基于項目化學習的初中物理教學案例分析①

魯佩用

(南京育英第二外國語學校,江蘇 南京 210044)

《義務教育物理課程標準(2022年版)》在“跨學科實踐”二級主題“物理學與日常生活”中提出了“能發現日常生活中有關問題,提出解決方案”的內容要求。[1]在初中物理跨學科實踐中,可以借助生活現象創設情境,引導學生發現問題,從物理學角度提出解決問題的方法,并付諸實踐,項目化學習就是實施“跨學科實踐”的一種有效途徑。

1 項目化學習簡介

項目化學習強調以下要素:(1) 運用真實的驅動型問題;(2) 在情境中對問題展開探究;(3) 用項目化小組的方式進行學習;(4) 運用各種工具和資源促進問題解決;(5) 產出可以公開發表的成果。[2]由此可見,項目化學習的關鍵是明確學習目標,重視學生對核心知識的理解和科學思維能力的培養,進而提升學生的核心素養。

在初中物理教學中運用“等效替代法”測電阻,涉及電路基本特點、歐姆定律等知識,對學生的科學思維、運用數學知識等能力的要求較高。“等效替代法”是近幾年初中物理學業評價的熱點,且學生的得分率偏低。

筆者將“等效替代法”測電阻的教學設計成一個可操作的項目,學生共同參與,經歷項目化學習的過程,讓學生在項目化學習中促進知識的遷移,找到解決問題的方法,以促進其思維品質和實踐能力的發展。

2 項目化教學設計

在物理教學中開展項目化學習的基本要素可以簡化為情境、目標、探究、模型和實踐,以項目為載體,以培養學生的科學思維和科學探究能力為核心?；陧椖炕瘜W習的“等效替代法”測電阻的教學流程設計如圖1所示。

圖1

2.1 再現“曹沖稱象”

以“曹沖稱象”的再現引入項目。

(1) 情境創設

在大水槽中倒入適量的紅墨水,將一個大象玩具放入玻璃容器中,使其漂浮在水面,用記號筆標出玻璃容器與水面相平的位置(圖2)。

圖2

(2) 場景再現

取出大象玩具,在玻璃容器中放入小石塊,直到水面再次與標記線相平,然后將石塊和大象玩具分別放入調好的天平左、右兩盤,發現天平平衡。

(3) 問題解決

分析“曹沖稱象”的物理原理和方法,學生歸納、了解“等效替代法”,并且進行舉例佐證。

(4) 項目任務

提出用“等效替代法”測電阻的項目。

(5) 案例分析

在項目化學習開始前,教師依據教學目標創設項目情境,通過驅動型問題,將學生的學習動機與實際問題緊密聯系起來。對于“曹沖稱象”的故事大家耳熟能詳,課堂上讓學生先了解它的物理原理,為后面“等效替代法”測電阻項目的設計和實施做準備。

2.2 設計運用“等效替代法”測電阻的實驗方案

2.2.1 運用“單一替代法”測電阻

(1) 項目任務

測量如圖3所示電路中的未知電阻Rx的阻值,其中R為電阻箱,S為單刀雙擲開關,R0為定值電阻。

圖3

(2) 驅動問題

為什么電阻箱的阻值等于Rx的阻值?能否先接入電阻箱?

(3) 任務解讀

該項目任務源自蘇科版初中物理教材第十四章第二節“變阻器”課后“WWW”,由于實驗原理和操作都相對簡單,直接用電阻箱接入電路的阻值替代待測電阻的阻值。雖然學生憑直覺能很容易得到未知電阻的阻值大小,但由于“替代法”測電阻是基于歐姆定律的測量性實驗,因此,要引導學生通過歐姆定律,利用總電壓和總電流大小不變,確定電路中總電阻不變,從而推導出待測電阻阻值與電阻箱阻值之間的關系,在此基礎上使學生明白“等效”是“替代”的前提條件以及“誰替代誰”。

項目任務中沒有涉及電壓表和滑動變阻器等其它元件,如果教師只是進行“操作手冊”式的講解,學生學到的僅僅是相關實驗的操作步驟,而不能真正理解隱藏在每一步操作背后的物理原理,那么,絕大部分同學不會真正理解“替代”測量的含義和方法本質。因此,教師可以展示圖4甲和乙,設計如下問題串。

圖4

問題1：如圖4甲和乙所示,能否將圖3中的R0換成燈泡或滑動變阻器?燈泡和滑動變阻器在電路中的作用是什么?

排砂冷采不進行防砂，所以單井出砂量很大。排砂冷采完全依靠天然能量進行開采，初期產量很高，但是持續時間比較短，采收率較低。由于地層形成了“蚯蚓洞”所以若后期轉注水和注汽措施容易發生氣竄水竄，另一方面“蚯蚓洞”一旦遭遇邊底水入侵開采效果將會劇降。

問題2：在使用滑動變阻器的過程中要注意什么?

問題3：能否改用電壓表?若可行,請畫出電壓表的位置。如圖4丙所示,也可以把電壓表并聯在c、d兩點,如何用等效替代法測量Rx的阻值?

(4) 案例分析

將圖3電路中的定值電阻R0換成滑動變阻器或燈泡、電阻箱等,都只是形式上的變化,作用是一樣的,都是為了保護電路,測量原理沒有發生改變。把電流表換成電壓表,也就是把“電流”相等改為“電壓”相等,測量原理仍然相同。當然,在待測電阻Rx接入前、后,由于電路總電阻不變,為了使電阻箱顯示的阻值等于待測電阻的阻值,就必須保持滑動變阻器接入電路的阻值不變,這是“等效替代法”的核心思想所在。

2.2.2 運用“組合替代法”測電阻

(1) 項目任務

用如圖5所示的電路測R2的阻值,其中R為電阻箱,R0為定值電阻,且阻值未知,要求僅利用電阻箱的讀數表達R2的阻值。

圖5

(2) 驅動問題

(3) 任務解讀

由于電阻箱的位置由支路上變到干路上,導致電阻箱的作用發生了變化,由替代者變成了既是替代者也是被替代者,往往會導致學生束手無策。如果學生能通過兩次電流相等,確定電路總電阻不變,即可順利解決問題。也有學生提出:當開關由a改接到b時,相當于在電路中增加一個電阻R2,要保持電路的總電阻不變,只要調節電阻箱使其阻值減小R2即可,因此,電阻箱前后兩次的差值即為R2的阻值。

(4) 案例分析

項目設計過程就是學生在教師的指導下,根據任務的需要,對學習進行規劃的過程。在教學中圍繞“等效替代法”測電阻這一目標進行項目設計,精心設計問題串,通過方案對比,激發學生的創造性思維,深化學生對“等效替代法”和歐姆定律的理解。

2.3 運用“等效替代法”實測人體電阻

(1) 項目任務

提供的實驗器材為電阻箱、干電池、靈敏電流計、導線等,要求測出兩只手之間的電阻。

(2) 項目實施

如圖6甲所示,通電前,調節靈敏電流計的指針指向中間零刻度線,將兩只手接入電路,靈敏電流計的指針向右偏轉了5格。如圖6乙所示,將電阻箱接入電路,調節電阻箱,使靈敏電流計的指針再次向右偏轉5格,讀出此時電阻箱的阻值為125 kΩ,即為兩只手之間的電阻。接著,讓另一位同學兩只手的手指接入電路,發現靈敏電流計的指針偏轉角度不同,說明不同學生兩只手之間的電阻不相同。

圖6

(3) 案例分析

“等效替代法”測電阻屬于測量類的綜合實踐項目,項目實施過程就是學生學習體驗的過程。學生根據制定的計劃進行項目化學習,完成知識構建。在用“等效替代法”測量人體電阻的活動中,學生經過親身體驗,又學會了一種測量電阻的方法。此外,在項目化學習過程中,學生自己嘗試解決問題,提升了他們的綜合實踐能力。

2.4 總結“等效替代法”測電阻的策略

根據前面的學習,師生共同總結“等效替代法”測電阻的策略:根據電流表或電壓表兩次測得的電學量相等和電源電壓不變,運用歐姆定律推導出電路總電阻不變,并由此確定待測電阻和電阻箱阻值之間的數量關系。

案例分析:在運用“等效替代法”測電阻的項目化學習中,只有建構了物理模型,才能將繁雜的現象簡單化,才能幫助學生建構復雜和抽象的概念,以利于開展問題探究,切實提升物理學習的效率。學生在前面的學習中已經明確了“等效替代法”測電阻的策略,不管“電流”等效還是“電壓”等效,也不管是“誰替代誰”,電路的總電阻總是保持不變。

2.5 “多次替代”測電阻

(1) 例題呈現

利用如圖7所示的實驗電路來測量電阻的阻值。

圖7

① 將電阻箱接入a、b之間,閉合開關。適當調節滑動變阻器R′后保持其阻值不變。

改變電阻箱的阻值R,得到一組電壓表的示數U和R的數據(表1),請根據表1中實驗數據畫出U-R圖像。

表1

② 用待測電阻Rx替換電阻箱,此時電壓表的示數為2.00 V,由U-R圖像可得Rx=Ω。

(2) 例題解答

① 根據表1中實驗數據畫出U-R關系圖像如圖8所示。

圖8

② 由U-R圖像可得Rx=20 Ω。

(3) 案例分析

在項目化學習“等效替代法”測電阻的模型建構的基礎上,通過進一步拓展應用,促進學生科學思維能力的提高和物理觀念的形成。該例題出自高考題,由于電壓表的示數隨電阻箱接入電路的阻值的改變而改變,所以,當待測電阻接入電路后,根據電壓表的示數和圖像可直觀求得待測電阻的阻值,即用電阻箱的阻值來替代待測電阻的阻值,并且可以多次替代。采用“多次替代”測電阻的方案不僅測量準確,還可以培養學生利用圖像處理實驗結果的能力。

3 結語

教師在尊重學生的認知發展規律的基礎上創設情境,引導學生開展項目化學習,能促進學生深刻認識物理規律的本質,提升他們的思維能力和綜合實踐能力。采用項目化學習方式開展物理教學是發展學生核心素養的重要途徑,值得我們進行更多的實踐研究。