指向邏輯思維發展的高中物理學科“層進式問題串”的設計與實施
——以“電表改裝”為例

吳彬

（福州第十中學，福建 福州 350001）

于高中物理教學來說，發展學生的邏輯思維是培育物理核心素養科學思維的核心［1］。“層進式問題串”是指在一定的學習范圍或者主題內，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］。利用問題串，根據知識的邏輯特點以及學生的思維特點，將抽象復雜的物理概念規律，拆成若干個活動程序，引導學生應用邏輯思維的方法解決問題。筆者根據教學實踐，簡要闡述如何合理有效開展層進式問題串培養學生邏輯思維。

一、“層進式問題串”培養邏輯思維的原則

（一）基礎性

根據“最近發展區”理論，學生的學習是從已知區到未知區的過渡，所以設置問題串要基于學生的已有認知和學生思維邏輯的特點。然而每位學生都是學習的獨立個體，不同學生的已知區不同，所有設計問題串首先應該先認識自己的學生已知區，根據他們的邏輯特點作為問題設計的起點，這樣就有了知識生長的“沃土”，這也是培養邏輯思維的“起航點”。

（二）循序性

設計問題串培養邏輯思維要堅持邏輯的順序性，啟發學生的思維，步步深入，那么形成的問題串就成了“扶梯”“橋梁”，通過學生自身的努力探索，使學生的思維能力呈螺旋形上升。比如，在培養演繹思維時，演繹推理通常劃分為大前提、小前提和結論三部分，大前提一般是學生已知的普遍原理［1］，通過設置問題引導學生在“小前提”下推理得出結論，達到“未知區”；再如培養分析與綜合的思維方法時，應當設置哪些問題引導學生懂得主動從事物的哪些不同方面加以研究，最后怎么聯系事物的各個部分、不同側面；對于抽象概括亦是如此，無論哪種邏輯思維的培養，都需要循序漸進引導學生主動思考，而不是知識點的直接告知。

（三）情境性

在《高中物理課程標準（2017 版）》中指出，創設情境進行教學，對培養學生的物理學科核心素養具有關鍵作用。那么，在物理教學中設置“層進式問題串”也應該具有情境性，學生在具體情境中親身體驗和發展，逐漸由感性認識上升到理性認識，培養邏輯思維，從而促進核心素養落地。

二、“層進式問題串”培養邏輯思維的運用案例

“電表改裝”是司南2003 版高中物理選修3-1 第3章第4 節的內容，本節之前，學生在初中已經學習了電路基本知識，高中這節課會在電學基礎知識上進一步學習電表的改裝，為之后的電路內外接法的選擇做好鋪墊，所以本節課重點是理論探究。而理論探究過程必然對學生的邏輯思維能力有很大的考驗，故本節課的育人目標是培養學生的科學思維，重點是邏輯思維。本節課的教學，筆者以本校學生的學情為起點，在情境中創設層進式問題串，達到解決重難點，培養邏輯思維的目的。

（一）有效導入，摸準學生的思維起點

由于本節課重點學習電表改裝，需要在初中基礎上對串并聯電路的進一步認識，至于用高中的微觀角度解釋認識電路可以放在上一節內容學習，本節重點是進行改裝原理學習，所以設置復習引入，請學生們回顧：

問題1：串聯電路電壓、電流和電阻的特點？（請學生回顧簡述）

問題2：并聯電路電壓、電流和電阻的特點？（請學生回顧簡述）

［設計意圖］對這兩問題都是熟悉的初中知識，簡單復習，作為學生的學習本節課知識的起點，經過串并聯電路的電壓與電流分配規律分析，學生體會順利得出串聯電路具有分壓作用，并聯電路具有分流作用，為后續改裝電路打好基礎，這也是培養演繹思維的第一環節，即大前提。

（二）建立模型，培養抽象思維

對電路有了準確認識后，創設新情境，觀看用數字式歐姆表測電流表和電壓表的內阻的實驗錄制視頻，請學生們思考：

問題1：電表大家并不陌生，他們的電阻多大？

設計意圖：對問題1 所涉及的情境學生會感到好奇，他們已經知曉電表是有一定電阻，但是從未探索過電阻到底有多大，這個問題的提出可以激發學生的學習興趣，等謎底揭曉之后，由于電表的工作原理還需要3-2 的磁學后才能全面掌握，所以當下可以先用抽象方法把電表構建為一種很“特別”的電阻模型，“特別”在于可以測量自身的電流或者電壓，培養學生的抽象思維，從作用來看本質也是電阻，與普通電阻并無不同，那么接下來就需要進一步認識所構建的模型。

問題2：既然電表作為特殊的電阻，除了知道它的電阻值，還需要知道一些其他的重要參數，比如這個毫安表，量程1mA，也就是經過毫安表的滿偏電流，2.5的意義測量值與實際值之間的誤差，最大為2.5%：如果知道內阻，就可以算出毫安表的滿偏電壓。現在請同學們來算一算內阻約為150Ω 毫安表的滿偏電壓值？

［設計意圖］通過參數的介紹以及參數的應用，促進學生進一步理解構建的模型，認識到電壓表與電流表原理上的“互通”，與在實際使用中的“有別”，為學生的知識增長鋪好墊腳石，同時用真實的參數計算，培養嚴謹的科學態度，提高學習積極性，為邏輯思維的規范性提供保證。

（三）理論探究，培養演繹思維

在此，將前面構建的模型1 進一步加以討論，并設置“問題串”：

問題1：這樣的毫安表可否用來測量額定電壓為3.8V 小燈泡的電壓？

問題2：那么需要怎么做才可以測量電壓？

問題3：為什么要串聯？

問題4：如果要能夠測3V 電壓，至少需要串一個多大的電阻？

生推導：串聯電路總電壓，電壓U 大小與電流和所串聯的電阻大小兩種因素有關，要使電阻最小，則當使電流計滿偏Ig，那么串聯電阻大小為：R=

［設計意圖］這樣經過層層問題的鋪墊與引導，學生比較容易自主推導以上表達式，培養了學生的演繹邏輯思維。在這系列問題中，筆者的學生難點在于分析至少需要串聯多大電阻，所以筆者在學生知道U=I(Rg+R)的關系前提下，進一步引導分析該公式，可以從以下兩問題入手：第一步：電壓U大小與哪些因素有關（前提Rg不變）？學生會知道電流和串聯的電阻，那么繼續第二問：要使電阻R最小，電流該如何設置呢？知道了在滿偏電流情況下電阻R最小，繼而再放手讓學生自己推導。在這里培養學生應對事物的哪幾個方面加以研究，從而完整認識事物，這也是分析能力的訓練過程。

需要注意的是，此時只是理論上解決了改裝成電壓表后的滿偏的電壓值問題，實際中如果有偏差怎么進行修正，以及其他刻度怎么讀出電壓值還未解決。學到這個環節，邏輯推理能力強的學生完全可以讓他們自己從以上理論中尋求答案，但是學生會覺得比較抽象，所以設置在實驗情境中尋求直觀答案，再從理論上加以求證，因此筆者設置以下“問題串”，保持課堂上學生的學習積極性以及嚴謹求證的科學態度。

（四）實驗驗證，培養分析思維

用滿偏1mA 的電流計（內阻約150Ω）串聯2850Ω，改裝成3V 的電壓表，并設置以下問題：

問題1：怎么知道改裝后的量程是不是準確的3V呢？（用標準電壓表進行校準，并要求學生分組按照電路圖所示連接電路，觀察結果）

生：有的指針超過滿偏值一點，有的沒超過，個別正好接近滿偏值。

問題2：為什么理論分析和實際情況還是有點偏差呢？自己微調試試看？（請學生演示操作）

生：電流計的電阻只是大約值，與實際存在一定偏差，參數2.5 可以看出來，所以需要微調。

問題3：你怎么知道要這么操作呢？能不能結合前面的理論來解釋你的操作。

生：根據為了電路中電壓U=3v 保持不變，當電流I〈1mA，此時需要提高電流I才能達到滿偏電流，那么要相應減小電阻R；反之當I＞1mA，就需要適當增大電阻R。

問題4：由此可見，可以通過改變電阻R來調節量程，現在電流表已經改裝成了量程為3V 的電壓表，但如果指針指在其他地方，又該如何讀數呢？現在在同一電路中只調節滑動變阻器，從而改變燈泡的電壓，根據標準電壓表的讀數直接改刻電流計的讀數，分組合作完成。（電流表指針每5 小格變化一次）展示學生數據處理。數據中你們發現了什么？

生：電壓表每個示數與電流表示數一一對應關系，而且成正比。

問題5：你能用前面的理論知識解釋電壓表每個示數與電流表示數的關系嗎？

生：根據U=I(Rg+R)可知，當Rg+R不變時，電流與電壓成正比。

小結：將電流計與串聯的電阻組合成一個整體，并把原表盤讀數擴大相同倍數的電壓值，就成了一個新的電壓表。

［設計意圖］先通過分組實驗操作，找到調節電阻R 來調節量程的方法以及每個電流表讀數與改裝后電壓表讀數的關系，更進一步提升學生的實際感受，提升課堂趣味性并引導學生通過理論分析，尋根究底，從而進一步完善改裝電壓表的模型構建，也能從中培養學生的分析思維。

（五）知識遷移，培養比較思維

電壓表的改裝已經完成，那么電流表的改裝原理可以從電壓表改裝的經驗中得到啟發，筆者通過以下問題，引導學生自主完成對電流表改裝的任務

問題1：如何將滿偏Ig=1mA 的電流計（內阻約150Ω）改裝成I=0.6A 的電流表？畫電路設計圖，并寫出I與Ig的關系

問題3：電流計的讀數與改裝后的電流表的示數有什么關系？如何設置改裝電流表的表盤？

小結：將電流計與并聯的電阻組合成一個整體，并把原表盤讀數擴大相同倍數的電流值，就成了一個新的電流表。

［設計意圖］本環節是電流表改裝，雖然問題程序與電壓表改裝相似，但是理論上的推導依然很考驗學生的邏輯推理能力，對于前面掌握好的學生，可以學習比對前面的學習過程，將知識遷移到新環節來，訓練比較思維。由于電流表改裝需要很小的電阻（精度達到0.01Ω），實際條件無法滿足分組實驗，筆者建議如果條件允許可以使用虛擬實驗實現分組目的，增加學生課堂體驗感，為邏輯思維的展開提供支撐。

（六）整理課堂內容，培養概括思維

問題：學完本節課，你對改裝的電壓表與電流表有什么新的認識？

學生暢所欲言之后，教師總結：電流表與電壓表改裝本質上都是利用不同電路和表頭，實現不同對象的測量，正因如此電壓表也會分的部分電流，電流表也會有分得部分電壓，那么在電路中能否忽略它們呢？請聽下回分解。

［設計意圖］學完電壓表與電流表改裝之后，讓學生先談談自己的學習體會與感想，總結改裝的相同與不同之處，并由筆者埋下對電表內外接法的伏筆，同時也鼓勵學生大膽發表自己看法，整理思路，發展概括思維。

物理核心素養的魅力在于科學思維，在于邏輯思維，教學中要注重思維過程的演化，重視邏輯思維能力的培養。從學生已知區出發，并結合精心創設的物理情境，以“層進式問題串”為階梯，抓住邏輯思維特點，以抽象的概念、判斷和推理作為思維的基本形式，引導學生參與分析、綜合、比較、抽象、概括和具體化等思維過程中，從而逐漸獲得科學思維能力［3］。