單元視域下基于科學(xué)探究模式的電阻教學(xué)

摘" 要：電阻概念較為抽象。學(xué)生對電阻的定義、單位、測量和影響因素等有一定的認(rèn)知障礙。本文基于科學(xué)探究的教學(xué)模式，在單元教學(xué)統(tǒng)領(lǐng)下重組電阻教學(xué)的內(nèi)容與實(shí)施，依靠承上啟下銜接電路和歐姆定律的電阻單元進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，嘗試在核心素養(yǎng)理念下解決當(dāng)前電阻教學(xué)的疑難。

關(guān)鍵詞：電阻；科學(xué)探究；核心素養(yǎng)；課程標(biāo)準(zhǔn)；單元教學(xué)

當(dāng)前電阻教學(xué)包含物質(zhì)的導(dǎo)電性能、電阻的概念和單位、電阻大小的影響因素、變阻器等內(nèi)容；教學(xué)時依靠轉(zhuǎn)換法將電阻大小轉(zhuǎn)換為電流大小進(jìn)行定性比較，然后得到定性的電阻規(guī)律（如圖1所示）。由于缺乏對電阻定義的學(xué)習(xí)和建構(gòu)，以及實(shí)驗(yàn)中需要提前了解歐姆定律方能進(jìn)行解釋論證，導(dǎo)致學(xué)生無法正確理解電阻單位以及電流、電壓和電阻之間的真正關(guān)系，為后續(xù)歐姆定律的學(xué)習(xí)造成了很大障礙。

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱課程標(biāo)準(zhǔn)）物理學(xué)科核心素養(yǎng)的理念下，概念建構(gòu)和思維發(fā)展需要以學(xué)生的已有認(rèn)知為基礎(chǔ)，要注重科學(xué)探究、突出問題導(dǎo)向，要創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境。［1］因此，結(jié)合電阻教學(xué)中對實(shí)驗(yàn)的高要求和單元教學(xué)的統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)向作用，筆者重新整合了電阻教學(xué)，拆分了歐姆定律內(nèi)容并增加了電阻定義內(nèi)容，嘗試以定量化的科學(xué)探究實(shí)施電阻教學(xué)。

1" 課程標(biāo)準(zhǔn)的要求

課程標(biāo)準(zhǔn)在電磁能部分，要求學(xué)生能從能量轉(zhuǎn)化的角度認(rèn)識電源和用電器的作用；知道電壓、電流和電阻，探究電流與電壓、電阻的關(guān)系，理解歐姆定律；

會使用電流表和電壓表；會看、會畫簡單的電路圖，會連接簡單的串聯(lián)電路和并聯(lián)電路。基于教學(xué)內(nèi)容，課程標(biāo)準(zhǔn)也在核心素養(yǎng)的四個維度提出了具體的學(xué)業(yè)質(zhì)量要求（如表1所示）。

2" 科學(xué)探究模式

科學(xué)探究的具體形式是多樣的，科學(xué)探究在美國的《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中解釋為“科學(xué)家們用來研究自然界并根據(jù)研究所獲事實(shí)證據(jù)作出解釋的各種不同途徑”；科學(xué)探究在過程中并沒有固定的模式；研究者基于研究活動的進(jìn)行過程，提出了觀察現(xiàn)象、提出問題、查閱資料、設(shè)計(jì)方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、獲取及分析數(shù)據(jù)、解釋交流等環(huán)節(jié)。［2］課程標(biāo)準(zhǔn)也明確提出科學(xué)探究一般包括提出問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案、獲取與處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋、交流評估反思等環(huán)節(jié)。

在教學(xué)中使用科學(xué)探究這一表述時，更多的是基于科學(xué)實(shí)踐的理念，強(qiáng)調(diào)在科學(xué)研究中去發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題，并完成認(rèn)知的建構(gòu)，其依據(jù)仍然是認(rèn)知建構(gòu)主義和認(rèn)知結(jié)構(gòu)理論。［3］課程標(biāo)準(zhǔn)所倡導(dǎo)的科學(xué)探究，既是一種物理學(xué)科素養(yǎng)，也是一種教學(xué)實(shí)施方略，既培養(yǎng)學(xué)生的研究意識和能力，也借此組織教學(xué)的操作和實(shí)施，最終讓學(xué)生在實(shí)踐中建構(gòu)新概念。因此，以科學(xué)探究的模式進(jìn)行電阻教學(xué)，具有牢固的理論依據(jù)和操作可行性。

3" 電阻教學(xué)設(shè)計(jì)

當(dāng)前的電阻教學(xué)包括物質(zhì)的導(dǎo)電性能、電阻的概念和單位、電阻的影響因素、變阻器等，電阻的測量安排在了歐姆定律章節(jié)。這種設(shè)計(jì)淡化了電阻自身的概念建構(gòu)，遺留了很多教學(xué)問題，比如電阻單位、歐姆定律探究過程中的循環(huán)論證等。因此在單元教學(xué)的統(tǒng)攝下，筆者在電阻部分增加了電阻定義、探究電流與電壓關(guān)系、測量電阻等內(nèi)容，設(shè)計(jì)了電阻教學(xué)設(shè)計(jì)表（如表2所示）。

整個教學(xué)過程始終以實(shí)驗(yàn)情境貫穿，融合了“探究電流與電壓的關(guān)系”“測量導(dǎo)體電阻”“測量小燈泡

電阻”“探究電阻大小的影響因素”“導(dǎo)體和絕緣體的轉(zhuǎn)化”等5個重要實(shí)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)探究驅(qū)動學(xué)習(xí)進(jìn)程，以知識規(guī)律強(qiáng)化學(xué)科體系，以實(shí)踐應(yīng)用鞏固學(xué)習(xí)認(rèn)知，做到了“做”與“學(xué)”的平衡。

4" 教學(xué)環(huán)節(jié)簡述

4.1" 探究電流與電壓的關(guān)系

這部分的探究實(shí)驗(yàn)通常作為歐姆定律教學(xué)的一部分，但在單元教學(xué)的統(tǒng)領(lǐng)下，特意將這一探究實(shí)驗(yàn)提前，力圖有效幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)電阻概念的建構(gòu)和應(yīng)用。

4.1.1" 問題與猜想

圖2

該環(huán)節(jié)承接電壓教學(xué)的一個演示實(shí)驗(yàn)（如圖2所示）。AB是一段鎳鉻合金絲，電源兩端電壓可以調(diào)節(jié)。改變電源電壓讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而引出探究主題，并猜想電流與電壓的關(guān)系。學(xué)生看到改變電源電壓時，電流表示數(shù)發(fā)生變化，于是基于這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，很容易提出“在電阻一定時，電流隨著電壓的變化而變化”的猜想。

4.1.2" 方案與實(shí)施

圖3

學(xué)生基于猜想，自己思考并明確探究實(shí)驗(yàn)需要測量的物理量，包括如何改變電壓、如何測量電壓和電流等，然后根據(jù)已有的器材（包括電流表、電壓表、各種鎳鉻合金絲）設(shè)計(jì)并連接電路，繪制數(shù)據(jù)記錄表，最后完成實(shí)驗(yàn)，獲取數(shù)據(jù)。為了避免陷入歐姆定律的循環(huán)論證，此處不使用滑動變阻器，而是通過改變電源電壓來實(shí)現(xiàn)改變合金絲兩端的電壓。實(shí)驗(yàn)電路圖如圖3所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表如表3所示。

4.1.3" 數(shù)據(jù)與處理

學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，計(jì)算分析電流與電壓的定量關(guān)系，并通過繪制電流與電壓的關(guān)系的圖像，進(jìn)一步顯化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終得到“同一段導(dǎo)體，通過導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體兩端的電壓成正比”的探究結(jié)果。

4.1.4" 解釋與交流

圖4

教師匯總不同小組的數(shù)據(jù)并展示給學(xué)生（如圖4所示），學(xué)生會發(fā)現(xiàn)用不同的合金絲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電流與電壓成正比的比例系數(shù)不同，或者說不同導(dǎo)體兩端的電壓與電流之比不同。此時引導(dǎo)學(xué)生思考電壓與電流之比的意義，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)該比值與物體自身有關(guān)，就像密度一樣，代表了物體本身的某種性質(zhì)。

根據(jù)以上分析，引導(dǎo)學(xué)生用物體兩端的電壓U與通過物體的電流I相比來定義物理量電阻R，即R＝UI，其單位為V/A。為了紀(jì)念科學(xué)家歐姆，物理中將電阻的單位稱為歐姆（Ω），即1Ω＝1V/A。由公式可知，電壓一定時，若物體的電阻越大，即導(dǎo)體對電流的阻礙作用越大，那么通過物體的電流便會越小。電阻的物理意義不言自明。

不同物體的電阻不同，其對電流的阻礙作用也不同，那些容易導(dǎo)電的物體被稱為導(dǎo)體，不容易導(dǎo)電的物體被稱為絕緣體。導(dǎo)體和絕緣體并沒有嚴(yán)格的界限，只是電阻大小存在很大差異而已。教師通過燒紅玻璃的實(shí)驗(yàn)展示導(dǎo)體與絕緣體的相互轉(zhuǎn)化（如圖5所示），并補(bǔ)充介紹導(dǎo)電性能的微觀含義，即其自由電荷數(shù)量越多，導(dǎo)電性能越強(qiáng)。

4.1.5" 應(yīng)用與實(shí)踐

在建構(gòu)了電阻概念以后，利用電壓表和電流表測量導(dǎo)體的電阻就順理成章了。實(shí)驗(yàn)中給各組學(xué)生提供不同規(guī)格的導(dǎo)體，讓學(xué)生測量導(dǎo)體兩端的電壓和通過導(dǎo)體的電流，并計(jì)算出導(dǎo)體的電阻，從而完成測量阻值實(shí)驗(yàn)。然后再給每小組提供一個小燈泡和電壓可調(diào)節(jié)的電源，讓學(xué)生測量不同電壓下燈泡的電阻（如圖6所示），分析燈絲電阻的變化規(guī)律，并思考為什么燈絲電阻會變化，引出下一個探究活動。

4.2" 探究電阻大小的影響因素

這部分的探究實(shí)驗(yàn)通常是利用轉(zhuǎn)換法，即通過電流大小定性反映電阻大小，因?yàn)榇藭r還沒有電阻的計(jì)算公式。在進(jìn)行單元教學(xué)設(shè)計(jì)時重組教學(xué)內(nèi)容，電阻大小的影響因素實(shí)驗(yàn)也得以進(jìn)行量化研究。

4.2.1" 問題與猜想

圖7

該環(huán)節(jié)承接主題一的環(huán)節(jié)五，教師連接如圖7所示的電路，測量常溫下燈絲的電阻，然后用酒精燈加熱燈絲直至其發(fā)紅發(fā)光，測量此時燈絲的電阻，讓學(xué)生借此驗(yàn)證自己之前的猜想是否正確，完成“溫度是電阻的影響因素”的教學(xué)。實(shí)驗(yàn)中仍然利用兩端電壓可調(diào)的電源，避免提前引入滑動變阻器，給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來困擾。

學(xué)生分組討論溫度對電阻大小的影響，同時教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試列舉出更多的電阻的影響因素，并輔以相應(yīng)的素材進(jìn)行佐證，以培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識和論證能力。示例：不同材料制成的相同形狀的導(dǎo)體的導(dǎo)電能力不同，因此電阻與材料種類有關(guān)。最終除了溫度之外，學(xué)生再猜想并確定出材料、長度、橫截面積等影響電阻大小的因素以備探究。

4.2.2" 方案與實(shí)施

由于教學(xué)時間有限，讓學(xué)生以小組為單位選擇一種因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)（如表4所示）。方案中要求學(xué)生明確控制了什么變量，改變了什么物理量，測量了什么物理量，需要什么器材。該實(shí)驗(yàn)方案與測量電阻的實(shí)驗(yàn)是一致的，電源兩端的電壓仍然可以調(diào)節(jié)，只是增加了控制變量的思考設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。學(xué)生按照自己所在小組的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄數(shù)據(jù)。

4.2.3" 數(shù)據(jù)與處理

小組的同學(xué)需要計(jì)算出每一次測量的電阻值，并分析電阻的變化與所探究的因素之間的關(guān)系。對于探究長度和橫截面積影響因素的小組，還需要得出電阻與自變量的定量的關(guān)系。

4.2.4" 解釋與交流

學(xué)生通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析歸納，得到導(dǎo)體電阻與導(dǎo)體材料有關(guān)，與溫度有關(guān)，并且還得到電阻與導(dǎo)體長度成正比，與橫截面積成反比的量化結(jié)論。教師借此幫助學(xué)生歸納電阻定律，即R＝ρLS。雖然此時歸納電阻定律水到渠成，但并不要求學(xué)生掌握電阻定律，教學(xué)中可以酌情定性化處理。

此處教師還需要幫助學(xué)生區(qū)分R＝UI和R＝ρLS兩公式。前者是電阻的定義公式，但是電阻大小顯然與電壓和電流無關(guān)，而是與導(dǎo)體的材料、長度、橫截面積、溫度等因素有關(guān)。現(xiàn)有教學(xué)中的電阻影響因素的理論理解困難迎刃而解。

4.2.5" 應(yīng)用與實(shí)踐

在明確了電阻大小的影響因素之后，便可以據(jù)此設(shè)計(jì)電阻值可以量化改變的儀器，即變阻器。教學(xué)中讓學(xué)生自己從電阻的影響因素中，尋找實(shí)際可用的改變電阻的方法。由于增加導(dǎo)體橫截面積、更換導(dǎo)體材料、改變導(dǎo)體溫度等都不方便實(shí)現(xiàn)，學(xué)生最終選擇通過改變連入的電阻絲長度來改變電阻（如圖8所示），這正是滑動變阻器的原理。

圖8

此時教師可以視學(xué)生的層次和教學(xué)時間，選擇不同的教學(xué)方法，將滑動變阻器的原理設(shè)計(jì)、接線使用、電路符號等融入課堂教學(xué)。比如教師引導(dǎo)學(xué)生利用長電阻絲自己設(shè)計(jì)滑動變阻器，過程中用纏繞解決電阻絲過長、用絕緣漆解決導(dǎo)線接觸導(dǎo)通、用刮去絕緣漆解決滑片與電阻絲無法導(dǎo)通等一系列問題，最終成功設(shè)計(jì)滑動變阻器。如果學(xué)生能力不足以支撐設(shè)計(jì)變阻器的任務(wù)，則可以選擇拆解滑動變阻器，給學(xué)生演示組裝一架滑動變阻器，從而引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷設(shè)計(jì)的過程（如圖9所示），完成有深度的學(xué)習(xí)，避免機(jī)械的記憶。

5" 結(jié)束語

科學(xué)探究教學(xué)模式需要有明確的探究任務(wù)，然后在既定的探究環(huán)節(jié)中逐步推進(jìn)，讓學(xué)生在完成探究活動的過程中應(yīng)用所學(xué)的知識和技能，建構(gòu)新的認(rèn)知。其本質(zhì)與任務(wù)驅(qū)動模式相似，只不過科學(xué)探究將環(huán)節(jié)和情境更加教學(xué)化，讓學(xué)生獲取信息的途徑更加實(shí)驗(yàn)化，［4］相較一般的任務(wù)驅(qū)動模式而言更加側(cè)重實(shí)驗(yàn)?zāi)芰λ仞B(yǎng)的培養(yǎng)。

基于建構(gòu)主義理論的特點(diǎn)，科學(xué)探究的教學(xué)模式一定要注重最后的課程落實(shí)。首先，在解釋交流環(huán)節(jié)，教師一定要引導(dǎo)和幫助學(xué)生完成物理課程的內(nèi)容深化，要基于實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)支撐概念規(guī)律的教學(xué)，要將理論和實(shí)驗(yàn)相互交織，從而真正將實(shí)驗(yàn)納入到課程中來，解決當(dāng)前教學(xué)中重理論輕實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀。然后，在探究活動中，一定要注意環(huán)節(jié)的銜接，尤其是學(xué)生的思維發(fā)展，保證學(xué)生順暢地完成認(rèn)知建構(gòu)。［5，6］最后，在探究結(jié)束時一定要增加應(yīng)用和實(shí)踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在將實(shí)驗(yàn)和理論融合以后，有機(jī)會進(jìn)一步聯(lián)系實(shí)際，在運(yùn)用中強(qiáng)化和鞏固認(rèn)知結(jié)構(gòu)，完成學(xué)科核心素養(yǎng)的升華。

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