基于提升學(xué)生核心素養(yǎng)的初中物理教學(xué)設(shè)計(jì)
——以蘇科版“電熱器電流的熱效應(yīng)”為例

謝亭葉

(星辰實(shí)驗(yàn)學(xué)校,江蘇 常州 213161)

2016年9月《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》以項(xiàng)目研究成果的方式正式發(fā)布.“核心素養(yǎng)”研究與討論歸根結(jié)底是要解決“培養(yǎng)什么人”的問題,但是又不能憑空培養(yǎng),需要以學(xué)科為載體,在具體的學(xué)科內(nèi)容教學(xué)中,結(jié)合學(xué)科本身的特點(diǎn)和學(xué)生身心發(fā)展規(guī)律,在每一堂課的教學(xué)設(shè)計(jì)中落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng),才能對教學(xué)改革起到積極的推動(dòng)作用.本輪課程改革的核心與關(guān)鍵是學(xué)科核心素養(yǎng).通過近幾年的研究和討論,學(xué)科育人的價(jià)值主要體現(xiàn)在培養(yǎng)學(xué)生正確的價(jià)值觀、必備的品格和關(guān)鍵能力.具體到物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”.

提升學(xué)生的核心素養(yǎng)是當(dāng)下物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)[1],無論是創(chuàng)設(shè)真實(shí)的物理情境、展示必要的實(shí)驗(yàn),還是設(shè)計(jì)與操作實(shí)驗(yàn)探究,都要滲透提升核心素養(yǎng)的核心目標(biāo).教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)可通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的展示,利用問題引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),利用自制實(shí)驗(yàn)器材探究實(shí)驗(yàn),結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)推理與論證,聯(lián)系實(shí)際生活的實(shí)踐應(yīng)用等方法[2],引導(dǎo)學(xué)生深刻領(lǐng)悟自然現(xiàn)象背后的物理規(guī)律,形成物理觀念.

1 基于提升學(xué)生核心素養(yǎng)的教材分析

教材知識(shí)框架下,學(xué)生通過前兩節(jié)的學(xué)習(xí),知道了電功和電功率的概念,學(xué)會(huì)了在不同情境下利用不同的公式進(jìn)行計(jì)算.本節(jié)課的任務(wù)是從能量轉(zhuǎn)化的角度,觀察生活中與電熱有關(guān)的現(xiàn)象,探究影響電熱的因素,學(xué)會(huì)不同電路中電熱的計(jì)算,探討電流的熱效應(yīng)在生活中的應(yīng)用與危害.從現(xiàn)象到規(guī)律,從定性到定量,從規(guī)律到應(yīng)用,從特殊到一般,循序漸進(jìn),符合物理學(xué)科的特點(diǎn)和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.

2 以核心素養(yǎng)為先導(dǎo)的教學(xué)過程設(shè)計(jì)

2.1 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)引入,體驗(yàn)電流的熱效應(yīng)

如圖1所示來進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這是蓄電池和電阻絲,通電后請大家觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

圖1 利用蓄電池和電阻絲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

問題:思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明了什么?其中的能量轉(zhuǎn)化是怎樣的?

生:通電后電阻絲變紅,說明導(dǎo)體中有電流通過時(shí)會(huì)發(fā)熱,將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.

師:這種現(xiàn)象稱為電流的熱效應(yīng).這個(gè)過程中產(chǎn)生的熱量簡稱電熱,用Q表示.

設(shè)計(jì)思路:用實(shí)驗(yàn)引入,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,用明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,加深學(xué)生對電流熱效應(yīng)的感知,通過問題的引導(dǎo),培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)或生活現(xiàn)象中歸納、概括事物或過程本質(zhì)特征的能力,促進(jìn)學(xué)生理解物理概念,形成物理觀念.

2.2 通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),探究電流的熱效應(yīng)與哪些因素有關(guān)

問題1:請大家猜想,電流的熱效應(yīng)與哪些因素有關(guān)并說出依據(jù)?

生1:與時(shí)間有關(guān).電熱水壺通電時(shí)間越長,產(chǎn)生的熱量越多,水溫越高.

生2:與電流有關(guān).剛才的實(shí)驗(yàn)中通電前電阻絲不發(fā)熱,通電后電阻絲發(fā)熱.

生3:與電阻有關(guān).實(shí)驗(yàn)中,通電后電阻絲發(fā)熱發(fā)紅,而與其串聯(lián)的導(dǎo)線卻沒有明顯的發(fā)熱現(xiàn)象.

問題2:既然電熱與多個(gè)因素有關(guān),采用什么實(shí)驗(yàn)方法探究呢?

生:控制變量法.

電熱與時(shí)間的關(guān)系是顯而易見的.今天重點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究電熱與電流、電阻的關(guān)系.

問題3:怎么探究電熱與電阻的關(guān)系呢?設(shè)計(jì)中需要思考討論清楚以下問題:

a.要控制誰不變?怎么控制?

b.要改變誰?怎么改變?

c.怎么顯示電流的大小?

d.怎么保護(hù)電路?

e.請畫出電路圖.

f.怎么比較電熱的大小?

小組內(nèi)思考討論,將最終設(shè)計(jì)的電路圖畫在伴學(xué)案中,請核心發(fā)言人以問題為提綱進(jìn)行設(shè)計(jì)分享.

分享一:

利用滑動(dòng)變阻器控制電流相同,換阻值不同的電阻進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

分享二:

將阻值不同的電阻串聯(lián),控制電流相同,只需連接一次電路.將電熱轉(zhuǎn)換為比熱容較小的物質(zhì)溫度的升高量.

要順利完成實(shí)驗(yàn),不僅要有科學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還要關(guān)注實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié).

問題4:思考討論實(shí)驗(yàn)中需要注意哪些細(xì)節(jié)?

生:電源用穩(wěn)壓輸出,注意正負(fù)極;根據(jù)電流的需求調(diào)節(jié)電壓的大小;可以用電源開關(guān)控制電路的通斷;連接電路時(shí)開關(guān)要斷開;閉合開關(guān)前滑動(dòng)變阻器要放在最大阻值處;實(shí)驗(yàn)結(jié)束后及時(shí)斷開開關(guān).

問題5:觀察提供的實(shí)驗(yàn)器材,今天要用電阻絲加熱什么物質(zhì)?與煤油相比有什么優(yōu)點(diǎn)呢?

生:加熱空氣.有利于學(xué)生實(shí)驗(yàn),方便安全,比熱容更小,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯.

下面請大家小組內(nèi)分工合作,按照圖2所示完成實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù),得出結(jié)論.

表1 I=1 A t=1 min

圖2 加熱實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:____________________

問題6:怎么探究電熱與電流的關(guān)系呢?同樣需要思考討論清楚以下問題:

a.要控制誰不變?怎么控制?

b.要改變誰?怎么改變?

c.怎么顯示電流的大小?

d.怎么保護(hù)電路?

e.為了節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間,前面設(shè)計(jì)的電路和數(shù)據(jù)有哪些可借用之處?

f.請畫出電路圖.

分享一:選一個(gè)電阻,用滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)電流的大小.

分享二:可以借用第一次連接的電路,以溫度升高較快的大電阻為研究對象.可以借用第一次I=1 A時(shí)的數(shù)據(jù),再調(diào)節(jié)一次電流即可.

下面請大家小組內(nèi)分工合作,完成實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù),得出結(jié)論.

表2 大電阻 t=1 min

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:____________________

最終得到定性關(guān)系:電流越大,電阻越大,時(shí)間越長,產(chǎn)生的電熱越多.

設(shè)計(jì)思路:引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過程,培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合真實(shí)情境提出物理問題,依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或事實(shí)提出猜想或假設(shè),依據(jù)物理原理應(yīng)用科學(xué)方法設(shè)計(jì)制定實(shí)驗(yàn)方案,正確使用基本的測量工具和實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得實(shí)驗(yàn)證據(jù),根據(jù)實(shí)驗(yàn)證據(jù)對猜想與假設(shè)做出判斷,從而解決問題并得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論的科學(xué)探究能力.

2.3 嘗試?yán)美碚撏茖?dǎo),探索電熱與電流、電阻、時(shí)間的定量關(guān)系

問題:我們對物理規(guī)律的研究往往采用實(shí)驗(yàn)探究和理論推導(dǎo)兩種方法,請大家利用所學(xué)物理知識(shí),在純電阻電路中推導(dǎo)得出電熱與電流、電阻、時(shí)間的定量關(guān)系?

生:Q=W=UIt=I2Rt

設(shè)計(jì)思路:讓學(xué)生體驗(yàn)研究物理規(guī)律的兩種不同手段,學(xué)習(xí)科學(xué)家的探索精神,將這種探索世界的精神踐行于生活與學(xué)習(xí)中.

2.4 實(shí)踐應(yīng)用,探討電流的熱效應(yīng)在實(shí)際生活中的應(yīng)用與危害

問題1:請同學(xué)解釋開始實(shí)驗(yàn)中通電后為什么電阻絲發(fā)熱發(fā)紅,而與其串聯(lián)的導(dǎo)線卻沒有明顯的發(fā)熱現(xiàn)象?

問題2:探討電流的熱效應(yīng)在生活中的應(yīng)用與危害?

問題3:探討減小和預(yù)防危害的方法?

設(shè)計(jì)思路:培養(yǎng)學(xué)生能分析問題情境,明確研究對象,弄清物理過程,應(yīng)用物理觀念的能力;能從物理的角度認(rèn)識(shí)和解釋生活中物理現(xiàn)象的能力,提升實(shí)踐應(yīng)用能力[3].

核心素養(yǎng)的提升可以滲透于教學(xué)設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié).教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí),可以通過設(shè)計(jì)直觀的物理實(shí)驗(yàn),設(shè)置精準(zhǔn)的核心問題,引導(dǎo)學(xué)生對物理概念和物理規(guī)律等在頭腦中進(jìn)行提煉與升華,對知識(shí)進(jìn)行思維加工與內(nèi)化,促進(jìn)物理觀念的形成;也可以通過巧妙設(shè)置遞進(jìn)問題的方式引導(dǎo)學(xué)生深度思考,提升學(xué)生的科學(xué)推理與論證的能力;還可以通過引導(dǎo)學(xué)生完整經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究的過程,提升學(xué)生的科學(xué)探究能力;同時(shí)也可在學(xué)科觀念的應(yīng)用中滲透對科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的提升.