提供直觀素材培養學科素養
——以“閉合電路歐姆定律”為例

謝忠良

(浙江金華第一中學 浙江 金華 321015)

高中生在知識接納過程中存在顯著的特點，教師在物理教學活動中，要努力貫徹吳加澍老師提出的“以實驗為基礎，以思維為中心，以過程為主線，以變式為手段”的優化物理教學的策略，通過提供直觀的物理素材，構建“實驗·啟思·引探”的教學模式．筆者在教學過程中對于提供直觀物理素材，培養學生的學科素養做了許多嘗試，取得了滿意的教學效果．這里展示“閉合電路歐姆定律”的幾個教學片段，通過提供直觀的物理素材，力求學生對閉合電路的歐姆定律這一核心概念和規律有較為全面的認識，提升學生模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等能力，從而提高學生學科核心素養．

1 視覺素材沖擊啟思

【片段1】演示一：分別用1節干電池和2節干電池作為電源，給小燈泡供電．閉合開關，引導學生觀察小燈泡的亮度變化情況——2節干電池增加了電動勢，更亮——符合前概念的認知．

演示二：10節干電池作為電源．先讓學生猜想會發生什么現象，再閉合開關，讓學生觀察小燈泡的亮度情況．——拿出電源時，已經給學生一定的視覺沖擊，結合生活經驗，學生異口同聲判斷“哇，要爆掉”．實際發現非常暗．——引發認知沖突，啟發思考．

用DIS電壓傳感器測10 節干電池不接電路時兩端的電壓：13.55 V；小燈泡連接時兩端的電壓：0.02 V——進一步引發認知沖突，啟發思考——電源兩端的電壓是變的．那么這13.53 V哪里去了？——內電阻分走了電壓，進入下一環節．

【片段2】演示三：課堂最后，回到課始實驗．

師：為什么這么多電池給小燈泡供電，小燈泡反而更暗了？

生：內阻太大了．

師：實際上隨著干電池的使用，內阻會變大，10節干電池中有9節新電池，1節舊電池．現在我把這節舊電池拿掉，再來給小燈泡供電．——小燈泡一閃，立即燒毀．學生又“哇”了一下．

師：所以這么多電池大部分都在為這節舊電池供電，因此日常生活中，新舊干電池不能混用．

感受：兩次“哇”有力地說明了視覺素材造成的沖擊，可以吸引學生的關注度，啟發思考．課題引入時通過視覺素材設下“陷阱”拋出問題，學生根據以往知識的判斷與實驗觀察到的現象截然相反，認知沖突強烈激發了學生的求知欲和探究欲，不僅直觀地感受到了“電源兩端的電壓是變的”這一學考知識目標，而且使學生很快進入到新課學習的狀態．課堂最后實驗揭秘，首尾呼應，達到“課堂盡，思未了”的境界．不僅強化了內阻會分走電動勢這一知識目標，而且強調了新舊電池不能混用這一生活經驗，提高學生的學科素養．

2 科技素材助力演示

【片段3】將化學電池作為電源與滑動變阻器、開關一起串聯構成閉合電路進行實驗，通過用DIS電壓傳感器測量出電路的內電壓與外電壓，探究內、外電壓之間的關系．將DIS電壓傳感器1接在滑動變阻器兩端，測量外電路電壓，即外電壓；將金屬探針置入化學電池兩極附近，用電壓傳感器2測量內電壓，如圖1所示.計算表格如表1所示．

圖1 用DIS電壓傳感器測量出電路的內電壓與外電壓

計算表格U1U2U1+U211.210.822.0321.680.382.0631.780.282.0641.850.222.0751.910.162.0761.950.122.0771.970.112.08

感受：傳統測電壓都用電壓表讀數，讀數誤差較大，在比較緊湊的課堂中，還比較耗時．本演示實驗采用DIS傳感器，科技素材助力演示實驗，數據直觀，能很快得到“在誤差允許范圍內，U內+U外=定值”這一階段性教學目標，達到很好的課堂教學效果．

值得一提的是，教師還故意在最后留下課后思考題：請用閉合電路歐姆定律解釋表中定值數據(電動勢)稍有增大的原因．——由于兩探針并沒有完全靠到兩電極，使得兩極附近的一部分內阻分得的內電壓并沒有測量進去．隨著外電阻變大，電流減小，這部分內阻分得的電壓越小，實驗的內外電壓之和越接近電動勢．教師并沒有故意打亂數據，而是完全尊重實驗事實，開啟了學生課外探究的腦洞，體現優秀的學科素養和科學精神[1]．

3 傳統素材合作探究

【片段4】如圖2所示，學生探究實驗：用1 節1 號干電池作為電源，連成閉合電路．閉合開關，觀察兩表示數，移動滑動變阻器的滑動片，觀察滑動變阻器電阻的變化以及電流表和電壓表的讀數變化．通過合作探究發現：當滑動變阻器電阻減小時，電流表的讀數變大，電壓表的讀數變小；當滑動變阻器電阻增大時，電流表的讀數變小，電壓表的讀數變大．

圖2 探究實驗電路

感受：路端電壓和負載的關系是本節課運用的重點，如果對全電路的直觀認識不足，頭腦中的物理情境傾向于分離的靜態畫面，對動態電路分析容易只憑局部了解就草率得出結論．本教學片斷學生先通過探究實驗得到直觀認識，教師在學生操作過程中不時引導學生主動地進行觀察、操作、猜想、驗證、推理與交流等學習活動，再利用理論解釋．一方面在規律應用的過程中再次讓學生感受電路中由局部變化引起整體變化的原因，體會牽一發而動全身和變化中尋求不變的守恒思想，讓學生感悟到物理學研究的基本思維方法；更為重要的是，使學生由被動接受性學習轉變為主動探究式學習，為學生徹底厘清規律的來龍去脈，從而在獲取知識的過程中形成清晰的認知結構，為科學方法的遷移奠定了夯實的基礎．

合作探究實驗一般以傳統素材為主，通過此類素材學生可以獲得感性的直觀認識，培養學生實驗探究規律、觀察實驗現象、利用所學知識解釋現象的能力和交流合作能力，并使學生從中體會到成功的樂趣．

4 生活素材回歸本源

【片段5】如圖3所示，用香煙錫紙按兩邊寬中間窄剪成長條狀后，接到電池的正負級，錫紙中間從最窄處瞬間燃燒，并將紙巾引燃．

圖3 錫紙實驗

感受：這是一組生活素材——驢友野外取火的一種方法.錫紙中間部分較窄，電阻較大，在一樣電流下，電阻大的地方發熱會更加顯著．課堂上現場展示該素材是在讓學生結合所學知識討論兩種較為特殊的情況(短路及斷路)下進行的．如果只是口頭敘述，就顯得比較單調，難以形成直觀感受．教師通過教學后，再展示該生活素材，通過這種方式，有效地拓展了知識，培養了學生學以致用的能力，達到了提升學科素養的教學高度．讓學生明確如果發生短路現象，常會導致電源被燒壞甚至引起火災，因而為了避免這一問題，可以安裝保險絲等．此種取火方式也存在一定的安全隱患，在取火過程中，電池放熱可能會引起燙傷，也可能會發生電池爆炸事故，實驗操作過程比較危險切勿模仿．同時提醒大家，平時不要將電池和能導電的物品放在一起，比如說電池不要放在硬幣堆里等，以免成“點火利器”．

【片段6】課本上“說一說”欄目提供生活素材：“傍晚用電多的時候，燈光發暗，而當夜深人靜時，燈光特別明亮．又如，在插上電爐、電暖氣等大功率的電器時，燈光會發暗，拔掉后燈光馬上又亮起來．在一些供電質量不太好的地區尤其是這樣．試著解釋這種現象．” 在回答這個問題之前，先提供直觀的可視生活素材驗證這一現象的存在，如圖4所示，圖中3個燈泡完全相同，逐個閉合開關1，2，3，觀察燈泡1，發現其逐漸變暗；再逐個斷開開關3，2，觀察燈泡1，發現其逐漸變亮．

圖4 實驗電路板

感受：“說一說”欄目的內容，取材于生活素材，對于鍛煉學生分析實際問題的能力，強化學生的實踐意識等方面的核心素養十分有益．教師在分析此問題之前，先提供可見的實驗現象，借此啟發學生思考：隨著開關的閉合，外電阻減小，導致干路電流增大，由U=E-Ir，得路端電壓減小，即燈泡兩端的實際電壓減小，故燈泡變暗了，反之，燈泡變亮．“說一說”所述問題也得到了解決．

物理來源于生活，能夠解決生活中的問題才是物理的本源和初衷．生活素材是教學中活的源泉，一方面其可以激發學生的學習興趣，另一方面可以體現教學的生活化和實際應用化．通過提供生活的素材，不僅再次糾正了學生初中既有的電源兩端電壓是不變的這一固定思維，解決了認知沖突，突破了錯誤前概念；同時提高了學生運用閉合回路的歐姆定律分析解決問題的能力[2]．

5 意義與體會

5.1 課后反思

圖5 以實驗為基礎，以思維為中心，以過程為主線，以變式為手段

本課以圖5為結構，層層推進，讓學生從部分電路的認知上升到全電路規律的掌握，從靜態電路的計算提高到對含電源電路的動態分析及推演．通過直觀素材的輔助展示，學生不僅對閉合電路的歐姆定律這一物理核心概念有了較為全面的認識，能應用物質觀、能量觀等物理知識和方法解釋自然現象和解決實際問題，而且在此過程中形成了科學思維，感受到科學家嚴謹認真、實事求是和持之以恒的探索精神，獨立思考、敢于質疑和善于反思的創新精神，對培養學生的學科核心素養起到了很好的促進作用．

5.2 提供直觀素材助力物理教學

(1)清晰展現現象規律，有利于認知結構的建立

提供直觀素材可以把物理的現象、物理的規律清晰地展現在學生的面前，使得學生“眼見為實”．把復雜枯燥的知識變得直觀易懂，而且能夠成功吸引學生的研究注意力，激發探究熱情．進而一步步地建立起符合學習規律的認知結構．

(2)集中突破重點難點，有利于高效課堂的打造

傳統課堂的物理重難點突破依賴于小專題、大練習，反復練，練強化．這種方式對于經驗型的傳統考題有效，對于創新性的高考題收效甚微，因為學生本質上沒有突破，是一種被動突破．提供直觀素材可以把知識點的“微單元”直觀突破，再進行“模塊化”創建，從而提高課堂的教學效率．

(3)促進遷移科學方法，有利于學科素養的培養

學生在面對直觀素材時，不斷思考、設計、創新，“潤物細無聲”般將科學的精神和思想方法等學科素養深入到學生的骨髓．當他在今后面對新的問題時，思想內的科學方法又能夠遷移出來，幫助解決新的問題．這正是物理教學想要達到的初衷．