中具有較強的邏輯力量，成為組織教學過程和構建物理知識網絡的經脈。電功這個概念是抽象的，但學生們卻能感知到用電器消耗電能的過程，而用電器消耗電能的過程又是電能轉化為其他形式能量的過程。分析這樣的研究過程，我們可以感受到轉換法的深刻體現[6]。對學生來說，當他們猜測并驗證某一個用電器消耗電能多少跟什么因素有關之后，老師應及時引導他們深入思考這樣的猜想對另外類型的用電器是否適用。學生將經歷一種由此及彼的類比思維過程。類比是由特殊到特殊或者由一般到一般的推理，是根據兩個(或兩類)對象之間在某些方面的相同或相似，推出它們在其他方面也可能相同或相似的推理方法[6]。在這樣的思維過程之中，學生們自然可以直觀地感受物理科學方法帶給自己的思維沖擊和愉悅體驗。

3 教學設計與實踐

“電能和電功”的教學一共有兩課時，從知識獲得的角度來說，第一課時的學習任務主要是基于實驗明確影響電功的因素和電功的定量表達式；第二課時則是電功的應用和電能表的使用。以下展示的教學設計主要涉及第一課時。

筆者力求展現本節課的教學設計和實踐過程，以及個別環節學生現場的反映。以“展示”來展現本環節之中教師借助PPT或者語言展示、講述的基本內容，以“問題”來展現本環節之中教師借助PPT或者語言展示的核心問題。在每一個問題后面，給學生留有思考時間，要求學生首先自己靜心思考，在思考的基礎上小組討論達成一致。

展示1：組裝簡單電路使一個小燈泡發光。

問題1：這個小燈泡消耗電能嗎？

學生一致認可小燈泡消耗電能。

問題2：怎么判斷這個小燈泡在消耗電能？

學生說看到了小燈泡發光。他們意識到，借助燈泡發光，能判斷出小燈泡在消耗電能。老師明確告訴學生，這就是一種轉換的科學方法。

問題3：這個小燈泡發光的時候發生了什么形式的能量轉化？

展示2：電能和電功的概念。

問題4：怎樣讓這個小燈泡消耗更多的電能？

學生首先提出讓小燈泡發光時間更長。關于時間因素，他們普遍認為用電器通電時間越長，消耗電能越多。有學生提出給小燈泡加更大的電壓，也有學生提出讓更大的電流通過小燈泡。

問題5：你怎么判斷這個小燈泡消耗的電能更多了？

有學生提出可以看燈泡的明暗程度，但又有學生提出如果燈泡發光不那么亮，但通電時間很長的話，消耗電能也可以很多。在討論之中，學生們逐漸達成共識，如果通電時間相同，則這個小燈泡越亮，消耗電能就越多。在討論之中，他們也意識到：結合歐姆定律來考慮，通過小燈泡的電流與加在小燈泡兩端的電壓是同步變化的，電流和電壓因素不能割裂開。

問題6：可設計什么實驗，來驗證你的猜想？

學生提出可以借助滑動變阻器或者學生電源改變小燈泡兩端的電壓，用電流表測量通過小燈泡的電流，并觀察小燈泡的發光情況。

展示3：借助滑動變阻器改變小燈泡兩端的電壓，觀察小燈泡的發光情況。

展示4：對小燈泡來說，它兩端的電壓越大、通過的電流越強、通電時間越長，則小燈泡消耗電能越多，換言之電流做功越多。

問題7：這樣的結論對其他類型的用電器也適用嗎？

展示5：展示電動機停電之后的轉動。

問題8：怎么判斷電動機消耗電能的多少？

學生提出在相同時間內可以看電動機的轉動速度、聽電動機轉動的聲音來判斷電動機消耗電能多少。

老師給學生演示電動機在不同電壓下的工作情況。他們發現，在不同電壓下電動機的轉動速度和轉動的聲音雖然有區別，但不是那么明顯。所以不能借助電動機轉速和聲音來判斷電動機消耗電能的多少。

又有學生提出，可以讓電動機提升重物，從而判斷電流做功多少。老師給學生演示電動機提升重物。

問題9：電動機提升重物的時候發生了什么形式的能量轉化？

問題10：怎么判斷這個電動機消耗電能更多了？

學生提出，在相同時間的前提下，可以看電動機提起同一個重物的高度。也有學生提出，在相同時間和相同高度的前提下，可以看電動機提起重物的多少。

展示6：在相同時間內，觀察電動機在不同電壓下提起同一個重物的高度。

展示7：對電動機來說，它兩端的電壓越大、通過的電流越強、通電時間越長，則電動機消耗電能越多，換言之電流做功越多。

展示8：基于小燈泡和電動機的實驗，可以得出一個具有普遍性的結論：對用電器來說，兩端的電壓越大、通過的電流越強、通電時間越長，則電流做功越多。

問題11：對一個用電器來說，電流做功多少和兩端的電壓、通過的電流、通電時間有什么樣的定量關系？

展示9：閱讀教材相關內容。

4 對教學實踐的反思

在上述教學設計之中，我們采用了小燈泡發光和電動機提升重物兩個實驗。兩個實驗分別涉及電能轉化為光能、電能轉化為機械能兩種不同形式的能量轉換。通過這兩個實驗情境，我們希望學生能從能量轉化的角度理解電能和電功。在教學之中，由于我們基于小燈泡發光的問題情境讓學生們提出猜想，從而回避了電阻的問題。在明確小燈泡消耗電能和什么因素有關的基礎上，我們又提出類比問題：這樣的結論對其他類型的用電器還適用嗎？怎么判斷電動機消耗電能的多少？縱觀上述教學設計，我們認為基于問題情境進行探究應該是物理教學的起點，但究竟什么樣的問題情境最適合具體科學內容的學習，還需要我們在后期深入研究。

關于科學方法的教育，物理教育研究者和一線教師已經達成共識：物理科學方法的教育，要從隱性教育轉變為顯性教育。但科學方法的顯性教育絕對不是“貼標簽”式的知識記憶。由于學習者物理學習的進程與人類研究物理學的進程相似，這就要求我們在教學實踐之中關注科學概念的起源和發展，創設條件使學生經歷類似物理學家在科學探索中的過程，從而體會物理學家的研究方法[7]。

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準(2011年版)[M].北京：北京師范大學出版社，2012：16.

[2] 周亮.面對“好問型”學生——記《電功》一堂有意義的探究式教學[J]．中學物理，2016，(6)：89-90.

[3] 韓國法，桂艾祥.“對探究影響電流做功多少的因素”實驗思考[J]．中學物理，2013，(5)：85-86.

[4] 郭玉英.中學物理教學設計[M].北京：高等教育出版社，2016：50.

[5] 邢紅軍.初中物理科學方法教育[M].北京：中國科學技術出版社，2015：56.

[6] 張憲魁.物理科學方法教育[M].青島：中國海洋大學出版社，2015：92，80.

[7] 母小勇，馬娜.學生與物理學家共同體概念形成過程的相似性[J]．課程·教材·教法，2015，(3)：73-78.

①本文系教育部學校規劃建設發展中心2017年立項重點課題“海淀區推進未來學校建設的實踐研究”(課題編號：CSDP17FS1106)的階段性成果。