指向真實問題解決的物理中考復(fù)習(xí)教學(xué)設(shè)計①
——以“歐姆定律”為例

顧紅霞

(江蘇省無錫市積余實驗學(xué)校,江蘇 無錫 214043)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是物理課程育人價值的集中體現(xiàn),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)任四個方面,是學(xué)生通過物理課程學(xué)習(xí)逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。由此可見,學(xué)生的學(xué)習(xí)行為應(yīng)該在真實問題解決中發(fā)生,[1]開展指向真實問題解決的課堂教學(xué)是落實核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的有效途徑。

物理中考復(fù)習(xí)課通常的模式是：先進行快節(jié)奏、大容量的知識點回顧和梳理,然后通過“例題講解、習(xí)題訓(xùn)練”提升復(fù)習(xí)效果。這樣的復(fù)習(xí)課未能觸及學(xué)生深層的興趣和思維,未能觸及概念、規(guī)律背后的意義與價值,弱化了學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的高階認(rèn)知與思維訓(xùn)練,制約了學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

依據(jù)核心內(nèi)容設(shè)計有思維深度的真實問題,將知識融入到相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)中,把學(xué)習(xí)變成一個個探究活動,使學(xué)生在活動中體驗真實問題解決的過程,促進學(xué)生在真實問題解決中拓展認(rèn)知廣度及深度,有效提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的關(guān)鍵能力。本文以歐姆定律復(fù)習(xí)為例,展示指向真實問題解決的物理中考復(fù)習(xí)課設(shè)計的實踐與思考。

1 教學(xué)內(nèi)容分析

依據(jù)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》,蘇科版初中物理教材中第十四章《歐姆定律》屬于一級主題“能量”下的二級主題“電磁能”,“電磁能”內(nèi)容編排結(jié)構(gòu)如圖1所示,本章是初中物理中承上啟下的核心內(nèi)容,知識的重點是電阻概念與歐姆定律,教材中設(shè)置的主要學(xué)習(xí)活動如表1所示。由此可見,實驗探究是本章的主要學(xué)習(xí)方式,復(fù)習(xí)課仍以實驗為主線展開是恰當(dāng)?shù)摹W(xué)生通過新課學(xué)習(xí),了解了歐姆定律的相關(guān)知識,雖然他們看起來似乎習(xí)得了大量的事實性知識,卻并沒有在更深的層次上理解它,不能有效融會貫通,在新情境下難以正確建構(gòu)模型、應(yīng)用知識解決問題。綜合分析江蘇省各市中考物理試題,其命題原則是：基于課程標(biāo)準(zhǔn),關(guān)注學(xué)習(xí)過程,重視情境創(chuàng)設(shè),考查必備知識與關(guān)鍵能力,以此引導(dǎo)初中物理教學(xué)明確方向和滿足學(xué)生發(fā)展訴求。因此,本章復(fù)習(xí)的思路是：以真實問題為切入點,以實驗探究為主線,從新的角度、高度,促進學(xué)生從整體上把握本章內(nèi)容的基本結(jié)構(gòu),使學(xué)生的認(rèn)知水平和物理觀念達到更高的層次,運用所學(xué)知識在新的情境中解決問題,[2]提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

表1

圖1

2 學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計與教學(xué)過程

2.1 學(xué)習(xí)目標(biāo)

研讀課標(biāo)、教材,分析學(xué)情,以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、促進學(xué)生思維發(fā)展、提升學(xué)生解決新問題的能力為宗旨,制定本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)如下：

(1) 能畫出用伏安法測量鉛筆芯電阻的實驗電路圖;

(2) 能設(shè)計實驗,研究鉛筆芯電阻隨溫度的變化規(guī)律;

(3) 經(jīng)歷設(shè)計制作電子溫度計的過程,能說出其工作原理,說明將非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的方法。

2.2 教學(xué)流程

圍繞本章知識重點：電阻與歐姆定律,設(shè)計核心問題,在進階學(xué)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力,教學(xué)流程如圖2。

圖2

2.3 實施教學(xué)

2.3.1 引入實驗

實驗器材為：干電池、0.5 mm鉛筆芯、導(dǎo)線、開關(guān)等。教師演示鉛筆芯發(fā)光實驗(圖3)。

圖3

師：閉合開關(guān),鉛筆芯為什么能發(fā)光?

生：由于電流的熱效應(yīng)。

師：鉛筆芯“發(fā)光”時溫度要達到800 ℃左右,手摸導(dǎo)線,感覺到它燙嗎?為什么?

生：不燙,因為導(dǎo)線電阻比較小。

師：鉛筆芯的電阻與導(dǎo)線電阻相比較,到底有多大?

學(xué)生的猜想多種多樣,且數(shù)據(jù)相差很大(從幾歐到幾千歐)。

設(shè)計意圖：有的學(xué)生在復(fù)習(xí)中思維處于懶散的狀態(tài),視而不見,聽而不聞,感而不覺。消除這種狀態(tài)的良方,就是創(chuàng)生學(xué)習(xí)的“驚奇感”。[3]用學(xué)生身邊的學(xué)習(xí)用品——鉛筆芯,利用簡單電路,緊扣本章主題創(chuàng)設(shè)令人驚奇的真實情境——鉛筆芯發(fā)光,充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望和思維積極性,并在情境中自然引出真實問題：如何測量高溫下鉛筆芯的電阻?對此學(xué)生感興趣、似乎能解決,卻又將遇到新困難、解決后能帶來新價值,“原理清晰、操作方便、現(xiàn)象驚奇、主題突出”是創(chuàng)設(shè)真實問題情境的關(guān)鍵。

2.3.2 任務(wù)驅(qū)動

鉛筆芯發(fā)光時溫度很高,直接測量存在安全隱患,師生通過討論確定研究思路：先測量室溫下鉛筆芯的電阻,再研究溫度對鉛筆芯電阻的影響,最后對鉛筆芯發(fā)光時的電阻做出預(yù)判。

任務(wù)1：測量室溫下鉛筆芯的電阻。

師：如何測量室溫下鉛筆芯的電阻?

生：運用伏安法,測出鉛筆芯兩端的電壓和流過鉛筆芯的電流,計算出電阻。

師：請畫出用伏安法測電阻的實驗電路圖。

學(xué)生在學(xué)案上畫出實驗電路圖,師生分享、評價實驗電路圖。

師：實驗時注意不要將鉛筆芯長時間通電,為什么?

生：鉛筆芯會發(fā)熱。

師：如果實驗時用手摸,發(fā)現(xiàn)鉛筆芯的溫度升高,怎么處理?

生：斷開開關(guān),等鉛筆芯溫度降低后再實驗。

學(xué)生分組實驗并處理數(shù)據(jù),在實驗過程中同伴間合作學(xué)習(xí)、互相評價。

師：我們做了3次測量,以哪個測量結(jié)果作為鉛筆芯電阻的測量值?這樣做的目的是什么?

生：取平均值,以減小誤差。

設(shè)計意圖：依據(jù)學(xué)生已有的知識和能力水平展開教學(xué),符合最近發(fā)展區(qū)理論,學(xué)生在問題的驅(qū)動下,積極調(diào)用已有的知識解決問題,既可以復(fù)習(xí)舊知,又可以從中了解學(xué)情,突出本章的核心實驗。學(xué)生在問題解決中回顧電流表、電壓表、滑動變阻器的使用方法,并能排除簡單的實驗故障,收集并處理實驗數(shù)據(jù),總結(jié)得出結(jié)論。在問題驅(qū)動下的同伴合作學(xué)習(xí)、互相評價是提升復(fù)習(xí)效果的有效途徑。

任務(wù)2：探究鉛筆芯的電阻與溫度的關(guān)系。

師：如何設(shè)計實驗,研究鉛筆芯的電阻隨溫度變化的規(guī)律?根據(jù)什么現(xiàn)象可以反映鉛筆芯電阻大小的變化?

生：用燈的亮度、電流表示數(shù)。

師：鉛筆芯與燈、電流表如何連接?

生：串聯(lián)。

教師演示實驗,閉合開關(guān),電流表示數(shù)為182.7 mA(圖4),給鉛筆芯加熱,觀察到了什么現(xiàn)象?說明什么?

圖4

生：電流表示數(shù)變大,說明鉛筆芯溫度越高,電阻越小。

師：但燈的亮度幾乎沒有改變,說明什么?

生：說明溫度升高時,鉛筆芯電阻的減小并不明顯。

總結(jié)：觀察燈的亮度無法反映鉛筆芯電阻的變化,用數(shù)字電流表的示數(shù)變化來反映鉛筆芯電阻的變化。

師：發(fā)光時的鉛筆芯溫度很高,但接入電路中的長度比圖4中的短,且更細(直徑為0.5 mm),你能對發(fā)光時鉛筆芯的電阻大小作出預(yù)判嗎?

學(xué)生根據(jù)已有知識和實驗數(shù)據(jù)無法作出判斷。

師：如果鉛筆芯發(fā)光時的電阻比任務(wù)1中的測量值大,鉛筆芯發(fā)光實驗中的電源是由10節(jié)干電池串聯(lián)而成的,用我們手邊的電流表、電壓表來測量電阻,哪只電表可能滿足不了測量要求?

生：電流表量程可能太小,不能滿足測量要求。

總結(jié)：實驗器材的革新對推動實驗研究有很大的作用,數(shù)字電流表、電壓表幫我們解決了實驗難題。

教師引導(dǎo)學(xué)生運用伏安法測電阻,連接電路,進行實驗(圖5)。

圖5

師：根據(jù)實驗數(shù)據(jù),請你計算這段鉛筆芯發(fā)光時的電阻是多少?

學(xué)生計算出鉛筆芯發(fā)光時的電阻為2.02歐。

師：我們試著測量出了鉛筆芯發(fā)光時的電阻,遺憾的是不知道鉛筆芯發(fā)光時溫度的準(zhǔn)確值。直接測量溫度有困難,你有破解困局的方法嗎?

生：尋找鉛筆芯電阻與溫度的變化規(guī)律。

教師補充介紹：早在1821年英國科學(xué)家戴維研究了金屬電阻隨溫度變化的規(guī)律,與鉛筆芯的主要成份石墨不同,金屬電阻隨溫度的升高而增大,圖6為鉑的R-t圖像。

圖6

師：研究導(dǎo)體電阻與溫度的關(guān)系有什么現(xiàn)實意義?

生：根據(jù)電阻的大小可知道溫度的高低。

師：1876年德國西門子公司制造出第一支鉑電阻溫度計,現(xiàn)在鉑電阻溫度計測溫的范圍可達200～850 ℃,這實現(xiàn)了將非電學(xué)量(溫度)的測量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量(電阻)的測量。

設(shè)計意圖：在解決真實問題的過程中,難免遇到各種困難。通過任務(wù)驅(qū)動,帶著學(xué)生經(jīng)歷邊解決困難、邊深入探究的過程,讓他們像科學(xué)家一樣,對未知的新問題進行思考、探索。解決一個個真實問題的過程,就是“把前人從事智力活動的思想、方法轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認(rèn)識能力和思維方式”的過程,是“把蘊含在知識載體中的觀念、態(tài)度轉(zhuǎn)化為學(xué)生的行為準(zhǔn)則”的過程。[4]只有讓這些認(rèn)識能力、思維方式、行為準(zhǔn)則成為學(xué)生可以自動調(diào)用的心智模型,核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)才能得以達成。

任務(wù)3：設(shè)計、制作電子溫度計。

教師模擬演示電子溫度計測溫,如圖7所示,閉合開關(guān),電壓表的示數(shù)是0.9 V,一位同學(xué)用手捂熱敏電阻,使其升溫,發(fā)現(xiàn)電壓表示數(shù)增大。

圖7

師：溫度升高,熱敏電阻阻值減小,但電壓表的示數(shù)增加,電壓表測的是哪個元件的電壓?除了電源、開關(guān)、導(dǎo)線、電壓表、熱敏電阻外,還需要什么器材?

生：一個定值電阻。

師：如何設(shè)計電子溫度計的工作電路?現(xiàn)給大家提供一只電阻箱,熱敏電阻與電阻箱如何連接?電壓表與哪個元件并聯(lián)?

學(xué)生在學(xué)案上畫出電路圖,展示電路圖并開展師生共評。

師：可以用電流表示數(shù)來反映溫度嗎?

生：可以,溫度越高,熱敏電阻阻值越小,電路中的電流越大。

師：如圖8所示,將熱敏電阻接入電路,閉合開關(guān),電流表示數(shù)不到0.02 A。你可以做出什么推測?

圖8

生：熱敏電阻在室溫下電阻比較大,有幾百歐。

師：電路如圖9所示,要使電壓表有明顯的示數(shù),電阻箱該選多大的阻值連入電路?

圖9

生：幾百歐。

師：如何為基于電壓表的電子溫度計標(biāo)注刻度?

學(xué)生討論后回答,要求他們課后合作制作一個基于電壓表的電子溫度計。

設(shè)計意圖：知識在應(yīng)用的過程中才能體現(xiàn)其價值,通過研究電阻與溫度變化規(guī)律的實例,與其在生活中的實際應(yīng)用相關(guān)聯(lián),讓學(xué)生認(rèn)識到這種研究問題方法的實踐價值。讓學(xué)生經(jīng)歷電子溫度計設(shè)計與完善的過程,體會到知識的無窮力量。崔永漷教授指出：學(xué)科實踐是學(xué)習(xí)方式變革的新方向。

在復(fù)習(xí)課中設(shè)計指向真實問題解決的“微項目”就是一種學(xué)科實踐的嘗試。實踐證明,這種“微項目”設(shè)計,在提升物理中考復(fù)習(xí)實效上有很好的效果。

3 結(jié)語

指向真實問題解決的中考物理復(fù)習(xí)課,改變了以往復(fù)習(xí)課“枯燥無趣、機械重復(fù)”的低效狀態(tài)。教學(xué)設(shè)計圍繞核心概念優(yōu)選素材,創(chuàng)設(shè)真實問題情境,啟發(fā)學(xué)生思考,以真實問題驅(qū)動學(xué)生探究真實任務(wù),培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

指向真實問題解決的初中物理教學(xué)凸顯了新課標(biāo)的價值取向,它適用于初中物理各種課型(新授課、復(fù)習(xí)課、綜合實踐活動課等),其教學(xué)設(shè)計流程如圖10所示,在教學(xué)設(shè)計中資源載體(實驗)、問題鏈的設(shè)計非常重要,這需要教師在不斷實踐反思中提升自身能力。

圖10