單元視域下指向深度學習的歐姆定律教學

蔣煒波

(清華大學附屬中學,北京 100084)

當前的歐姆定律教學包括探究電流與電壓和電阻的關系、串并聯電路等效電阻、伏安法測電阻、特殊方法測電阻、比例問題、動態電路變化分析等內容.探究電流與電壓和電阻的關系實驗事實上已經用到了歐姆定律和動態電路變化分析,因此陷入了循環論證;教學中因為缺乏對電阻定義的學習,導致無法解決安培、伏特、歐姆的單位關系,以及電流與電壓和電阻的比例系數問題.

《義務教育物理課程標準(2022年版)》(以下簡稱“新課標”)凝練了物理學科核心素養的理念,除了知識技能外,更加強調學生的主動學習,即讓學生在任務、問題、項目等各種活動環節中,充分調動既有的認知儲備,綜合運用各種學習技能,完成深度的認知建構.[1]鑒于此,有必要探索指向深度學習的教學策略,在新課標理念下從單元視角設計歐姆定律的教學.

1 新課標的要求

新課標在歐姆定律部分,要求學生用定值電阻、滑動變阻器、電流表、電壓表等,探究電流與電壓、電阻的關系,理解歐姆定律.同時,要求學生能用電流表、電壓表、滑動變阻器等測量小燈泡正常發光時的電阻.基于教學內容,新課標也在核心素養的4個維度提出了具體的學業質量要求,如表1所示.

表1 新課標歐姆定律部分學業質量要求

歐姆定律是貫穿整個初高中學段的核心規律,其核心地位決定了學習和運用的高難度,現有教學在解決真實困境層面始終難有突破,其根源在于局限在了歐姆定律本身,沒有跳出課時進行整體的單元設計.新課標理念下,基于原有認知設計有針對性的連續的情境活動,調動學生的思維有深度地全程參與,[2]不失為一種可行的歐姆定律教學的突破策略.

2 指向深度學習的教學

深度學習的概念于1976年提出,它有別于傳授知識的淺層學習,更注重學生高階思維的調動參與和發展培養,當前提倡的項目學習、任務驅動、問題解決等多種教學模式,其根本都是基于建構主義理論和認知結構理論,與深度學習都有著密切的淵源.

相比許多教學模式“重做輕思維”的特點,深度學習尤為關注學生在思維層面的發展,它基于布魯姆的認知分類理論,對學生在完成任務、問題、活動、項目過程中的思維進行層級分類,這與新課標下科學思維水平層次劃分有著高度一致性,基于思維發展的深度學習來實踐核心素養,相關的教學與評價研究已經較為普遍,很值得新課標理念下的初中物理教學借鑒.[3]

深度學習有5個基本特征:活動與體驗、聯想與結構、本質與變式、遷移與創造、價值與評判,[4]這些特征與新課標創設情境任務完成學習、關聯整合認知以升華觀念、聯系實際進行應用創造、倡導評價質疑反思創新、從生活走向物理從物理走向社會等理念是非常契合的,指向深度學習的教學對核心素養的落地實踐有著天然的承載作用.

3 歐姆定律教學設計

基于現有教學中存在的問題困境,在單元教學統攝下將傳統的歐姆定律實驗教學進行拆分.在電阻單元教學中完成電流與電壓關系的探究,建構電阻概念并得到R=U/I的定義公式.因此不再需要通過有循環論證之嫌的探究實驗來得到歐姆定律公式,而是可以借由情境創設讓學生在問題和任務的完成中更加深入地理解、更加順暢地建構、更加熟練地運用歐姆定律.具體教學設計如表2所示.

表2 歐姆定律教學設計

教學分4部分,每一部分安排多個基于情境的環節活動,包括實驗情境、試題情境、學史情境等.教學整體基于深度學習的特征,并結合教學實際需求創設情境承載教學,實施過程中注意課時之間的情境關聯程度,做到思維無縫銜接,充分保障學生學習活動的連續性.

4 教學過程簡述

歐姆定律單元教學主要包括規律建構(教學1、教學2)和規律應用(教學3、教學4)兩部分,借助單元教學的統領作用調整教學結構以突破困境,通過有針對性的情境串聯起各個應用模塊以整合體系.

4.1 強化I、U、R的關系

在經歷了電阻單元教學后,學生雖然已經得到公式關系R=U/I,但認識理解明顯不足.教學1注重基于情境的規律深化認識,以思維的參與和發展為核心,通過任務活動調動學生的積極投入,將深度學習的特征要求融入具體的教學過程.

(1) 觀察滑動變阻器的調節作用.

在電阻的學習中,學生已經掌握滑動變阻器可以改變連入電路的電阻,那么將滑動變阻器連入電路后,調節滑片會發生什么呢?教師將小燈泡和滑動變阻器串聯接入電路,調節滑片讓學生觀察并思考小燈泡的亮度變化.

學生經過關聯電壓和電流的學習過程,能想到是小燈泡的兩端電壓和通過的電流發生了改變,于是教師將電流表和電壓表接入電路進行測量,驗證學生的猜想,如圖1.我們改變的是滑動變阻器連入電路的電阻,為什么串聯電路的電流也會改變?通過設問進一步啟發學生思考.

圖1

(2) 等效總電阻與電路的I、U、R關系.

電路的總電壓不變但電流改變,表明電路總阻礙作用改變.基于學生的思考引導學生利用電阻的定義公式R=U/I,將總電壓、總電流相比,推導電阻R1和R2串聯時的電路總電阻R,最終得到R=R1+R2.如果將這兩個電阻并聯又會怎樣呢?繼續引導學生自己完成推導,得到并聯電阻的等效阻值R=R1R2/(R1+R2)并進行適當計算驗證,例如R1=0 Ω時,并聯總電阻也為0 Ω;當R1遠遠大于R2時,并聯總電阻約等于R2,如圖2.

圖2

(3) 動態電路分析.

在學習完整規律后讓學生回到最開始的問題,分析滑動變阻器的滑片調節對電路的影響,如圖3.一種思路是從滑動變阻器的阻值變化,推出總電阻變化,再到總電流的變化,于是得到各個元件的電壓變化.另一種思路是利用串聯分壓規律,通過元件之間的電阻比值的變化,分析各個元件的分壓變化和電流變化.

圖3

在完成了串聯電路滑動變阻器的調節分析之后,教師再結合試題情境,引導學生分析并聯電路的滑動變阻器調節作用,以及利用開關改變串并聯電路中電阻數量時的調節作用,如圖4,在應用中體會各種變式以及變式背后的深層次本質,深化認知結構.

圖4

(4) 基于傳感器的測量方案.

這一活動承接動態電路,側重學生在生活情境下的遷移與創造.首先通過示例向學生展示滑動變阻器的阻值可以與形變、力、風速等物理量關聯,例如圖5所示的電子稱重電路,這時候電流和電壓的變化就反映了相應物理量變化.以此為例,結合電阻影響因素給學生介紹熱敏電阻、光敏電阻、氣敏電阻等各種傳感器,讓學生自己選擇一個生活情境,設計一個簡化的測量電路,并分析具體的測量原理.這部分對學生的要求較高,教學中需要酌情處理.

圖5

4.2 再探I、U、R的關系

在強化了電流I、電壓U和電阻R之間的關系之后,以中考試題為銜接,分析利用調節或控制電源電壓進行實驗探究的現實局限,進而利用動態電路再探歐姆定律,并最終凝練規律.這既符合學史研究的歷程,又讓學生反思和評價實驗探究的合理性,深度學習倡導的高階思維培養落到了實處.

(1) 基于中考命題的方案再設計.

例題.小圓想探究通過導體的電流與導體的電阻之間的關系,他利用干電池、電流表、電壓表、多個阻值不同且已知的定值電阻、開關及導線,設計了如圖6所示的電路.實驗中,他將定值電阻R接入電路中,讀出相應的電流表的示數并觀察電壓表的示數,記錄實驗數據.將R換為不同阻值的另一個電阻后,小圓觀察到電壓表的示數增大了.小圓意識到自己的實驗設計不能實現探究目的.

圖6

① 請你寫出小圓的實驗設計不能實現探究目的的原因:________;

② 請你畫出能夠實現探究目的的電路圖(可以添加適當的實驗器材);

③ 依據你設計的電路圖,針對小圓不能實現探究目的的原因,寫出操作的方法.

例題是2021年的北京中考題,試題情境基于實驗創設,教師以此為切入點,幫助學生認識到電源兩端的電壓可能不受控的現實,引導學生利用滑動變阻器的調節作用重新設計實驗電路,厘清關鍵操作.類似地,如果要探究電阻一定時通過導體的電流與導體兩端電壓的關系,也可以利用滑動變阻器重設方案.

(2) 實驗再探I、U、R關系.

在學生完成了實驗方案的設計以后,教師給學生提供實驗器材,學生自主完成相應的實驗探究,電路類似圖3,過程中教師關注學生的電路連接和關鍵操作.此時學生已經具備了動態電路的認知基礎,通過關聯和遷移,能夠加深對實驗的理解,體會先前的活動研究的價值意義.

(3) 以學史凝練歐姆定律.

活動中通過歸納學生的實驗數據,凝練得出歐姆定律.教師接下來向學生發放閱讀材料,讓學生自己認識歐姆的真正研究歷程.歐姆克服了巨大的現實困難,在沒有電壓、電阻、電流表等器材的情況下,通過磁體在電流附近受到力的作用來計量電流,如圖7,他通過定義電阻概念簡化了規律,并最終完成了探索.[5]

圖7

學生到此終于可以將整個大單元環環相扣聯系起來,認識到自己之前的學習正是經歷了科學家的真實研究歷程,完成了與科學家跨越世紀交流,從而在學科態度、科學方法和研究精神層面深層次啟發學生.

4.3 辨析電路故障

這部分是規律應用教學,基于學生在再探歐姆定律實驗中遇到的問題,教師創設實驗情境帶領學生分析故障的原因,然后再利用歐姆定律重新理解斷路故障及其檢測,以及實驗中遇到的新問題——短路及其理解,最終深化電路故障的認識與判斷,落實歐姆定律的應用.

(1) 歐姆定律實驗中出現的問題.

圖3的實驗中學生出現的問題現象很多,引導學生關聯已有認知,將這些現象進行歸類整理,如表3.針對滑動變阻器不能改變電流和電壓,分析認識到是滑動變阻器的接線方式不對.針對沒有電流的這一類現象,學生通過關聯電路狀態,容易理解電路中應該是出現了斷路情況.但針對有電流但電壓表沒有示數的現象,學生卻始終難以理解.

表3 電路問題分析

(2) 斷路及其檢測.

首先帶領學生分析斷路情況,為什么沒有電流的時候,電壓表有時候沒有示數,有時候示數會很大?教師連接一個完好的電路,讓學生分析斷開何處能出現電壓表沒有示數的情況,并讓學生上臺演示用以驗證.學生發現當電壓表測量對象斷開時會出現電壓表示數很大的情況,而其他地方斷開時電壓表沒有示數.

接下來引導學生用歐姆定律進行解釋.電壓表并聯在電阻上,根據并聯電阻關系,為了不影響原電路,電壓表電阻設計得非常大.當電壓表測量對象斷開時,如圖8,相當于電壓表串聯入電路,于是利用公式分析計算可以發現,電路總電流幾乎為0,而斷開部分的電壓約等于電源電壓,這就是電壓表有很大示數的原因.借此還可說明和演示電壓表可以直接接在電源兩端測量電源電壓.

圖8

深入理解這些之后,引導學生利用電壓表示數的這一變化特點尋找電路中的斷路結構,在應用中完成斷路故障及檢測的教學.

(3) 短路及其理解.

針對有電流但電壓表沒有示數的現象,教師現場用燈泡替代電阻連接演示電路(如圖1右),與電壓表并聯的小燈泡不發光,電壓表沒有示數.然后給學生展示小燈泡燈座底部,讓學生看到兩個接線柱之間已經被直接連通,如圖9.為什么這時候會出現燈泡不亮、電壓表沒有示數的情況呢?

圖9

由于在電路單元教學中礙于認知困難移除了短路部分,此時需要引導學生分析.小燈泡的兩端被導線直接并聯連接,根據并聯電阻的公式可知,小燈泡與導線并聯的總電阻為0,因此電源電壓都分給了滑動變阻器,電壓表自然也就沒有示數.教師歸納短路的概念并啟發學生思考,如果開關短路、電流表短路、滑動變阻器短路會怎樣,最后通過計算分析如果電源短路會怎樣,完成短路的深入理解.

4.4 拓展電阻測量

這部分仍然是規律應用教學,基于之前的斷路和短路的故障分析,理解電流表、電壓表的相互關系和阻值特點,并借此分析伏安法測量電阻的誤差,以及完成缺少電表時的電阻阻值測量,通過一系列的應用活動,完成歐姆定律的再深化.

(1) 理解電表的關聯.

通過斷路和短路學生已經認識到了電壓表電阻很大、電流表電阻極小的阻值特點,此時再次引導學生關聯電流表和電壓表部分的學習,從結構和原理上再次確認電流表和電壓表之間的互通關系.雖然初中物理不要求學生理解電表改裝,但事實上學生此時已經具備了改裝的理論知識,為后續高中階段的學習做好了鋪墊準備.[6]

(2) 伏安法測電阻的誤差.

在認識了電流表和電壓表特點以后,教師給學生介紹兩種基本的電流表接法,如圖10,并引導學生結合歐姆定律,計算分析伏安法測電阻的電流和電壓的準確程度,以及對最終的測量結果的影響.需要注意,初中階段并不要求學生掌握電流表的內外接法,此處只是作為歐姆定律的應用延伸,教學中可以酌情處理.

圖10

(3) 缺電表的電阻測量方案.

在缺少電表時進行電阻測量,是初中物理的高層次要求,其實質是等效替代法的應用,如圖11.用電流表和阻值已知的定值電阻可以計算出電壓,從而充當電壓表的功能;用電壓表和阻值已知的定值電阻可以計算出電流,從而充當電流表的功能.

圖11

之后,便可以讓學生自己設計實驗方案,分別完成缺少電流表和缺少電壓表時的電阻測量的電路設計,并要求學生寫出大致的操作步驟,以及利用測量的物理量寫出最終的電阻表達式.

最后,讓學生判斷源自考試命題的電路設計能否完成電阻的測量,如圖12,包括用電阻箱替換待測電阻進行測量的電路、利用開關改變電壓表或者電流表測量對象的電路,讓學生通過變式進行電阻測量的強化.

圖12

5 結束語

深度學習并沒有一種確定的教學模式,它是一種理念導向,重視引導學生對個體學習的地位產生新的認識,建立正確的學習觀念,并給學生創造各種環境讓學生獲得學習的成就感,從而更加鞏固和強化對學習的正向認識,從根源上解決傳統教學中學生被動接受的境地.

同時,深度學習還引導學生對學習的方式和方法進行主動思考,空間上跨越課堂內外,時間上貫穿人生階段,生活即是學習,學習即是態度.學校的課程學習雖只是學習的一部分,但通過課程學習所獲得的思考方法、處事策略、統籌規劃、價值評判等諸多超越知識的能力,在今后的人生中都是通用的.

深度學習的理念與新課標物理學科核心素養之間是貫通的,[7]教師教學中往往茫然于是否落實了核心素養的培養,此時不妨從深度學習的理念和特征對教學實施的各個環節進行分析,在關注學科知識內容的教學的同時,更多地從學生學習的視角進行審視,讓學生主動地將物理學科核心素養融入自身的人生發展素養群中,從而完成物理學科對所有學習個體的長遠發展支持!