借助PCK理論優化教學設計

王永勝

【摘要】“多用電表原理”是高中物理疑難問題之一，文章基于PCK理論對“多用電表的原理”教學設計進行優化，取得非常好的效果。

【關鍵詞】多用電表原理；教學設計；PCK理論

“多用電表原理”是高考實驗考察的重點內容之一，也是學生最為頭痛的疑難之處。無論是電表電流的流向問題，歐姆調零的本質，還是歐姆表的換擋原理，學生多數是機械記憶，不曾正真理解。如何通過教學來改變這一局面呢？筆者在實際教學過程中，借助PCK理論，從教師的學科的知識、課程的知識、學生的知識以及教學的知識四個維度，對“多用電表原理”一節的教學設計進行優化，取得很好的教學效果。

一、新課引入

教師引導學生回顧有關電壓表、電流表相關知識：（1）兩個電表改裝的原理以及改裝電路圖（如圖2所示）；（2）兩個電表的中紅黑接線柱的連接原則以及其中電流流向規律。簡單復習之后，引出本節課的學習主題。

【設計意圖：PCK理論指出，教師在教學設計過程中，要從課程知識角度進行設計。首先，從多用電表改裝的實驗方法上來看，電流表與電壓表的改裝的方法與歐姆表改裝的方法是一脈相承的；其次，多用電表中，三個電表的電流流向法則本質上是統一的。因此，在新課教學之前，引導學生回顧兩個電表的改裝，一方面為學生接下來的自主探究提供方法借鑒；另一方面為突破歐姆表電流方向這一教學難點，實現學生意義建構奠定基礎。】

二、教學活動1：測電阻

教師給出如下的一個測量電阻開放問題，引發學生對電阻測量的深層次思考。

例題：待測電阻Rx；電源：電動勢2V，內阻0.5 Ω；電流表：10mA，內阻9.5 Ω；電壓表：3V 內阻約為3 KΩ；電阻箱：0-9999 Ω；滑動變阻器0-1000 Ω；開關、導線若干，若還要其他實驗器材，自選。你能想到幾種測量的方法？請畫出測量電路圖并寫出測量Rx的表達式。

學生在思考后給出3種測量電阻的方案以及測量表達式，如表1所示。

學生交流評估3種電阻的測量方案，給出歐姆表中測量電阻的原理應為方案3。

【設計意圖：嚴玉琴老師在《從中學物理教師的PCK看課堂教學設計》一文中指出，物理教師在進行課堂教學設計過程中，在充分評估學生相關知識儲備基礎上，進行課堂教學的針對性設計已達到事半功倍的效果。學生在學習多用電表原理之前，在恒定電流相關內容學習過程中，對于電阻的測量已經進行過深入的學習與研究，為歐姆表的改裝設計提供了知識基礎。因此，在“多用電表原理”一節內容的教學過程中，學生已經具備自主探究的能力。】

因此，基于對學生的認知水平，在多用電表的原理教學過程中設計了一個開放性問題：測電阻。歐姆表改裝原理是閉合電路的綜合應用，因此在教學過程中，設計如上的測量電阻開放問題。如此一方面幫助學生進一步理解閉合電路歐姆定律；另一方面，提高學生分析與處理問題的能力。在測量電阻問題解決過程中，學生找到歐姆表改裝的基本原理。初步體會歐姆表測量原理，為接下來的電表改裝順利進行提供保證，也為學生理解歐姆表測量原理提供理論支撐。

三、教學活動2：探究歐姆表原理

在測電阻活動后，學生明確了歐姆表改裝的基本原理，教師引導學生設計歐姆表改裝的具體實驗方案。在經歷實驗設計方案由1.0版本到2.0版本的升級過程后，學生在明確設計方案的同時，深刻認識歐姆表的設計原理。具體的教學活動設計如表2所示。

【設計意圖：PCK理論指出，教師要具備一定的學科教學的知識，即指教師要具備教學內容的選擇與組織，教學內容的表征與呈現手段，學生學習活動的設計的相關能力。教師在教學過程中，要根據不同的教學內容，選擇適合教學內容的最優化教學策略。對多用電表原理這一內容，在實際教學過程中，教師如果依據教材照本宣科，最后將多用電表的一些使用注意事項總結提煉一下，讓學生死記硬背，這樣勢必會導致學生對于多用電表的原理一知半解，云里霧里，不能深刻理解“多用電表原理”，為實際問題的解決帶來了許多障礙。怎樣解決呢？蘇霍姆林斯基曾說：“在人的心靈深處，都有一種根深蒂固的需要，這就是希望自己是一個探究者、發現者、研究者，而在兒童的精神世界中，這種需要特別強烈。”因此，在教學過程通過實驗方案1.0版的不完善，引發學生3個認知沖突，使學生產生強烈的解決問題的內部動機，從而主動投入到知識生成、發展、運用的過程，實現本節課教學難點的突破。】

四、教學活動3：改裝多用電表

升級歐姆表實驗設計方案后，教師連接好改裝電路：干電池一節（電動勢1.5V、內阻均未知）、電阻箱（2個）、滑動變阻器、靈敏電流計（100mA），導線若干。教師“偶然”間將歐姆表的兩個接線柱短接了，學生“意外”發現歐姆表的指針不在零刻度處，引發學生認知沖突，引起學生深入思考。成功解決“歐姆調零”問題后，教師又指出連接電路的電源、電流表內阻未知的實際情況，進一步啟發學生深入思考歐姆表內阻的內涵與歐姆調零的意義。在所有問題成功解決之后，學生自主動手改裝歐姆表。通過實際測量一些具體阻值，體會歐姆表的使用方法與注意事項。

【設計意圖：PCK理論指出教學要具備一定的學生知識，即教師對學生學習特定內容過程中的經驗可能出現的困難有足夠的認識。這些困難一方面指的是內容本身給學生學習帶來了困難，另一方面是由于不同學生的認知水平差異而造成的對于該內容的典型誤解。《多用電表原理》一節中，歐姆調零原理對學生來說就是第一種情況。在教學過程中，由于教師對學習知識的認識不夠深刻，對于“歐姆調零”往往只是簡單介紹一下，至于為什么要歐姆調零，更是一帶而過。古人云：知其然，而知其所以然。本節課中，教師在學生經過理論探究的基礎上，在學生深入討論后，在學生自以為改裝成功時，通過實驗展示歐姆表短接后，指針不在零刻度的這種真實情況，激發學生認知沖突，引導學生深入理解歐姆調零的緣由與必然。同時教學過程中，在電源內阻等歐姆表內部電路的電阻未知的問題拋出，啟發學生認真梳理歐姆表改裝的原理，進而對于歐姆表的內部電阻以及中值電阻等概念理解更加深刻。】

五、教學活動4：組裝多用電表

教師引導學生思考三種電表改裝的共同點和本質：電流表、電壓表以及歐姆表都是靈敏電流計改裝而來的；改裝的本質都是借助電流與被測物理量之間建立一一對應的關系來進行電表改裝，并在此基礎上提出研究問題：電壓表、電流表和歐姆表都有一個表頭，三個電表能不能三合一呢？三合一前對三個電表的電流流向要進行怎樣的約定呢？ 學生思考并給出三表合一的具體方案如圖3所示。

【設計意圖：多用電表的電流流向問題考查對學生來說是一個頭痛問題，特別是多用電表的歐姆檔的電流流向，學生總是無法準確描述，究其原因在于學生對于多用電表的內部構造不是十分清楚的。因此，在教學活動的最后，設計了組裝多用電表的環節。借助新課引入環節中初中知識復習，明確電壓表和電流表的電流流向原則：紅色接線柱接電源的正極，黑色接線柱接電源的負極。從電流的流向來看，電壓表和電流表的電流流向規律是相同的，都是從紅色接線柱流入電表，從黑色接線柱流出電表的。】

歐姆表是一種測量電阻的電表，它的兩端接線柱原則上是沒有具體紅黑之分的。但是如果要進行三表合一，則三種電表的電流流向必須要進行統一。如此一來，歐姆表的電流流向就必須和電壓表、電流表進行統一，即“紅進黑出”.

綜上，高中物理難學是不爭的事實，難學的內容和原因都因人而異。從PCK的視角看， 原因可能來自“學科知識本身、知識的前后聯系、學生原有的基礎（前觀念）和教學策略的選擇”等四個方面。教學中，教師借助PCK理論對“目標的設定、內容的選擇、策略的把握和評價的實施”等教學要素的設計優化，勢必會起到事半功倍的效果。

【參考文獻】

[1]嚴玉琴. 從中學物理教師的PCK看課堂教學設計[J]. 物理教學，2014 （9） ：17-19.

[2]湯家合.基于PCK理論的教學設計——以“向心加速度”概念教學為例[J].物理教師，2017 ， 38 （5） ：17-20.