基于核心素養的物理教學設計
——以“水果電池”為例

艾 彤

(北京市第十五中學,北京 100054)

物理學科核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會需要的必備品格和關鍵能力,是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質，主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面。

在“水果電池”這節課的設計和實施中，筆者始終以物理學科核心素養為目標，首先通過學生的原有認知和新知識間的差異創設物理情境，引發學生的認知沖突，使學生產生探究的好奇心和求知欲，引出本節課要探究的問題：(1)如何通過實驗來判斷水果電池的正負極？(2)影響水果電池電壓大小的因素有哪些？在探究過程中注重培養學生發現問題、提出問題、通過合作解決問題的能力，讓學生體驗到成功的喜悅。最后將水果電池與生活實際相聯系，滲透STSE的教育理念，培養學生的科學態度與責任。

1 教材分析

水果電池在人教版物理教材第十六章第一節中出現，但教材中僅介紹了水果電池的電壓。本節課以水果電池為載體，綜合教材中發光二極管的單向導電性、電流表和電壓表的應用等內容，作為本節課第一部分重點研究的內容。本節課第二部分又對水果電池的電壓做了更為深入的研究，運用控制變量法探究了影響水果電池電壓的相關因素。最后一部分在學生現有基礎上進行提升，為高中學習電池內阻內容做鋪墊。

2 學情分析

學生已經學習了電學的主要內容，包括電壓、歐姆定律、電功率等，本節課設計的出發點是培養學生的動手能力和綜合分析問題的能力，激發學生學習物理的興趣。教學過程中涉及用傳感器測量水果電池和干電池內電阻的問題，教師提前完成，實驗結果在本節課上直接引用，為學生在高中學習電池的內阻埋下伏筆。

3 教學目標

(1)通過實驗探究，會判斷水果電池的正、負極。

(2)通過探究影響水果電池電壓大小的因素，學習制定實驗方案，培養學生控制實驗條件的意識。

(3)通過合作交流，表述自己的觀點，培養學生語言表達、收集信息、交流的能力。

(4)將美味水果與物理相聯系，激發學生學習物理的興趣，再通過自主探究，培養學生的團隊精神和合作意識。

4 教學設計

4.1 新課引入

展示各種水果，演示實驗1:利用水果電池使電子鐘工作(圖1)。

圖1

演示實驗2:將其中一個檸檬電池與一個發光二極管相連，發現二極管不發光。

提出問題:二極管不發光的原因可能是什么?

學生分析：(1)二極管和電源的正負極接反了；(2)水果電池的電壓太小了。

引出本節課主要研究的兩個問題：(1)如何通過實驗來判斷水果電池的正負極？(2)影響水果電池電壓大小的因素有哪些？

4.2 分組探究水果電池的正負極

提出問題:可以借助哪些電學實驗元件？如何來判斷水果電池的正負極？

實驗器材：二極管、電流表或電壓表。

學生實驗:(1)兩人一小組，用檸檬、銅片和鋅片制作水果電池。(2)請三個小組合作，將3個水果電池串聯作為電源。(3)用一只二極管判斷3個水果電池串聯后電源的正負極。

交流討論：(1)如何判斷電源正負極？(2)判斷結果是什么？

實驗結論：銅片是正極，鋅片是負極。

4.3 探究影響水果電池電壓的因素

學生猜想：水果種類、電極的材料、電極間距、電極插入水果的深度(插入的面積)、水果大小、水果所含汁液的多少等。

今天我們只研究水果種類、電極材料、電極間距、電極插入水果的深度等4個因素。請同學們提出可供探究的科學問題，如探究水果電池電壓大小與電極間距的大小關系。

教師引導分析：需要關注幾個量？自變量是什么？電極間距如何測量？因變量是什么？如何測量？測量時應控制哪個變量？如何控制其不變？

學生兩人一組，分組實驗，每組研究一個問題，按以下步驟進行實驗：(1)收集實驗數據；(2)通過歸納得出實驗結論；(3)探討實驗操作過程中遇到的問題及解決方法；(4)探討實驗中的新發現。

4.4 利用圖像法分析問題

物理實驗中的圖像法是一種整理、分析數據的有效方法，圖線可以直觀、簡潔地顯示出因變量隨著自變量變化的趨勢或規律。

教師補充水果電池電壓大小與電極間距、插入深度的兩張物理圖像(圖2)。

圖2

提出問題:觀察圖2，你有什么新發現？

學生回答：水果電池的電壓隨著電極間距的增大而減小，并且減小得越來越慢。水果電池的電壓隨著電極插入深度的增加而增大，并且增大得越來越慢。

4.5 水果電池內阻問題

演示實驗:一節干電池可以使小燈泡發光，測量三個水果電池串聯后的電壓，然后與小燈泡串聯，觀察現象。

如圖3所示，學生觀察到三個水果電池串聯后的電壓可以達到4V以上，但此時卻不能使小燈泡發光。

圖3

提出問題:一節干電池能使小燈泡發光，水果電池的電壓比一節干電池還大，卻不能使小燈泡發光，原因是什么？

學生猜想：根據小燈泡不發光推測小燈泡的實際功率小，又根據P=I2R，可以推知電路中的電流過小，導致電路中電流過小的原因可能是電源內部存在著較大的電阻。

實驗驗證:教師通過電壓和電流傳感器測出水果電池內部的電阻R≈1200Ω，驗證了學生的猜想。

5 教學反思

在本節課的教學中學生樂于動手參與，積極合作交流，整節課體現了學生的主體性，教師在教學中主要起到引導作用，提高了學生的探究能力、學習興趣和參與意識。

(1)整節課的教學設計具有開放性，讓學生做到真探究、真實驗。實驗結束后再由學生分析實驗數據，通過交流得出結論。

(2)激發了學生的探究興趣，水果是他們喜愛的食物，用水果來做實驗研究，充分調動了學生的積極性，激發了他們的研究興趣。

(3)在教學中滲透了初、高中物理教學的銜接，比如水果電池正負極的化學原理，以及水果電池的內阻問題。教師通過實驗提出問題，讓學生有所了解，但真正解決問題要在高中的學習中進行。