基于“問題解決模式”的高中物理大單元教學(xué)設(shè)計
——以“電路及其應(yīng)用”單元為例

許永生 習(xí)會勇

(巢湖市第二中學(xué) 安徽合肥 238000)

高中物理學(xué)科具有知識容量大、邏輯性強(qiáng)、抽象難理解三大特點(diǎn)。為了上好一節(jié)物理課，需要在課前認(rèn)真地、充分地、刻苦地進(jìn)行備課，即進(jìn)行充分的課堂教學(xué)設(shè)計，做足課前準(zhǔn)備工作。在新課程背景下，為有效構(gòu)建各知識點(diǎn)和能力點(diǎn)的邏輯關(guān)系，更加注重從單元高度開展大單元教學(xué)設(shè)計。

本案例是2019版人教社高中物理必修三第十一章“電路及其應(yīng)用”的教學(xué)活動設(shè)計，體現(xiàn)了物理學(xué)習(xí)的邏輯性和整體性。結(jié)合自己本章的授課經(jīng)歷，筆者從以下幾個方面進(jìn)行回顧。

一、從單元高度審視教學(xué)內(nèi)容，突出電路基本規(guī)律的核心地位

通過上一章“靜電場中的能量”的學(xué)習(xí)，學(xué)生已對電場力做功、電勢能的變化有了深刻的認(rèn)識。本章先引入恒定電場，符合知識遞進(jìn)關(guān)系。教材中關(guān)于串、并聯(lián)的內(nèi)容，電壓關(guān)系，電流關(guān)系和電阻關(guān)系有明確的推導(dǎo)過程。本章在電學(xué)知識體系中具有承上啟下的作用，是電場力做功和電勢能在電路中的應(yīng)用以及下一章電路中的能量問題的必備基礎(chǔ)。本單元的知識結(jié)構(gòu)如下圖所示。

二、認(rèn)真研讀課程標(biāo)準(zhǔn)，明確核心素養(yǎng)目標(biāo)

課程標(biāo)準(zhǔn)要求教師結(jié)合教學(xué)的實(shí)際情況，創(chuàng)造性地開展教學(xué)工作，將物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿于物理教學(xué)活動的全過程。學(xué)生在物理學(xué)習(xí)后要達(dá)到什么素養(yǎng)目標(biāo)，教師心中要有明確考慮。對本章來說,主要達(dá)成以下四個維度的核心素養(yǎng)目標(biāo)。

核心素養(yǎng)單元學(xué)習(xí)目標(biāo)物理觀念1.了解電流形成條件,知道三塊表(電流表、電壓表、多用電表)的結(jié)構(gòu)、使用方法;2.知道電阻及定義方法,理解電阻概念的物理意義;3.了解串、并聯(lián)電路的特點(diǎn)并用來分析電路科學(xué)思維1.會建構(gòu)物理模型,理解恒定電場的產(chǎn)生及電流微觀表達(dá)式;2.利用電路基本規(guī)律進(jìn)行電壓表和電流表的改裝,提高分析問題的能力;3.掌握用圖像方法研究導(dǎo)體的電阻特性科學(xué)探究1.通過實(shí)驗(yàn),探究導(dǎo)體對電流的阻礙作用,會設(shè)計實(shí)驗(yàn)探究影響導(dǎo)體電阻的因素;2.通過實(shí)驗(yàn)掌握運(yùn)用多用電表測電流、電阻和電壓的方法;3.掌握游標(biāo)卡尺、螺旋測微器的原理和使用方法,理解滑動變阻器的兩種接入方法科學(xué)態(tài)度與責(zé)任1.通過分析電流的形成條件,認(rèn)識電源在電路中的作用,建立恒定電場模型;2.通過觀察游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、滑動變阻器及多用電表,形成認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度;3.通過實(shí)驗(yàn)探究,體會導(dǎo)體對電流的阻礙作用,在探究導(dǎo)體電阻的決定因素實(shí)驗(yàn)中,進(jìn)行電表的改裝和校準(zhǔn)等操作的有益嘗試,在分析電路故障的實(shí)踐中,進(jìn)一步提高排查電路故障的能力

三、依據(jù)課堂教學(xué)任務(wù)，確定教學(xué)實(shí)施方案

(一)本章教學(xué)設(shè)計

第一模塊：第1節(jié)，電源和電流。這部分是在初中學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，從電場的層面來重新審視電源的作用，幫助學(xué)生從“場”和“路”兩個角度認(rèn)識電流的形成機(jī)制，并嘗試從微觀視角去理解電流的含義。

第二模塊：第2、3節(jié)，這部分以電阻率的測量為中心內(nèi)容，是全章的重點(diǎn)與難點(diǎn)，其內(nèi)容涉及基本儀器的使用、電路的設(shè)計與誤差分析等核心能力的教學(xué)，對學(xué)生利用電路基本規(guī)律解決問題提出了很高的要求。

第三模塊：第4、5節(jié)，在初中的基礎(chǔ)上，從電場的角度梳理出串、并聯(lián)電路的基本規(guī)律，并幫助學(xué)生初步掌握多用電表的使用規(guī)則。

(二)部分主要教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計

任務(wù)一：巧用類比方法，形成核心概念

在電源的作用教學(xué)中，可以將電源比喻為水泵，幫助學(xué)生理解電源這個裝置在電路中的重要作用，但這個點(diǎn)在后續(xù)的電動勢的教學(xué)中可進(jìn)一步地探究，在此不再贅述。

任務(wù)二：運(yùn)用控制變量法，探究導(dǎo)體電阻的影響因素

在設(shè)計電路時，不必糾結(jié)電路中滑動變阻器的接法，如果可以，盡量采用限流接法，不要涉及滑動變阻器的分壓接法。在測量上，利用串聯(lián)電路中導(dǎo)體兩端的電壓與電阻成正比的特點(diǎn)，將電阻的比較轉(zhuǎn)換成電壓這一直觀的比較方式。這種處理更符合學(xué)生的實(shí)際情況，也更有利于達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

任務(wù)三：金屬絲直徑的測量

1.游標(biāo)卡尺的原理及使用

(1)情境引入：日常生活中，測量長度的工具常有米尺等，但因?yàn)榫葐栴}，不能用來直接測量細(xì)金屬絲直徑等細(xì)小的尺寸。下面我們介紹兩種新的測量工具。

(2)任務(wù)分解

子任務(wù)1:說明游標(biāo)卡尺的構(gòu)造

教師多媒體展示游標(biāo)卡尺，學(xué)生三人一組共同觀察游標(biāo)卡尺。

子任務(wù)2：說明游標(biāo)卡尺的原理

教科書對游標(biāo)卡尺的原理講解得非常清楚，主要講清10分度游標(biāo)卡尺，多媒體放大游標(biāo)卡尺實(shí)物圖，先讓學(xué)生觀察游標(biāo)卡尺刻度與主尺刻度的區(qū)別，然后說明游標(biāo)卡尺是怎樣將估計問題轉(zhuǎn)化為對齊刻度線的讀數(shù)來提高測量精度的。

子任務(wù)3：游標(biāo)卡尺的使用和讀數(shù)

為了讓學(xué)生正確使用游標(biāo)卡尺，并掌握讀數(shù)方法，可以讓學(xué)生測量手里的金屬絲的直徑，并叫學(xué)生上講臺演示測量過程。教師根據(jù)學(xué)生的測量和讀數(shù)，進(jìn)一步總結(jié)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)規(guī)則。

總結(jié)讀數(shù)規(guī)則：測量值=主尺上的整毫米刻度(游標(biāo)尺零刻度線之前的整數(shù)部分)+游標(biāo)尺對應(yīng)格子數(shù)×精確度。

說明：游標(biāo)卡尺不需要估讀。

設(shè)計意圖：游標(biāo)卡尺的教學(xué)要通過仔細(xì)觀察、多次測量使學(xué)生掌握其原理、使用和讀數(shù)，同時讓學(xué)生認(rèn)識到使用游標(biāo)卡尺的優(yōu)越性。

2.螺旋測微器的原理和使用

子任務(wù)1：觀察螺旋測微器結(jié)構(gòu)

展示模型，在教師的帶領(lǐng)下，學(xué)生試著將螺母在螺桿上轉(zhuǎn)動一周，會發(fā)現(xiàn)向前或向后移動一個螺距，讓學(xué)生切身感受到螺旋測微器的可移動部分就是這樣前后移動的。

子任務(wù)2：螺旋測微器的原理

螺旋測微器的一個螺距是0.5 mm，每旋轉(zhuǎn)一周，旋鈕移動0.5 mm。可動刻度圓周上一圈有50個等分刻度，旋轉(zhuǎn)一小格，就會帶來0.01 mm的移動效果，因此用螺旋測微器測長度可精確到0.01 mm。螺旋測微器還可以估讀到0.001 mm，即千分之一毫米，因此螺旋測微器也稱為千分尺。

子任務(wù)3：螺旋測微器的使用和讀數(shù)

用螺旋測微器測量金屬絲的直徑。該活動可以讓學(xué)生動手測量，由學(xué)生讀出數(shù)據(jù)。教師再投影總結(jié)螺旋測微器的讀數(shù)規(guī)則。教師還可以投影若干張圖片，讓學(xué)生在實(shí)際讀數(shù)中掌握螺旋測微器的讀數(shù)方法。

任務(wù)四：金屬絲電阻率的測量

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

理解測量金屬電阻率的實(shí)驗(yàn)思路，正確進(jìn)行實(shí)驗(yàn)連線和操作，測出給定合金絲的電阻率，并能對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行誤差分析。

2.實(shí)驗(yàn)電路的確定

子任務(wù)1：控制電路的確定

要求盡可能地測量多組數(shù)據(jù)，滑動變阻器的規(guī)格和接法是否可以優(yōu)化？請結(jié)合串、并聯(lián)的規(guī)律做進(jìn)一步探討。

利用串、并聯(lián)的知識，介紹滑動變阻器在電路中的限流接法和分壓接法，讓學(xué)生對滑動變阻器的接法有個初步的認(rèn)識。

當(dāng)滑動變阻器最大阻值跟待測電阻差別不大時，若選用初中所學(xué)的限流式接法，可以提供的電壓調(diào)節(jié)范圍為2～3 V，若選擇分壓式接法，可以在0～3 V范圍內(nèi)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，已達(dá)到實(shí)現(xiàn)多組數(shù)據(jù)測量的效果，而且測量數(shù)據(jù)可以更分散些。

設(shè)計意圖：在學(xué)生已有的串、并聯(lián)知識的基礎(chǔ)上，初步認(rèn)識到滑動變阻器的兩種接法的不同和各自應(yīng)用情境，培養(yǎng)學(xué)生用已知的科學(xué)知識思考并解決負(fù)載問題的良好科學(xué)品質(zhì)。

子任務(wù)2：電流表和電壓表量程的選擇

電源電壓約為3 V；考慮待測合金絲的電阻大約為10 Ω，電流表選擇0～0.6 A量程，電壓表選擇0～3 V量程為宜。

子任務(wù)3：電流表的接法

電流表應(yīng)該接在電路的哪個位置？在本實(shí)驗(yàn)中，為什么傾向于采用電流表外接法呢？

可以先介紹電流表內(nèi)接法和外接法電路的特點(diǎn)，然后利用學(xué)生已有的串、并聯(lián)電路初步知識，進(jìn)一步體會誤差的來源。

(1)阻值比較法：“大內(nèi)偏大，小外偏小”。

(3)試觸法：讓電壓表的一個接線端先后與電流表的左右兩側(cè)碰觸一下，若電壓的示數(shù)有較大變化，而電流表的示數(shù)變化不大，則采用電流表外接法；若電流表的示數(shù)有較大變化，而電壓表的示數(shù)變化不大，則采用電流表內(nèi)接法。

設(shè)計意圖：通過電流表內(nèi)外接法的判斷，形成嚴(yán)密的學(xué)科思維習(xí)慣，提高實(shí)驗(yàn)操作能力，形成尊重實(shí)際的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

子任務(wù)4：關(guān)于實(shí)物圖連接

(1)原則：先控制電路，后測量電路；先考慮串聯(lián)部分，后考慮并聯(lián)部分，注意電表量程的選擇和正負(fù)接線柱的位置。

(2)對滑動變阻器的限流接入方式：先用導(dǎo)線從電源正極開始順路往下接，把電源、開關(guān)、滑動變阻器、測量電路部分等依次串聯(lián)接入電路即可。滑動變阻器的滑動片初始位置要注意保證滑動變阻器調(diào)到了阻值最大處。

(3)對于滑動變阻器的分壓接法：應(yīng)該先把控制電路中的電源、開關(guān)和滑動變阻器的全部電阻絲三個部分用導(dǎo)線先順次接起來，接著在滑動變阻器電阻絲兩端之中任選一個接頭，再比較該接頭和滑片處電勢高低，結(jié)合測量電路中電表正負(fù)接線柱的情況，將測量電路部分接入該兩點(diǎn)之間。滑動變阻器滑動片的初始位置應(yīng)調(diào)到使測量電路部分所接兩點(diǎn)間阻值最小處，即初始電壓為零的位置處，以確保測量電路的安全。

設(shè)計意圖：通過對實(shí)驗(yàn)電路的實(shí)操連接，讓學(xué)生在任務(wù)規(guī)劃和解決問題的過程中多動腦筋，充分鍛煉，達(dá)到手腦并用的效果，幫助學(xué)生形成科學(xué)探究學(xué)科核心素養(yǎng)。

子任務(wù)5：實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)據(jù)處理

分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，讓各小組測量多組數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)據(jù)測算出金屬絲的電阻率，各小組完成后將結(jié)果在黑板上展示。

任務(wù)五：串聯(lián)電路和并聯(lián)電路

子任務(wù)1：串、并聯(lián)電路的電流、電壓和電阻規(guī)律

通過復(fù)習(xí)初中知識，幫助學(xué)生回憶串、并聯(lián)電路基本規(guī)律，并能從電場的視角推導(dǎo)相關(guān)規(guī)律。

設(shè)計意圖：強(qiáng)化“場”和“路”的聯(lián)系，幫助學(xué)生全面深刻地認(rèn)識電路的基本規(guī)律。

子任務(wù)2：電壓表和電流表的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

先介紹小量程的電流表(表頭)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，即指針偏轉(zhuǎn)角度與電流大小成正比，再介紹電流表的三個重要電學(xué)參數(shù)，即內(nèi)阻、滿偏電壓和滿偏電流，以及三者之間的重要關(guān)系。

在介紹完電流表基本構(gòu)造和工作方式后，嘗試從電路基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，對電表的改裝進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究。

設(shè)計意圖：電表改裝實(shí)際上是串、并聯(lián)電路規(guī)律的實(shí)際應(yīng)用，幫助學(xué)生在電表改裝的實(shí)踐中意識到電壓表和電流表的電阻本質(zhì)屬性，引導(dǎo)學(xué)生形成科學(xué)探究能力和實(shí)踐應(yīng)用能力。

任務(wù)六：練習(xí)使用多用電表

課堂上每個小組的學(xué)生共同觀察多用電表的表盤及測量功能，形成對多用電表的初步認(rèn)識。在多用電表的使用教學(xué)環(huán)節(jié)，我們更加要注重對電阻粗測的教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計。讓學(xué)生在反復(fù)操練中，實(shí)現(xiàn)對使用步驟的完全掌握。

多用電表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以淡化處理，不宜在此處過深涉及，只在測電阻的時候說明內(nèi)部實(shí)際有電源和內(nèi)阻即可，讓學(xué)生有初步的了解，也更符合將難點(diǎn)內(nèi)容分散處理的教材編寫初衷。

拓展任務(wù)一：實(shí)驗(yàn)測量電路的變化

如果測量電阻絲的電阻較大，本實(shí)驗(yàn)也可以采用滑動變阻器的限流接法進(jìn)行電路控制。這樣設(shè)計的優(yōu)勢是電路結(jié)構(gòu)較簡單，測量方便，缺點(diǎn)是不利于較大范圍地測量多組數(shù)據(jù)。

拓展任務(wù)二：電路黑盒子問題

在教學(xué)中，教師可以根據(jù)學(xué)生的能力水平，適當(dāng)設(shè)置用多用電表判斷黑盒子內(nèi)電學(xué)元器件的機(jī)會，讓學(xué)生在實(shí)踐中摸索出判斷電路元器件的方法，在學(xué)以致用中形成科學(xué)素養(yǎng)。

四、本章教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)施后的反思

通過“電路及其應(yīng)用”單元的教學(xué)，不難發(fā)現(xiàn)，電路基本框架和規(guī)律的教學(xué)是基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)，對學(xué)生后續(xù)規(guī)律的掌握影響深遠(yuǎn)，決不能以為學(xué)生已經(jīng)熟練掌握了基本的電路規(guī)律，而忽視了這一部分的教學(xué)。

電路實(shí)驗(yàn)仍然是串、并聯(lián)電路的基本規(guī)律的具體應(yīng)用與拓展。在教學(xué)中，一定要反復(fù)突出和強(qiáng)調(diào)串、并聯(lián)規(guī)律在電路問題中的基礎(chǔ)和核心地位。此外，教師要相信學(xué)生的主動性，讓學(xué)生在解決問題中形成自己的學(xué)科素養(yǎng)和能力。在電學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)準(zhǔn)備中，實(shí)驗(yàn)原理的學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)方案的探討、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量均要有全方位的教學(xué)設(shè)計。教學(xué)中要根據(jù)教學(xué)任務(wù)、在“問題解決模式”的引領(lǐng)下，逐步設(shè)計行之有效的教學(xué)設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)密的課堂邏輯體系和組織架構(gòu)。

關(guān)于電路的故障分析，在本章的教學(xué)中，針對學(xué)生現(xiàn)有的能力水平，沒有必要過度強(qiáng)化教學(xué)，要努力地創(chuàng)造機(jī)會，幫助學(xué)生在實(shí)踐中分析和處理電路故障問題，促使學(xué)生逐步養(yǎng)成獨(dú)立自主解決問題的習(xí)慣。