指向真實問題解決的物理中考復習教學設計①
——以“歐姆定律”為例

顧紅霞

(江蘇省無錫市積余實驗學校,江蘇 無錫 214043)

物理學科核心素養是物理課程育人價值的集中體現,包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面,是學生通過物理課程學習逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。由此可見,學生的學習行為應該在真實問題解決中發生,[1]開展指向真實問題解決的課堂教學是落實核心素養培養目標的有效途徑。

物理中考復習課通常的模式是：先進行快節奏、大容量的知識點回顧和梳理,然后通過“例題講解、習題訓練”提升復習效果。這樣的復習課未能觸及學生深層的興趣和思維,未能觸及概念、規律背后的意義與價值,弱化了學生對學習內容的高階認知與思維訓練,制約了學生核心素養的發展。

依據核心內容設計有思維深度的真實問題,將知識融入到相應的學習任務中,把學習變成一個個探究活動,使學生在活動中體驗真實問題解決的過程,促進學生在真實問題解決中拓展認知廣度及深度,有效提升學生發現問題、解決問題的關鍵能力。本文以歐姆定律復習為例,展示指向真實問題解決的物理中考復習課設計的實踐與思考。

1 教學內容分析

依據《義務教育物理課程標準(2022年版)》,蘇科版初中物理教材中第十四章《歐姆定律》屬于一級主題“能量”下的二級主題“電磁能”,“電磁能”內容編排結構如圖1所示,本章是初中物理中承上啟下的核心內容,知識的重點是電阻概念與歐姆定律,教材中設置的主要學習活動如表1所示。由此可見,實驗探究是本章的主要學習方式,復習課仍以實驗為主線展開是恰當的。學生通過新課學習,了解了歐姆定律的相關知識,雖然他們看起來似乎習得了大量的事實性知識,卻并沒有在更深的層次上理解它,不能有效融會貫通,在新情境下難以正確建構模型、應用知識解決問題。綜合分析江蘇省各市中考物理試題,其命題原則是：基于課程標準,關注學習過程,重視情境創設,考查必備知識與關鍵能力,以此引導初中物理教學明確方向和滿足學生發展訴求。因此,本章復習的思路是：以真實問題為切入點,以實驗探究為主線,從新的角度、高度,促進學生從整體上把握本章內容的基本結構,使學生的認知水平和物理觀念達到更高的層次,運用所學知識在新的情境中解決問題,[2]提升學生的核心素養。

表1

圖1

2 學習目標設計與教學過程

2.1 學習目標

研讀課標、教材,分析學情,以激發學生學習興趣、促進學生思維發展、提升學生解決新問題的能力為宗旨,制定本節課的學習目標如下：

(1) 能畫出用伏安法測量鉛筆芯電阻的實驗電路圖;

(2) 能設計實驗,研究鉛筆芯電阻隨溫度的變化規律;

(3) 經歷設計制作電子溫度計的過程,能說出其工作原理,說明將非電學量轉化為電學量的方法。

2.2 教學流程

圍繞本章知識重點：電阻與歐姆定律,設計核心問題,在進階學習中培養學生的關鍵能力,教學流程如圖2。

圖2

2.3 實施教學

2.3.1 引入實驗

實驗器材為：干電池、0.5 mm鉛筆芯、導線、開關等。教師演示鉛筆芯發光實驗(圖3)。

圖3

師：閉合開關,鉛筆芯為什么能發光?

生：由于電流的熱效應。

師：鉛筆芯“發光”時溫度要達到800 ℃左右,手摸導線,感覺到它燙嗎?為什么?

生：不燙,因為導線電阻比較小。

師：鉛筆芯的電阻與導線電阻相比較,到底有多大?

學生的猜想多種多樣,且數據相差很大(從幾歐到幾千歐)。

設計意圖：有的學生在復習中思維處于懶散的狀態,視而不見,聽而不聞,感而不覺。消除這種狀態的良方,就是創生學習的“驚奇感”。[3]用學生身邊的學習用品——鉛筆芯,利用簡單電路,緊扣本章主題創設令人驚奇的真實情境——鉛筆芯發光,充分激發學生的學習欲望和思維積極性,并在情境中自然引出真實問題：如何測量高溫下鉛筆芯的電阻?對此學生感興趣、似乎能解決,卻又將遇到新困難、解決后能帶來新價值,“原理清晰、操作方便、現象驚奇、主題突出”是創設真實問題情境的關鍵。

2.3.2 任務驅動

鉛筆芯發光時溫度很高,直接測量存在安全隱患,師生通過討論確定研究思路：先測量室溫下鉛筆芯的電阻,再研究溫度對鉛筆芯電阻的影響,最后對鉛筆芯發光時的電阻做出預判。

任務1：測量室溫下鉛筆芯的電阻。

師：如何測量室溫下鉛筆芯的電阻?

生：運用伏安法,測出鉛筆芯兩端的電壓和流過鉛筆芯的電流,計算出電阻。

師：請畫出用伏安法測電阻的實驗電路圖。

學生在學案上畫出實驗電路圖,師生分享、評價實驗電路圖。

師：實驗時注意不要將鉛筆芯長時間通電,為什么?

生：鉛筆芯會發熱。

師：如果實驗時用手摸,發現鉛筆芯的溫度升高,怎么處理?

生：斷開開關,等鉛筆芯溫度降低后再實驗。

學生分組實驗并處理數據,在實驗過程中同伴間合作學習、互相評價。

師：我們做了3次測量,以哪個測量結果作為鉛筆芯電阻的測量值?這樣做的目的是什么?

生：取平均值,以減小誤差。

設計意圖：依據學生已有的知識和能力水平展開教學,符合最近發展區理論,學生在問題的驅動下,積極調用已有的知識解決問題,既可以復習舊知,又可以從中了解學情,突出本章的核心實驗。學生在問題解決中回顧電流表、電壓表、滑動變阻器的使用方法,并能排除簡單的實驗故障,收集并處理實驗數據,總結得出結論。在問題驅動下的同伴合作學習、互相評價是提升復習效果的有效途徑。

任務2：探究鉛筆芯的電阻與溫度的關系。

師：如何設計實驗,研究鉛筆芯的電阻隨溫度變化的規律?根據什么現象可以反映鉛筆芯電阻大小的變化?

生：用燈的亮度、電流表示數。

師：鉛筆芯與燈、電流表如何連接?

生：串聯。

教師演示實驗,閉合開關,電流表示數為182.7 mA(圖4),給鉛筆芯加熱,觀察到了什么現象?說明什么?

圖4

生：電流表示數變大,說明鉛筆芯溫度越高,電阻越小。

師：但燈的亮度幾乎沒有改變,說明什么?

生：說明溫度升高時,鉛筆芯電阻的減小并不明顯。

總結：觀察燈的亮度無法反映鉛筆芯電阻的變化,用數字電流表的示數變化來反映鉛筆芯電阻的變化。

師：發光時的鉛筆芯溫度很高,但接入電路中的長度比圖4中的短,且更細(直徑為0.5 mm),你能對發光時鉛筆芯的電阻大小作出預判嗎?

學生根據已有知識和實驗數據無法作出判斷。

師：如果鉛筆芯發光時的電阻比任務1中的測量值大,鉛筆芯發光實驗中的電源是由10節干電池串聯而成的,用我們手邊的電流表、電壓表來測量電阻,哪只電表可能滿足不了測量要求?

生：電流表量程可能太小,不能滿足測量要求。

總結：實驗器材的革新對推動實驗研究有很大的作用,數字電流表、電壓表幫我們解決了實驗難題。

教師引導學生運用伏安法測電阻,連接電路,進行實驗(圖5)。

圖5

師：根據實驗數據,請你計算這段鉛筆芯發光時的電阻是多少?

學生計算出鉛筆芯發光時的電阻為2.02歐。

師：我們試著測量出了鉛筆芯發光時的電阻,遺憾的是不知道鉛筆芯發光時溫度的準確值。直接測量溫度有困難,你有破解困局的方法嗎?

生：尋找鉛筆芯電阻與溫度的變化規律。

教師補充介紹：早在1821年英國科學家戴維研究了金屬電阻隨溫度變化的規律,與鉛筆芯的主要成份石墨不同,金屬電阻隨溫度的升高而增大,圖6為鉑的R-t圖像。

圖6

師：研究導體電阻與溫度的關系有什么現實意義?

生：根據電阻的大小可知道溫度的高低。

師：1876年德國西門子公司制造出第一支鉑電阻溫度計,現在鉑電阻溫度計測溫的范圍可達200～850 ℃,這實現了將非電學量(溫度)的測量轉化為電學量(電阻)的測量。

設計意圖：在解決真實問題的過程中,難免遇到各種困難。通過任務驅動,帶著學生經歷邊解決困難、邊深入探究的過程,讓他們像科學家一樣,對未知的新問題進行思考、探索。解決一個個真實問題的過程,就是“把前人從事智力活動的思想、方法轉化為學生的認識能力和思維方式”的過程,是“把蘊含在知識載體中的觀念、態度轉化為學生的行為準則”的過程。[4]只有讓這些認識能力、思維方式、行為準則成為學生可以自動調用的心智模型,核心素養的培養目標才能得以達成。

任務3：設計、制作電子溫度計。

教師模擬演示電子溫度計測溫,如圖7所示,閉合開關,電壓表的示數是0.9 V,一位同學用手捂熱敏電阻,使其升溫,發現電壓表示數增大。

圖7

師：溫度升高,熱敏電阻阻值減小,但電壓表的示數增加,電壓表測的是哪個元件的電壓?除了電源、開關、導線、電壓表、熱敏電阻外,還需要什么器材?

生：一個定值電阻。

師：如何設計電子溫度計的工作電路?現給大家提供一只電阻箱,熱敏電阻與電阻箱如何連接?電壓表與哪個元件并聯?

學生在學案上畫出電路圖,展示電路圖并開展師生共評。

師：可以用電流表示數來反映溫度嗎?

生：可以,溫度越高,熱敏電阻阻值越小,電路中的電流越大。

師：如圖8所示,將熱敏電阻接入電路,閉合開關,電流表示數不到0.02 A。你可以做出什么推測?

圖8

生：熱敏電阻在室溫下電阻比較大,有幾百歐。

師：電路如圖9所示,要使電壓表有明顯的示數,電阻箱該選多大的阻值連入電路?

圖9

生：幾百歐。

師：如何為基于電壓表的電子溫度計標注刻度?

學生討論后回答,要求他們課后合作制作一個基于電壓表的電子溫度計。

設計意圖：知識在應用的過程中才能體現其價值,通過研究電阻與溫度變化規律的實例,與其在生活中的實際應用相關聯,讓學生認識到這種研究問題方法的實踐價值。讓學生經歷電子溫度計設計與完善的過程,體會到知識的無窮力量。崔永漷教授指出：學科實踐是學習方式變革的新方向。

在復習課中設計指向真實問題解決的“微項目”就是一種學科實踐的嘗試。實踐證明,這種“微項目”設計,在提升物理中考復習實效上有很好的效果。

3 結語

指向真實問題解決的中考物理復習課,改變了以往復習課“枯燥無趣、機械重復”的低效狀態。教學設計圍繞核心概念優選素材,創設真實問題情境,啟發學生思考,以真實問題驅動學生探究真實任務,培養學生的核心素養。

指向真實問題解決的初中物理教學凸顯了新課標的價值取向,它適用于初中物理各種課型(新授課、復習課、綜合實踐活動課等),其教學設計流程如圖10所示,在教學設計中資源載體(實驗)、問題鏈的設計非常重要,這需要教師在不斷實踐反思中提升自身能力。

圖10