滲透技術教育的高中物理綜合實踐活動開發(fā)

郭本剛

摘? ?要：文章首先對比分析了人民教育出版社2019年和2010年出版的普通高中物理教科書中“多用電表”章節(jié)編排的變化，然后將新版教材中“拓展學習——歐姆表的原理”這一節(jié)開發(fā)成技術改裝與理論分析相結合的綜合實踐活動，并以此為例闡述了如何在高中物理教學中滲透技術教育，從而實現初高中物理教學在學科核心素養(yǎng)提升上的銜接。

關鍵詞：歐姆表的原理;綜合實踐活動;技術教育

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）2-0069-4

2019年人教版普通高中物理教科書合理確定了內容的難度和廣度，體現了學生核心素養(yǎng)發(fā)展水平的層次性和成長性，在注重基礎的同時兼顧差異，為滿足不同水平學生的學習需求，設置了“拓展學習”版塊供學有余力的學生選學[1]。“歐姆表的原理”安排在必修三第12章第2節(jié)“閉合電路的歐姆定律”后的“拓展學習”部分，而“實驗：練習使用多用電表”則安排在前一章第5節(jié)。而2010年人教版普通高中物理選修3-1中，“多用電表的原理”則安排在第2章第8節(jié)，即在“實驗：練習使用多用電表”之前，“閉合電路的歐姆定律”之后。由此可以看出，新、舊版教材對“多用電表”章節(jié)的編排有以下四點變化：（1）新版教材中儀器原理的分析從原來編排在儀器使用之前改到儀器使用之后;（2）新版教材只介紹歐姆表的原理而不再介紹多用電表的原理;（3）新版教材中儀器原理介紹放在了章節(jié)知識后的“拓展學習”版塊，而不再單獨設置為一節(jié);（4）新版教材將“多用電表的使用”提前到 “閉合電路的歐姆定律”之前。上述編排變化顯示出新版教材對多用電表原理重視程度的降低，這更符合學生認知規(guī)律的發(fā)展水平，也給教師在教學過程中更多的選擇和空間。筆者根據本班學生的實際情況，對新版教材進行了二次開發(fā)，將“歐姆表的原理”改造成先了解原理，然后改裝，最后再理論總結的綜合實踐活動，并在此過程中滲透技術教育。

1? ? 新版教材中“多用電表”編排順序變化的深層次分析

舊版教材中“多用電表的原理”為一個單獨的章節(jié)，教學過程中常存在以下問題：（1）知識難度大，課堂教學容量也大，超過了大部分學生的實際接受能力。這一節(jié)課既要在探究歐姆表原理的過程中強化閉合電路歐姆定律的應用，又要讓學生掌握電流的方向、歐姆擋調零的目的、刻度的特點和換擋原理等知識，還要讓學生認識多用電表的外表，并了解多用電表的內部結構。教學內容實在太多，大部分學生很難在一節(jié)課里全部理解和掌握以上教學內容，更無從談及學生學科核心素養(yǎng)的提升。教學實踐表明，在一節(jié)課里能夠讓學生理解歐姆表的原理并掌握測電阻的主要步驟，就已經算是比較成功的一堂課了。（2）教師進行教學設計和教學組織的難度較大，很難兼顧實踐操作和理論分析。綜合各期刊發(fā)表的關于這節(jié)課教學設計的相關文章可以發(fā)現，這節(jié)課的教學環(huán)節(jié)主要包括歐姆表原理的課題引入、理論設計、改裝實踐（標定刻度）和總結歸納，然后在此基礎上升級到多用電表的設計。部分教師還引導學生進行了多倍率歐姆表的設計和改裝。但同時，教師們也反饋了教學過程中存在的一系列問題：如理論分析難度較大（特別是調零的必要性和換擋的原理）;理論標定刻度與實驗定標間存在較大誤差;實驗定標較困難（電阻箱阻值不準確，需精確測定）;隨堂實驗耗時太長，課堂中無法讓學生展示成果、相互進行交流評價等問題。（3）在學生沒有實際使用經驗的情況下過早引入多用電表的原理，不符合一般認知規(guī)律。人們對新鮮事物的認知總是從直觀感受開始，對多用電表的認知也類似。然而，舊版教材在學生沒有接觸和使用多用電表的情況下先引入儀器原理的探究，讓學生直接從原理上建構多用電表的概念，學生接受的難度較大。

新版教材將多用電表歐姆擋的原理放在了“閉合電路的歐姆定律”章節(jié)后的“拓展學習”版塊，這樣的編排就有效避免了舊版教材中“多用電表的原理”這一章節(jié)教學過程中遇到的以上問題。新版教材讓學生在已有使用多用電表的實踐經驗基礎上，帶著在使用歐姆表測電阻的過程中產生的若干疑問，集中針對歐姆表的原理進行學習和探究，而不貪求學生掌握完整的多用電表原理，是有的放矢和切合教學實際的編排。這樣的教學編排在加深學生理解閉合電路歐姆定律的同時，讓學生先直觀感受再抽象學習，先操作儀器再學習原理，更符合學生的認知規(guī)律。這樣的教學編排，使得學生的探究行為成為直觀感受和親身體驗后自發(fā)的學習需求，學生的積極性和主動性得到充分的調動，從而更好地實現了應用閉合電路歐姆定律分析實際問題的教學目標。另一方面，學生進行探究學習的教學容量也符合高中生的實際接受能力，課堂教學更具張力，師生互動更加從容，而不再是節(jié)奏緊張的快餐式課堂。

2? ? 高中物理綜合實踐活動開發(fā)的必要性

劉炳昇教授指出：“從現實意義來看，為了拓寬物理課程的視野、發(fā)展學生的個性特長和優(yōu)化物理課程的探究性學習結構，有必要在教材中設置物理綜合實踐活動，為學生提供更加開放的學習平臺。”[2]劉教授還指出：“對技術的興趣、評價，一般的技術設計方法和解決技術問題的思維和行動方式等，都是技術素養(yǎng)的組成部分。現代社會的公民應當具有一定的技術素養(yǎng)，技術教育應當滲透在科學課程中，因此應當關注物理課程中的技術教育問題。”[3]蘇科版初中物理教材設置了九個以“綜合實踐活動”為載體的技術教育課，為學生創(chuàng)造了在動手實踐過程中更新觀念、提升思維的機會，有助于提升學生科學探究的意識與能力，有利于學生建立“理論與實踐相結合”和“實事求是”的科學態(tài)度，可以說是全方面綜合發(fā)展學生的物理核心素養(yǎng)。

然而，在高中物理教學中涉及的技術教育卻相對顯得較少。《普通高中物理課程標準（2017年版）》[4]指出“高中物理課程是普通高中自然科學領域的一門基礎課程，旨在落實立德樹人根本任務，進一步提升學生的物理學科核心素養(yǎng)……高中物理課程在義務教育的基礎上，幫助學生從物理學的視角認識自然，理解自然……”所以，有必要將初中物理“綜合實踐活動”的課型延續(xù)到高中物理教學中，讓初、高中物理教學在方式方法上實現更好的銜接，以求更好地延續(xù)和發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)。

為了更好地體現技術教育的重要性和教材編者的初衷，筆者將“拓展學習——歐姆表的原理”改造成“設計和改裝歐姆表”的綜合實踐活動。蘇霍姆林斯基說：“在人的心靈深處，都有一種根深蒂固的需要，這就是希望自己是一個探究者、發(fā)現者、研究者，而在兒童的精神世界中，這種需要特別強烈。”但是，這種探究、發(fā)現和研究要有充分的理論準備，要有比較明確的目標，要有計劃性，要有反思和總結。

3? ? 綜合實踐活動“設計和改裝單倍率歐姆表”的開發(fā)過程

3.1? ? 技術設計的問題清單

學生通過練習使用多用電表，已經知道了利用歐姆擋測電阻的基本步驟：選擋—（歐姆）調零—測量。另一方面，學生已學會將小量程的電流表（表頭）改裝成安培表和伏特表，現在又有了閉合電路歐姆定律的知識儲備。所以，將表頭改裝成歐姆表已經具有了直觀目標、參考經驗和理論基礎三方面條件。改裝的目標是讓電流表的電流值與歐姆表的電阻值一一對應，然后將電流表表盤刻度轉換成電阻刻度，從而可以直接快速地讀出待測電阻值。筆者設計了歐姆表測電阻過程中遇到的問題與解答表（見表1），旨在讓學生在反思問題的意識驅動下，在技術設計過程中整合相關物理知識。

3.2? ? 技術設計的可行性（理論設計）

引導學生閱讀“拓展學習”相關內容，理解并掌握歐姆表基本原理和標定刻度的方法。如圖1所示，歐姆表測電阻的基本原理如下：選擇合適的歐姆擋后需先進行歐姆調零，此時有Ig=■=■，即R■=■，其中Rg為電流表的電阻，R1為滑動變阻器的電阻，r為電源內阻。測量時，有I=■，所以R=■-R■。

可見：R改變，I隨著改變，R與I一一對應，如果借助阻值已知的電阻在刻度盤上標出與電流值對應的電阻值，以后就能直接讀出電阻阻值了。接下來，將學生分成若干個小組，制定活動的具體目標和方案，并列出所需器材規(guī)格和用途（可先列出清單，供學生選擇），見表2。

3.3? ? 綜合實踐活動的過程記錄

首先，學生在教師啟發(fā)下自主反思提出并回答下列問題，理解歐姆表零刻度位置為何在滿偏電流處，以及電流零刻度對應電阻值為何是無窮大。

問題1：歐姆表的零刻度標在哪個位置？為什么這樣標？

問題2：將兩表筆短接，發(fā)現指針并未指在滿偏電流處，為什么會出現這種情況？怎么辦？

問題3：歐姆表測電阻時，為什么需要歐姆調零這一步驟？

問題4：當I= 0時，對應的外接電阻值多大？

教師總結：以表頭電流滿偏處作為歐姆表的零刻度線，從右向左標上刻度，可以充分利用原有刻度線，看上去比較美觀，且符合閱讀習慣。兩表筆短接時指針未指到滿偏電流處，是因為歐姆表內阻偏小或者偏大，需要調節(jié)其內阻中的R1。只有在確定內阻的情況下，才能準確計算外接電阻值。電流為零意味著電阻無窮大，即紅、黑表筆斷開。

接下來，讓學生連接電路，并完成表盤刻度的理論計算和技術轉換。

自主活動1（理論計算）：根據器材規(guī)格計算出歐姆表的內阻，然后求出各預設電流值對應的外接電阻理論值，填寫完成表3的第1和第2行。

自主活動2（技術改裝）：讓學生先填寫完成第1列和最后1列，并思考：若兩表筆斷開時指針不指在電流零刻度處，怎么辦？——機械調零;若兩表筆短接時指針不指在滿偏電流處，怎么辦？——歐姆調零。由于電流表刻度并不是嚴格均勻準確，存在一定的誤差，所以有必要以電阻箱作為待測電阻，用實際測量的方法先得到各預設電流值所對應的外接電阻實驗值，然后在刻度盤上完成從電流值到電阻值的數值轉換。此處需要提醒學生，電阻箱的阻值也不一定準確，需

要利用電流、電壓傳感器或者其他精密儀器精確確定。

自主活動3（交流評價）：各組同學對比理論值和實驗值后交流討論，并互測互試（用其他小組制作的歐姆表測量阻值已知的電阻），檢驗他組改裝的歐姆表，并作出評價。交流評價環(huán)節(jié)讓學生體驗到了改裝成功的喜悅，很好地激發(fā)了學生學習物理的興趣。

3.4? ? 技術設計的理論總結和觀念升華

至此，學生已初步理解和掌握了歐姆表的原理，從而有了進一步深入探討的可能，如歐姆表的刻度特點、換擋的原理等。接下來，可趁熱打鐵引導學生自主探究下列幾個問題，幫助學生進一步提升物理觀念，發(fā)展物理思維。

問題1：歐姆表的中值電阻阻值有何物理意義？

問題2：歐姆表刻度為何越往左越密？

問題3：歐姆表測電阻時，指針指在哪個區(qū)域讀數比較精確？

問題4：既然歐姆表的量程是無窮大，為何還要設置四個擋位呢？

問題5：為何每次換擋后必須要重新歐姆調零后才能進行測量？

問題6：換擋是在調節(jié)歐姆表的內阻嗎？如果不是，那調節(jié)的是什么？

最后，教師進行總結：

電流值為滿偏電流一半時，整個回路的總電阻是歐姆調零時的兩倍，外電阻等于歐姆表內阻。電阻值隨著電流值的減小增加得越來越快，趨向于無窮大，滿偏電流的1/2、1/4、1/8…對應的電阻分別是R■、3R■、7R■…指針指在中值電阻附近，指針偏轉與待測電阻的關系更接近線性，刻度更均勻，讀數更加準確[5]。不同擋位對應的中值電阻不一樣，適合測量的電阻范圍不一樣。不同擋位對應的內阻不同，所以需要調整歐姆表內阻，即歐姆調零。歐姆表內阻是由電源電動勢和表頭的滿偏電流共同決定的，換擋改變的是兩者中的一個，從而導致接下來也必須調整歐姆表內阻。而從技術層面看，換擋時調整表頭更加簡便可行。

4? ? 結? 語

通過對比理論定標和實驗定標的結果，學生體會到利用技術手段標定刻度的必要性和現實意義，這有助于改變學生重科學輕技術、重理論輕實踐的觀念。除此之外，還可以引導學生設計多倍率歐姆表或者研究實際多用電表的電路圖，以檢驗理論探討的技術可行性。這種“直觀印象—原理了解—技術設計—理論探究—觀念升華”的教學過程，突出了“技術教育”在整個教學過程中承上啟下的重要作用。技術設計環(huán)節(jié)在加深理解測量步驟和基本原理的同時，也為理論探討操作的深層次原因作了鋪墊。高中物理教材中有不少可改造成“綜合實踐活動”的素材，可以讓學生體會實際生產生活中從技術層面解決問題的手段，如將表頭改造成安培表和伏特表，就可以讓學生先直接利用校對手段完成改裝，然后再測量，計算，最后進行理論檢驗，處理誤差時應以技術手段得到的結果為準。

這樣的教學過程，打破了“先理論后實踐”的傳統(tǒng)觀念，更好地融合了科學教育和技術教育，

做到了知識建構與能力提升的同步。教學進程的規(guī)劃組織是在潛移默化地培養(yǎng)學生重視技術手段的意識，提升學生應用技術手段的能力，從而達成課程實施過程中育人的目標，必將有助于學生學科核心素養(yǎng)這棵小苗在初中物理學習基礎上吸收養(yǎng)分而茁壯成長。技術教育的過程伴隨著勞動教育，引導學生通過勞動實現制造、創(chuàng)造、甚至創(chuàng)新，通過有教育意義的勞動實踐去檢驗學習成果，得到實踐鍛煉，是培養(yǎng)學生“辛勤勞動、誠實勞動、創(chuàng)造性勞動”的重要途徑[6]。綜上所述，在高中物理教學實施過程中通過綜合實踐活動滲透技術教育是非常有意義的，同時也是可行的。

參考文獻：

[1]彭前程.聚焦核心素養(yǎng)? 體現時代要求——高中物理教科書修訂說明[J].中學物理，2018，36（10）：2-8.

[2]劉炳昇.再論“物理綜合實踐活動”設置的意義與實施策略[J].物理之友，2019，35（01）：1-5+9.

[3]劉炳昇.增強“技術教育”意識? 挖掘創(chuàng)新教育潛能——談“把電流表改裝成電壓表”的課堂教學設計[J].物理之友，2016，32（01）：1-3.

[4]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：1.

[5]寧文文，李振文.基于項目式教學的高中物理教學實踐——以“制作歐姆表”為例[J].教育，2019（01）：60-65.

[6]檀傳寶.何謂“教育與生產勞動相結合”——經典論述的時代詮釋[J].課程·教材·教法，2020，40（01）：4-10.

（欄目編輯? ? 邱曉燕）