基于物理學科素養的課堂教學設計研究

焦月英

摘? ?要：以魯科版選修3-1第四章第一節“閉合電路歐姆定律”為例，研究提升物理學科素養的課堂教學設計。

關鍵詞：學科素養;教學設計;電源;閉合電路歐姆定律

物理學科素養是每個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。在中學階段，物理學科教學的重點是培養學生個人物理學科素養，使學生在學習物理的過程中逐漸形成物理觀念、科學思維、科學探究、科學創新的綜合能力。學生對物理知識的學習主要是在物理課堂實現的，在物理課堂教學中，教師要重視過程性教學設計，通過演示實驗、探究實驗、科學推理等使學生能夠經歷知識的建構過程，從而讓學生學會物理問題的解決思路和物理規律的研究方法。本文以魯科版選修3-1第四章第一節“閉合電路歐姆定律”為例，研究提升物理學科素養的課堂教學設計。

1? 基于物理學科素養的教學設計

1.1? 教學目標（表1）

1.2? 教學內容與學生分析

本課是魯科版教材選修3-1第四章第一節的內容，研究的是閉合電路，在初中階段學生已經學習了部分電路相關知識，但由于知識層次的局限，在初中的教學中沒有深入研究電源的作用，這節課是學生第一次較深入地了解電源內部，電動勢和內阻是全新的概念，是學習的難點。學生通過高一物理的學習，已經具備力學分析能力和實驗探究能力，為通過實驗研究電動勢和內阻奠定了基礎。

閉合電路歐姆定律是研究閉合電路的基本規律，也是分析電學問題的基礎，是本章教學的重點。通過前面對電路和電場知識的學習，學生對電路和電場中的功能轉化關系也有了一定的了解，具備學習閉合電路歐姆定律的知識基礎與認知能力。

1.3? 教學過程

（1）物理觀念——電源的認識

任務一：通過演示實驗，讓學生體會并理解電源的作用

演示實驗一（放電實驗）

實驗演示：若用導線將電容器兩個極板連接起來

觀察實驗：電流計指針有偏轉嗎？會持續偏轉嗎，為什么？

教師：電子經導線由B運動到A，A電勢降低，B電勢升高，當AB電勢相等時（圖3），電流消失。因此導線中只有瞬時電流流過。

思考：怎樣才能使導線中有持續的電流呢？

演示實驗二（電源實驗）

實驗演示自制電池實驗，如圖4，將銅片和鋅片插入容器中，接通電路，請同學們觀察電流計指針偏轉情況;然后向容器中注入一定量的碳酸飲料，請同學們再次觀察電流計指針偏轉情況。

討論與交流：學生結合實驗結果，試從力學和能量兩個角度解釋實驗現象

教師畫出等效電路圖，如圖5，并小結：從動力學角度看，在容器外部電路中，正電荷受電場力作用，從正極運動到負極，容器內部，兩個金屬片之間沒有導線連接，正電荷是在化學作用下從負極運動到正極的。

從能量角度看，在外部電路中，通過靜電力做功，電勢能轉化為其他形式的能，在容器內部，通過化學作用做功將化學能轉化為電能。

列舉水電站和太陽能電池，分析其能量轉化關系。

師生共同總結電源的概念、電源在電路中的作用。

【設計意圖】學生初中階段雖然接觸過電路，但對電源本身沒有做過研究，本環節設計兩個演示實驗，讓學生直觀感受到電源的作用，學生通過實驗一發現“電容器提供的電流是瞬時的”這一事實，并能激發學生思考獲得持續穩定電流的方法。然后通過觀察實驗二，學生發現僅有兩個金屬片無法獲得持續電流，但是當兩個金屬片之間充入某種化學物質，便可獲得持續電流，學生通過實驗對比與思考，逐漸認識了電源。

任務二：通過實驗對比，引出電動勢的概念

演示實驗三（電源對比實驗）

教師演示：

①將電壓表接在自制原電池兩端，如圖6，觀察電壓表示數;

②將電壓表接在干電池兩端，如圖7，觀察電壓表示數。

請學生觀察實驗，對比實驗現象并分析。

學生：電壓表示數不同，說明不同電源的能量轉化本領是有差異的。

教師就勢引導，總結得出電動勢的概念和物理意義。

【設計意圖】電動勢概念比較抽象，單純的理論解釋學生理解起來很困難，本環節再次利用對比實驗，讓學生切實感受到不同的電源能量轉化本領不同，從而巧妙地突破了教學難點。

任務三：通過學生分組實驗探究電源內阻

學生活動：4人一組，合作完成以下任務：

①利用電學實驗器材，按照圖8連接好電路，將數據記錄到表2中。

學生分組實驗一：

提問：當電阻R逐漸減小時，圖中電壓表數值將發生變化嗎？如何變化？為什么會這樣變化呢？

學生：一部分電壓被R0分走了。

②利用電學實驗器材，按照圖9連接好電路，將數據記錄到表3中。

學生分組實驗二：

提問：隨著R的減小，R兩端的電壓變化嗎？如何變化？

學生：當R減小時，電壓表示數減小。

追問：少的那部分電壓被什么分走了呢？

學生討論與交流后得出：電源內部也有電阻，分走了一部分電壓。

教師小結：電源本身，自己的內部對電荷的運動產生阻礙，這種阻礙就表明電源自身有電阻，我們把它稱之為電源內阻，通常用r表示。

【設計意圖】實驗探究是認識物理現象研究物理規律的重要途徑，實驗可以調動學生學習的積極性，讓學生能夠真正地參與課堂。本環節設計分組實驗，學生通過親自動手實驗，研究思考，進而得出電源存在內阻的結論，學生經歷了知識的建構過程，在此過程中學生學到的不僅僅是簡單的“結果”，更重要的是學習了研究物理的方法。另外，通過分組做實驗，培養學生記錄、統計分析能力的同時，同學們團隊協作能力和各自在團隊中角色和擔當意識也會增強。

（2）物理規律——閉合電路歐姆定律

閉合電路歐姆定律是本節課的重點，通過實驗可以分別測得內電壓U內和外電壓U外的數值，也可以得出內外電壓之和在誤差允許的范圍內是個定值，但是高中階段電動勢E無法通過電壓表直接測得，因此，通過實驗得出電動勢與內外電壓之間的關系會存在一定的困難，鑒于此，本環節采用了理論推導的方法，設計一些問題，逐步引導學生推導出閉合電路歐姆定律。問題設計如下：

在圖10中，閉合電路的電源電動勢為E，外電路電壓為U外，內電路電壓為U內。通電后，設電路中電流為I，請回答下面幾個問題：

問題1：在t時間內，外電路中靜電力做功W外為多少？

學生：：W外=qU外=ItU外

問題2：在t時間內，內電路中靜電力做功W內為多少？

學生：W內=qU內=ItU內

問題3：在電源內部，t時間內非靜電力做得功W非為多少？

學生：W非=qE=ItE

問題4：W外、W內和W非之間的關系是什么？

學生：靜電力做的功等于消耗的電能，非靜電力做的功等于轉化的電能，根據能量守恒可得W非=W外+W內

即? ?ItE=ItU外+ItU內? ? E=U外+U內

問題5：若閉合電路為純電阻電路，電流I、電動勢E、內電阻r和外電阻R之間關系是怎樣的呢？

學生：E=IR+Ir

即 I=

【設計意圖】提問是啟發學生思維的關鍵[ 1 ]。巧設問題可以激發學生思考的熱情，嚴密的理論推導可以培養學生的物理思維能力。本環節通過設計問題串引導學生科學思考、科學推理，最終得出規律，學生親歷了物理規律的建立過程，對規律的理解會更加透徹，同時學生科學思維能力也大大提升。

2? 課堂教學設計點評

本課堂教學設計，思路明確、清晰，內容豐富，重在培養學生實驗統計分析能力和邏輯思維。從內容上看，本節課的設計主要分為兩大塊：第一部分是電源，電源內部看不見摸不著，比較抽象，本教學設計通過三次演示實驗讓學生直觀體會到電源與電容器的區別、電源在整個電路中的作用以及電動勢引入的意義，有助于學生物理觀念的形成，科學思維的提升。在電源內阻的教學中，采取讓學生親自進行分組實驗，學生們通過動手搭建電路，觀察實驗中所發生的現象，記錄并分析結果，見證電源中確實存在內阻。這一設計提升了科學探究能力和團結協作能力。第二部分是閉合電路歐姆定律，首先從能量的角度，引導學生推導閉合電路中電動勢與內外電壓間的關系，進而推導出純電阻電路的閉合電路歐姆定律，這部分內容的設計重視學生科學推理能力的培養。

本節課堂設計突破了教材的束縛，設計了三個演示實驗和一個學生探究實驗，在實驗的過程中引導學生觀察、對比、分析、論證，使學科素養的提升落實到課堂的每一個環節。學生的物理學科素養是在學習知識的過程中逐漸形成的，課堂教學設計不能只是知識的簡單羅列或呈現，而更應該重視知識和規律的建構過程，物理教學的目的是讓學生學會分析物理現象，學會解決物理問題，學會研究物理規律的方法。

參考文獻：

[1] 吉臨榮，開發低成本資源構建高效課堂——以蘇科版教材“探究樹蔭下的光斑”為例[J].中學物理教學參考，2019（1-2）.