核心素養導向下“層進式問題串”的教學設計
——以“電流計改裝成歐姆表”為例

陳水勇

(福建省龍海第一中學,福建 漳州 363100)

物理學科核心素養是指“學生通過學科學習而逐漸形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力．包括物理觀念、科學思維、科學探究及科學態度與責任4個方面”．[1]物理教學中應如何開展有效教學,使物理核心素養真正落在實處,是所有一線物理教師的共同訴求．學生的核心素養不是與生俱來的,也不是一蹴而就的,需要教師在平常教學中不斷加以引導訓練,學生不斷去體驗感悟,因此教師需要深度備課,根據每節課的教學目標,借助具體的、層進式的問題情境,引導學生在問題解決的實踐中逐漸加以形成．

“層進式問題串”是指在一定的學習范圍或主題內,圍繞一定目標或某一中心問題,按照一定邏輯結構精心設計的一組有梯度的問題．[2]“多用電表的原理與使用”是司南2003版高中物理選修3-1第4章第2節的內容,[3]教師們在上這節課時,大都覺得難以創新,一般都采用“傳統講授+習題”的教學方式,課后學生雖然能夠使用歐姆表測量電阻,但對于使用歐姆表測電阻時,為什么要先歐姆(電)調零、歐姆表的刻度為什么左大有小、

刻度為什么不均勻等問題仍然一知半解,尤其對學生的科學探究及科學思維的能力得不到有效培養．筆者以此節課為例,說明高中物理教學如何通過設計“層進式問題串”,促進學生物理核心素養的形成．

1 利用問題串——任務驅動,有效導入

電流計改裝成直接測量電阻的歐姆表,與之前學生學過的把電流計改裝成電壓表,內容有一定的聯系．在新課導入環節,采用遞進的若干個引導性的問題,在回顧舊知識的基礎上引入要解決的問題,使學生產生認知需要．

問題1:你能否畫出把一個電流計改裝成電壓表的電路圖?求出待測電壓U與通過電流計I的關系式?

圖1

問題2:如果把電流計改裝成3 V的電壓表,如圖1表盤刻度應怎樣改標?

問題3:前面學過測電阻用什么方法?能否把電流計改裝成直接測量電阻的歐姆表? 怎樣改裝?

設計意圖:通過由淺入深的問題串,啟發學生分析伏安法測電阻,既要用到電流表,又要用到電壓表,還要用公式比較麻煩,從而使學生產生認知需要．引導學生分析被測電壓U與Ig關系式U=Ig(Rg+R),得出被測電壓U與Ig成正比,所以改裝后的電壓表刻度是均勻的．用問題串檢測學生的學情,站在學生的角度備課,按照“最近發展區”的理論,有效引入新課,讓學生發現新問題,激發學生的求知欲望,達到進入深度學習的啟動狀態,進而實現物理核心素養的培養．

2 利用問題串——問題驅動,理論探究

提出問題:如何把電流計改裝成能夠直接測量電阻的歐姆表?

問題1:把電流計改裝成能夠直接測量電阻的歐姆表,除了電流計G、被測電阻Rx外,還需要哪些器材?

教師提問:學生提出兩種方案: (1) 干電池、導線、開關．(2) 干電池、變阻器、導線、開關．教師引導學生交流討論得出還需要變阻器．因為如果沒有變阻器,電流可能很大,甚至超過電流計的量程,所以應該選擇第2方案,使學生學會能根據實驗內容選擇實驗器材．

問題2:如何設計一個把電流計改裝成能夠直接測量電阻的歐姆表簡單的電路?并求出Rx與I的關系式?

圖2

師:Rx越小,I越________

生:Rx越小,I越大．

生:把一個已知阻值的電阻如Rx=10 Ω,接入電路,就可以求出Rg+R+r的值．

生:3種: (1)I>Ig; (2)I=Ig; (3)I

生:使Rx=0 Ω,再移動變阻器,直至電流達到滿偏．

圖3

問題4:如圖3電路,若電源的電動勢E=1.5 V,電流計滿偏電流Ig=5 mA,A、B為接線柱,用導線把A、B直接連起來,調節變阻器電阻R使電流計恰好達到滿偏電流,則Rg+R+r等于多少?

圖4

問題5:如圖4電路,若電源的電動勢E=1.5 V,電流計滿偏電流Ig=5 mA,保持R阻值不變,A、B間斷開,此時Rx=________,電流表的示數I=________.

引導學生得出Rx→∞,I=0．

圖5

問題6:如圖5電路,若電源的電動勢E=1.5 V,保持R阻值不變,如果把任意電阻Rx接在A、B間,求出Rx與I的關系式?Rx與I成什么關系?

表1 電流I所對應的被測電阻Rx的阻值

教師引導學生得出:I=4 mA時,Rx=75 Ω;I=3 mA時,Rx=200 Ω;I=2 mA時,Rx=450 Ω;I=1 mA時,Rx=1200 Ω．

圖6

問題8: (1) 把如圖6所示電流計的刻度都改標為對應電阻的阻值.

圖7

用粘貼紙把對應的被測電阻的阻值粘貼在相應的電流的刻度板上,如圖7．

(2) 觀察圖7歐姆表的刻度,有何特點?

引導學生得出:左密右疏、左大右小．

設計意圖:如何充分利用表盤所有刻度及如何求出Rg+R+r的值是本節課的難點,也是培養學生科學思維、科學探究的著力點.為此教師利用層層遞進的問題串,改灌輸式為啟發探究,并根據學生現場表現情況適時加以提示點撥,最終得出當Rx=0 Ω時,要調節變阻器阻值使電流滿偏.這也就是為什么利用歐姆表測電阻前要先歐姆(電)調零的原因,真正落實了以學生為主體、教師為主導,以學定教的新課程理念．利用問題串解決問題的同時,教師還要注重培養學生良好的科學態度,如畫電路圖時規范使用直尺的良好習慣．

3 利用問題串——動手操作,實驗探究

教學中我們理論上成功地把電流計改裝成歐姆表,那么是不是能符合實際?能不能用實驗加以驗證呢?怎么做?

筆者根據教學實際設計如下問題.

問題1:現給你1節干電池(E=1.5 V,內阻未知),1個變阻器,1只量程為5 mA的電流表(內阻未知),一個電阻箱,如何連接電路,怎么操作來驗證問題8中的數據?

圖8

變阻器如果是滑動變阻器阻值不夠大,可把滑動變阻器與電位器或定值電阻串聯．請2個學生上臺操作,把上述器材連成如圖8所示電路,教師再根據學生的操作情況,設計系列小問題串,引導其他學生注意觀察,該位學生的操作是否正確,實現師生互動、生生互動、合作交流．

問題(1)有沒有先機械調零?

問題(2)連接電路時,開關是否斷開?

問題(3)閉合開關前,滑動變阻器的滑片是否處于最大阻值處?

問題(4)接著有沒有進行歐姆調零(電調零)?

問題2:用如圖8裝置驗證表1的數據是否正確?如選擇I=2 mA時,看被測電阻(電阻箱)Rx的示數是否是450 Ω?再請同學選擇當被測電阻Rx=1200 Ω時,看電流計的示數是否是I=1 mA?

學生上臺操作,電阻箱的阻值用實物投影儀顯示在屏幕上．此時學生非常好奇,剛才理論探究的結果是否正確,對實驗結果充滿期待,當學生通過實驗驗證發現結果正確無誤時,學生自發報以熱烈的掌聲．

設計意圖:通過問題串設計,實現以下教學目標的達成:通過之前自己理論探究設計的實驗器材及原理,現場動手實驗操作進行驗證．一方面讓學生體會到探究成功的喜悅,學以致用的樂趣,提高學生學習物理的興趣．另一方面通過動手操作達到加強歐姆表測電阻之前要先機械調零再歐姆(電)調零的動作記憶．

4 結語

以問題為主線、將實驗探究與科學思維相結合,通過精心設計層層遞進的“問題串”,從實驗器材的選擇、電路的設計、表盤的改標到現場用實驗加以驗證,既加深了學生對歐姆表原理的感性認識,又讓學生切實體會到科學探究之美．采用問題串與學生互動,充分發揮教師的組織引導作用,引發學生積極的參與思考、互動交流討論,有效地促成課堂的教學生成,有效保證學生思維活動的深入進行． 教學實踐表明,在高中物理教學中,通過巧設“層進式問題串”,引導和推動學生深度參與探究,才能使學生的物理觀念、思維方式、探究能力得到深刻而長遠的發展,為實現物理核心素養的培養提供了有效的途徑．