圍繞大概念 設計大問題*——以“閉合電路中功率相關問題研究”教學為例

管小慶

一、圍繞大概念，設計大問題，幫助學生形成物理觀念

物理觀念是新課程標準中的核心素養之一。“恒定電流”是原人教版教材選修3-1模塊中的第二章，新人教版教材必修三將這一部分分為“電路及其應用”“電能 能量守恒定律”兩個章節。教材的這一變化除了控制每一章學生學習的容量外，更重要的是突出了“電能的轉化和守恒”這一大概念。例如：電動勢部分新教材不再按照原教材那樣拿它和抽水機相類比，而是設計了“思考與討論”，從而提出非靜電力的概念，通過非靜電力做功（其他形式的能量向電能轉化）的本領定義電動勢；新教材用“電路中的能量轉化”替代原教材中的“焦耳定律”，不只是課題的變化，新教材在內容中也增加了對電動機能量轉化和守恒的討論；等等。

“閉合電路中功率相關問題研究”就是為了利于學生形成“電能的轉化和守恒”這一大概念而展開具體設計的。

圍繞大概念設計大問題，并不意味著課堂提問越多越好，相反要控制問題的數量，少一些檢查知識類、課堂管理類的問題，將問題精簡聚焦于能促進學生形成大概念的高階問題上，只有這樣的問題才能促使學生沉浸式的思考。在提出問題時，教師要按照主題有層次地把“瘦問題”（單薄的問題）設置為“胖問題”（復雜的啟發式的問題），引導學生層層遞進走向知識的深層，實現學習的進階。

“閉合電路中功率相關問題研究”一課是按照如下幾個大問題展開的。

（1）當外電阻（純電阻）從0開始逐漸增加時，電源的輸出功率是如何變化的？寫出閉合電路中電源的輸出功率與外電阻的定量關系；大致畫出電源的輸出功率隨外電阻變化的圖像，并說出外電阻滿足什么條件時電源輸出功率具有最大值。

（2）如果外電路中含有非純電阻用電器，上述結論還成立嗎？當研究電源的輸出功率與外電路變化的關系時，你選擇的自變量是哪個物理量？畫出電源的輸出功率與該物理量變化的圖像，并說出滿足什么條件時電源輸出功率具有最大值。

（3）在同一個功率和干路電流（P-I）的坐標系中分別畫出電源總功率、電源內阻功率、電源輸出功率與干路電流關系的三個圖像。

二、創設問題討論，強化思維參與，培養學生科學思維能力

科學思維也是新課程標準中的核心素養之一。科學思維的達成不是一蹴而就的，教師要在平時日常的教學中，在不同的問題情境中解決具體的挑戰性問題時，為學生提供討論與交流的機會，從而逐步培養學生的科學思維能力。新教材在“電能 能量守恒定律”這一章的4節內容里一共設計了6個“思考與討論”，這是因為教師并不是學生獲得學習的唯一對象，有時候討論過程中同伴提供的學業上的支持會超過教師的幫助。課堂中深度開展自我評價和同伴互評，讓學生自由的表達其想法和感受，能夠促成學生形成積極學習心態并發揮其自我激勵的潛能。

為了培養學生科學論證和質疑創新的科學思維，本節課設置的問題討論是“三個功率與干路電流關系的作圖”。圖1是兩名學生的課堂板演。基于這兩名學生的作圖，要求學生依次發表對兩張作圖的評價，分別指出自己認可的地方和不認可的地方并說出讓人信服的理由。

（圖1）

此后，作圖的學生結合同學間的討論進行了如下修改：第一，電源的輸出功率不應該大于電源的總功率；第二，當電源的輸出功率為0時，電源總功率和內阻上的功率相等；第三，電源輸出功率和電源內阻功率的交點應該恰好是電源輸出功率的最高點。

教師要相信所有人共同參與、一起研討的學習氛圍能夠激發學生的思維，學生可以通過自己的努力和反思建構自我的認知結構。

三、發揮線上優勢，實施精準評價，促進學生的學習和發展

“注重過程評價，促進學生核心素養的發展”是新課程標準的基本理念之一。通過及時獲取學生對相關問題的想法，教師能便捷地獲取學生是否對問題有正確理解的證據，從而瞄準學生問題理解中的個別關鍵點和學生即時對話，給予學生更為精準的即時評價。這種即時評價是讓學生了解他當前所在的“此地”和要去的“彼地”之間的差距，從而促進學生的學習和發展。

能夠實現快捷高效的隨堂檢測是線上教學的顯著優點。學生上傳主觀題解答圖片，教師快速巡覽學生作答，挑選典型性問題進行及時反饋。對于客觀選擇題，在線教學系統能即時統計反饋每一個選項選擇的人數和具體學生，教師基于數據的專業判斷，實施精準教學。

下面是隨堂測的兩道客觀選擇題。

試題1：某同學將一直流電源的總功率PE、輸出功率PR和電源內部的發熱功率Pr隨電流I變化的圖線畫在同一坐標系中，如圖2中的a、b、c所示。則下列說法中正確的是（ ）

A.圖線b表示輸出功率PR隨電流I變化的關系

B.圖中a線最高點對應的功率為最大輸出功率

（圖2）

C.在a、b、c三條圖線上分別取橫坐標相同的A、B、C三點，這三點的縱坐標一定滿足關系PA＝PB＋PC

D.b、c線的交點M與a、b線的交點N的橫坐標之比一定為1：2，縱坐標之比一定為1∶4

試題2：如圖3所示，電源電動勢E＝12V，內阻r＝3Ω，R0＝1Ω，直流電動機內阻R′0＝1Ω.當調節滑動變阻器R1時可使甲圖中電路的輸出功率最大；調節R2時可使乙圖中電路的輸出功率最大，且此時電動機剛好正常工作（額定輸出功率為P0＝2W），則R1和R2連入電路中的阻值分別為（ ）。

A.2Ω、1.5Ω B.2Ω、2Ω

C.1.5Ω、1.5Ω D.1.5Ω、2Ω

（圖3）

試題1的正確率95%。說明通過問題討論，幾乎所有學生對“三個功率與干路電流關系”有了很好的掌握，較高地達成了課堂教學目標。試題2的正確率較低。學生解答主要集中在A、B兩個選項，學生并不是對“電源輸出功率隨外阻變化和隨干路電流變化的兩種關系”不理解，錯誤的根本在于學生沒有通過這兩種關系的推導過程區分這兩種關系的適用條件。因此，教學中不僅要重視相關物理量定量關系的數學推導，更要重視推導過程中所要滿足的適用條件。