單元視域下基于科學探究模式的電阻教學

摘" 要：電阻概念較為抽象。學生對電阻的定義、單位、測量和影響因素等有一定的認知障礙。本文基于科學探究的教學模式，在單元教學統領下重組電阻教學的內容與實施，依靠承上啟下銜接電路和歐姆定律的電阻單元進行教學設計，嘗試在核心素養理念下解決當前電阻教學的疑難。

關鍵詞：電阻；科學探究；核心素養；課程標準；單元教學

當前電阻教學包含物質的導電性能、電阻的概念和單位、電阻大小的影響因素、變阻器等內容；教學時依靠轉換法將電阻大小轉換為電流大小進行定性比較，然后得到定性的電阻規律（如圖1所示）。由于缺乏對電阻定義的學習和建構，以及實驗中需要提前了解歐姆定律方能進行解釋論證，導致學生無法正確理解電阻單位以及電流、電壓和電阻之間的真正關系，為后續歐姆定律的學習造成了很大障礙。

《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱課程標準）物理學科核心素養的理念下，概念建構和思維發展需要以學生的已有認知為基礎，要注重科學探究、突出問題導向，要創設真實的問題情境。［1］因此，結合電阻教學中對實驗的高要求和單元教學的統領導向作用，筆者重新整合了電阻教學，拆分了歐姆定律內容并增加了電阻定義內容，嘗試以定量化的科學探究實施電阻教學。

1" 課程標準的要求

課程標準在電磁能部分，要求學生能從能量轉化的角度認識電源和用電器的作用；知道電壓、電流和電阻，探究電流與電壓、電阻的關系，理解歐姆定律；

會使用電流表和電壓表；會看、會畫簡單的電路圖，會連接簡單的串聯電路和并聯電路。基于教學內容，課程標準也在核心素養的四個維度提出了具體的學業質量要求（如表1所示）。

2" 科學探究模式

科學探究的具體形式是多樣的，科學探究在美國的《國家科學教育標準》中解釋為“科學家們用來研究自然界并根據研究所獲事實證據作出解釋的各種不同途徑”；科學探究在過程中并沒有固定的模式；研究者基于研究活動的進行過程，提出了觀察現象、提出問題、查閱資料、設計方案、進行實驗、獲取及分析數據、解釋交流等環節。［2］課程標準也明確提出科學探究一般包括提出問題、猜想與假設、設計實驗與制定方案、獲取與處理信息、基于證據得出結論并作出解釋、交流評估反思等環節。

在教學中使用科學探究這一表述時，更多的是基于科學實踐的理念，強調在科學研究中去發現問題、思考問題、解決問題，并完成認知的建構，其依據仍然是認知建構主義和認知結構理論。［3］課程標準所倡導的科學探究，既是一種物理學科素養，也是一種教學實施方略，既培養學生的研究意識和能力，也借此組織教學的操作和實施，最終讓學生在實踐中建構新概念。因此，以科學探究的模式進行電阻教學，具有牢固的理論依據和操作可行性。

3" 電阻教學設計

當前的電阻教學包括物質的導電性能、電阻的概念和單位、電阻的影響因素、變阻器等，電阻的測量安排在了歐姆定律章節。這種設計淡化了電阻自身的概念建構，遺留了很多教學問題，比如電阻單位、歐姆定律探究過程中的循環論證等。因此在單元教學的統攝下，筆者在電阻部分增加了電阻定義、探究電流與電壓關系、測量電阻等內容，設計了電阻教學設計表（如表2所示）。

整個教學過程始終以實驗情境貫穿，融合了“探究電流與電壓的關系”“測量導體電阻”“測量小燈泡

電阻”“探究電阻大小的影響因素”“導體和絕緣體的轉化”等5個重要實驗，以實驗探究驅動學習進程，以知識規律強化學科體系，以實踐應用鞏固學習認知，做到了“做”與“學”的平衡。

4" 教學環節簡述

4.1" 探究電流與電壓的關系

這部分的探究實驗通常作為歐姆定律教學的一部分，但在單元教學的統領下，特意將這一探究實驗提前，力圖有效幫助學生實現電阻概念的建構和應用。

4.1.1" 問題與猜想

圖2

該環節承接電壓教學的一個演示實驗（如圖2所示）。AB是一段鎳鉻合金絲，電源兩端電壓可以調節。改變電源電壓讓學生觀察實驗現象，從而引出探究主題，并猜想電流與電壓的關系。學生看到改變電源電壓時，電流表示數發生變化，于是基于這一實驗現象，很容易提出“在電阻一定時，電流隨著電壓的變化而變化”的猜想。

4.1.2" 方案與實施

圖3

學生基于猜想，自己思考并明確探究實驗需要測量的物理量，包括如何改變電壓、如何測量電壓和電流等，然后根據已有的器材（包括電流表、電壓表、各種鎳鉻合金絲）設計并連接電路，繪制數據記錄表，最后完成實驗，獲取數據。為了避免陷入歐姆定律的循環論證，此處不使用滑動變阻器，而是通過改變電源電壓來實現改變合金絲兩端的電壓。實驗電路圖如圖3所示，實驗數據記錄表如表3所示。

4.1.3" 數據與處理

學生根據實驗的數據，計算分析電流與電壓的定量關系，并通過繪制電流與電壓的關系的圖像，進一步顯化實驗數據，最終得到“同一段導體，通過導體的電流與導體兩端的電壓成正比”的探究結果。

4.1.4" 解釋與交流

圖4

教師匯總不同小組的數據并展示給學生（如圖4所示），學生會發現用不同的合金絲進行實驗，電流與電壓成正比的比例系數不同，或者說不同導體兩端的電壓與電流之比不同。此時引導學生思考電壓與電流之比的意義，引導學生發現該比值與物體自身有關，就像密度一樣，代表了物體本身的某種性質。

根據以上分析，引導學生用物體兩端的電壓U與通過物體的電流I相比來定義物理量電阻R，即R＝UI，其單位為V/A。為了紀念科學家歐姆，物理中將電阻的單位稱為歐姆（Ω），即1Ω＝1V/A。由公式可知，電壓一定時，若物體的電阻越大，即導體對電流的阻礙作用越大，那么通過物體的電流便會越小。電阻的物理意義不言自明。

不同物體的電阻不同，其對電流的阻礙作用也不同，那些容易導電的物體被稱為導體，不容易導電的物體被稱為絕緣體。導體和絕緣體并沒有嚴格的界限，只是電阻大小存在很大差異而已。教師通過燒紅玻璃的實驗展示導體與絕緣體的相互轉化（如圖5所示），并補充介紹導電性能的微觀含義，即其自由電荷數量越多，導電性能越強。

4.1.5" 應用與實踐

在建構了電阻概念以后，利用電壓表和電流表測量導體的電阻就順理成章了。實驗中給各組學生提供不同規格的導體，讓學生測量導體兩端的電壓和通過導體的電流，并計算出導體的電阻，從而完成測量阻值實驗。然后再給每小組提供一個小燈泡和電壓可調節的電源，讓學生測量不同電壓下燈泡的電阻（如圖6所示），分析燈絲電阻的變化規律，并思考為什么燈絲電阻會變化，引出下一個探究活動。

4.2" 探究電阻大小的影響因素

這部分的探究實驗通常是利用轉換法，即通過電流大小定性反映電阻大小，因為此時還沒有電阻的計算公式。在進行單元教學設計時重組教學內容，電阻大小的影響因素實驗也得以進行量化研究。

4.2.1" 問題與猜想

圖7

該環節承接主題一的環節五，教師連接如圖7所示的電路，測量常溫下燈絲的電阻，然后用酒精燈加熱燈絲直至其發紅發光，測量此時燈絲的電阻，讓學生借此驗證自己之前的猜想是否正確，完成“溫度是電阻的影響因素”的教學。實驗中仍然利用兩端電壓可調的電源，避免提前引入滑動變阻器，給學生學習帶來困擾。

學生分組討論溫度對電阻大小的影響，同時教師引導學生嘗試列舉出更多的電阻的影響因素，并輔以相應的素材進行佐證，以培養學生的證據意識和論證能力。示例：不同材料制成的相同形狀的導體的導電能力不同，因此電阻與材料種類有關。最終除了溫度之外，學生再猜想并確定出材料、長度、橫截面積等影響電阻大小的因素以備探究。

4.2.2" 方案與實施

由于教學時間有限，讓學生以小組為單位選擇一種因素進行實驗方案的設計（如表4所示）。方案中要求學生明確控制了什么變量，改變了什么物理量，測量了什么物理量，需要什么器材。該實驗方案與測量電阻的實驗是一致的，電源兩端的電壓仍然可以調節，只是增加了控制變量的思考設計環節。學生按照自己所在小組的設計方案進行實驗，并記錄數據。

4.2.3" 數據與處理

小組的同學需要計算出每一次測量的電阻值，并分析電阻的變化與所探究的因素之間的關系。對于探究長度和橫截面積影響因素的小組，還需要得出電阻與自變量的定量的關系。

4.2.4" 解釋與交流

學生通過對實驗數據的分析歸納，得到導體電阻與導體材料有關，與溫度有關，并且還得到電阻與導體長度成正比，與橫截面積成反比的量化結論。教師借此幫助學生歸納電阻定律，即R＝ρLS。雖然此時歸納電阻定律水到渠成，但并不要求學生掌握電阻定律，教學中可以酌情定性化處理。

此處教師還需要幫助學生區分R＝UI和R＝ρLS兩公式。前者是電阻的定義公式，但是電阻大小顯然與電壓和電流無關，而是與導體的材料、長度、橫截面積、溫度等因素有關。現有教學中的電阻影響因素的理論理解困難迎刃而解。

4.2.5" 應用與實踐

在明確了電阻大小的影響因素之后，便可以據此設計電阻值可以量化改變的儀器，即變阻器。教學中讓學生自己從電阻的影響因素中，尋找實際可用的改變電阻的方法。由于增加導體橫截面積、更換導體材料、改變導體溫度等都不方便實現，學生最終選擇通過改變連入的電阻絲長度來改變電阻（如圖8所示），這正是滑動變阻器的原理。

圖8

此時教師可以視學生的層次和教學時間，選擇不同的教學方法，將滑動變阻器的原理設計、接線使用、電路符號等融入課堂教學。比如教師引導學生利用長電阻絲自己設計滑動變阻器，過程中用纏繞解決電阻絲過長、用絕緣漆解決導線接觸導通、用刮去絕緣漆解決滑片與電阻絲無法導通等一系列問題，最終成功設計滑動變阻器。如果學生能力不足以支撐設計變阻器的任務，則可以選擇拆解滑動變阻器，給學生演示組裝一架滑動變阻器，從而引導學生經歷設計的過程（如圖9所示），完成有深度的學習，避免機械的記憶。

5" 結束語

科學探究教學模式需要有明確的探究任務，然后在既定的探究環節中逐步推進，讓學生在完成探究活動的過程中應用所學的知識和技能，建構新的認知。其本質與任務驅動模式相似，只不過科學探究將環節和情境更加教學化，讓學生獲取信息的途徑更加實驗化，［4］相較一般的任務驅動模式而言更加側重實驗能力素養的培養。

基于建構主義理論的特點，科學探究的教學模式一定要注重最后的課程落實。首先，在解釋交流環節，教師一定要引導和幫助學生完成物理課程的內容深化，要基于實驗的數據支撐概念規律的教學，要將理論和實驗相互交織，從而真正將實驗納入到課程中來，解決當前教學中重理論輕實驗的現狀。然后，在探究活動中，一定要注意環節的銜接，尤其是學生的思維發展，保證學生順暢地完成認知建構。［5，6］最后，在探究結束時一定要增加應用和實踐環節，讓學生在將實驗和理論融合以后，有機會進一步聯系實際，在運用中強化和鞏固認知結構，完成學科核心素養的升華。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部. 義務教育物理課程標準（2022年版）［M］. 北京：北京師范大學出版社，2022：2-3.

［2］姜濤. 物理探究課有效教學評價指標體系構建研究［D］.重慶：西南大學，2013：11-12.

［3］萊斯利·P.斯特弗，杰里·蓋爾.教育中的建構主義［M］. 高文，等譯. 上海：華東師范大學出版社，2002：9.

［4］蔣煒波，趙堅.新修訂“義務教育物理課程標準”的特點探討與實施建議［J］.中學物理，2022，40（10）：2-6.

［5］蔣煒波.物理教學中科學思維發展層級模型的構建初探［J］.物理教學，2021，43（10）：5-9.

［6］蔣煒波，王宏.物理實驗的設計如何指向學生科學思維的培養［J］.物理教學，2019，41（12）：10-12，9.