蔣煒波

(清華大學(xué)附屬中學(xué),北京 100084)

當(dāng)前的歐姆定律教學(xué)包括探究電流與電壓和電阻的關(guān)系、串并聯(lián)電路等效電阻、伏安法測電阻、特殊方法測電阻、比例問題、動(dòng)態(tài)電路變化分析等內(nèi)容.探究電流與電壓和電阻的關(guān)系實(shí)驗(yàn)事實(shí)上已經(jīng)用到了歐姆定律和動(dòng)態(tài)電路變化分析,因此陷入了循環(huán)論證;教學(xué)中因?yàn)槿狈﹄娮瓒x的學(xué)習(xí),導(dǎo)致無法解決安培、伏特、歐姆的單位關(guān)系,以及電流與電壓和電阻的比例系數(shù)問題.

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(以下簡稱“新課標(biāo)”)凝練了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的理念,除了知識(shí)技能外,更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí),即讓學(xué)生在任務(wù)、問題、項(xiàng)目等各種活動(dòng)環(huán)節(jié)中,充分調(diào)動(dòng)既有的認(rèn)知儲(chǔ)備,綜合運(yùn)用各種學(xué)習(xí)技能,完成深度的認(rèn)知建構(gòu).[1]鑒于此,有必要探索指向深度學(xué)習(xí)的教學(xué)策略,在新課標(biāo)理念下從單元視角設(shè)計(jì)歐姆定律的教學(xué).

1 新課標(biāo)的要求

新課標(biāo)在歐姆定律部分,要求學(xué)生用定值電阻、滑動(dòng)變阻器、電流表、電壓表等,探究電流與電壓、電阻的關(guān)系,理解歐姆定律.同時(shí),要求學(xué)生能用電流表、電壓表、滑動(dòng)變阻器等測量小燈泡正常發(fā)光時(shí)的電阻.基于教學(xué)內(nèi)容,新課標(biāo)也在核心素養(yǎng)的4個(gè)維度提出了具體的學(xué)業(yè)質(zhì)量要求,如表1所示.

表1 新課標(biāo)歐姆定律部分學(xué)業(yè)質(zhì)量要求

歐姆定律是貫穿整個(gè)初高中學(xué)段的核心規(guī)律,其核心地位決定了學(xué)習(xí)和運(yùn)用的高難度,現(xiàn)有教學(xué)在解決真實(shí)困境層面始終難有突破,其根源在于局限在了歐姆定律本身,沒有跳出課時(shí)進(jìn)行整體的單元設(shè)計(jì).新課標(biāo)理念下,基于原有認(rèn)知設(shè)計(jì)有針對性的連續(xù)的情境活動(dòng),調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維有深度地全程參與,[2]不失為一種可行的歐姆定律教學(xué)的突破策略.

2 指向深度學(xué)習(xí)的教學(xué)

深度學(xué)習(xí)的概念于1976年提出,它有別于傳授知識(shí)的淺層學(xué)習(xí),更注重學(xué)生高階思維的調(diào)動(dòng)參與和發(fā)展培養(yǎng),當(dāng)前提倡的項(xiàng)目學(xué)習(xí)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、問題解決等多種教學(xué)模式,其根本都是基于建構(gòu)主義理論和認(rèn)知結(jié)構(gòu)理論,與深度學(xué)習(xí)都有著密切的淵源.

相比許多教學(xué)模式“重做輕思維”的特點(diǎn),深度學(xué)習(xí)尤為關(guān)注學(xué)生在思維層面的發(fā)展,它基于布魯姆的認(rèn)知分類理論,對學(xué)生在完成任務(wù)、問題、活動(dòng)、項(xiàng)目過程中的思維進(jìn)行層級分類,這與新課標(biāo)下科學(xué)思維水平層次劃分有著高度一致性,基于思維發(fā)展的深度學(xué)習(xí)來實(shí)踐核心素養(yǎng),相關(guān)的教學(xué)與評價(jià)研究已經(jīng)較為普遍,很值得新課標(biāo)理念下的初中物理教學(xué)借鑒.[3]

深度學(xué)習(xí)有5個(gè)基本特征:活動(dòng)與體驗(yàn)、聯(lián)想與結(jié)構(gòu)、本質(zhì)與變式、遷移與創(chuàng)造、價(jià)值與評判,[4]這些特征與新課標(biāo)創(chuàng)設(shè)情境任務(wù)完成學(xué)習(xí)、關(guān)聯(lián)整合認(rèn)知以升華觀念、聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行應(yīng)用創(chuàng)造、倡導(dǎo)評價(jià)質(zhì)疑反思創(chuàng)新、從生活走向物理從物理走向社會(huì)等理念是非常契合的,指向深度學(xué)習(xí)的教學(xué)對核心素養(yǎng)的落地實(shí)踐有著天然的承載作用.

3 歐姆定律教學(xué)設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)有教學(xué)中存在的問題困境,在單元教學(xué)統(tǒng)攝下將傳統(tǒng)的歐姆定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行拆分.在電阻單元教學(xué)中完成電流與電壓關(guān)系的探究,建構(gòu)電阻概念并得到R=U/I的定義公式.因此不再需要通過有循環(huán)論證之嫌的探究實(shí)驗(yàn)來得到歐姆定律公式,而是可以借由情境創(chuàng)設(shè)讓學(xué)生在問題和任務(wù)的完成中更加深入地理解、更加順暢地建構(gòu)、更加熟練地運(yùn)用歐姆定律.具體教學(xué)設(shè)計(jì)如表2所示.

表2 歐姆定律教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)分4部分,每一部分安排多個(gè)基于情境的環(huán)節(jié)活動(dòng),包括實(shí)驗(yàn)情境、試題情境、學(xué)史情境等.教學(xué)整體基于深度學(xué)習(xí)的特征,并結(jié)合教學(xué)實(shí)際需求創(chuàng)設(shè)情境承載教學(xué),實(shí)施過程中注意課時(shí)之間的情境關(guān)聯(lián)程度,做到思維無縫銜接,充分保障學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的連續(xù)性.

4 教學(xué)過程簡述

歐姆定律單元教學(xué)主要包括規(guī)律建構(gòu)(教學(xué)1、教學(xué)2)和規(guī)律應(yīng)用(教學(xué)3、教學(xué)4)兩部分,借助單元教學(xué)的統(tǒng)領(lǐng)作用調(diào)整教學(xué)結(jié)構(gòu)以突破困境,通過有針對性的情境串聯(lián)起各個(gè)應(yīng)用模塊以整合體系.

4.1 強(qiáng)化I、U、R的關(guān)系

在經(jīng)歷了電阻單元教學(xué)后,學(xué)生雖然已經(jīng)得到公式關(guān)系R=U/I,但認(rèn)識(shí)理解明顯不足.教學(xué)1注重基于情境的規(guī)律深化認(rèn)識(shí),以思維的參與和發(fā)展為核心,通過任務(wù)活動(dòng)調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極投入,將深度學(xué)習(xí)的特征要求融入具體的教學(xué)過程.

(1) 觀察滑動(dòng)變阻器的調(diào)節(jié)作用.

在電阻的學(xué)習(xí)中,學(xué)生已經(jīng)掌握滑動(dòng)變阻器可以改變連入電路的電阻,那么將滑動(dòng)變阻器連入電路后,調(diào)節(jié)滑片會(huì)發(fā)生什么呢?教師將小燈泡和滑動(dòng)變阻器串聯(lián)接入電路,調(diào)節(jié)滑片讓學(xué)生觀察并思考小燈泡的亮度變化.

學(xué)生經(jīng)過關(guān)聯(lián)電壓和電流的學(xué)習(xí)過程,能想到是小燈泡的兩端電壓和通過的電流發(fā)生了改變,于是教師將電流表和電壓表接入電路進(jìn)行測量,驗(yàn)證學(xué)生的猜想,如圖1.我們改變的是滑動(dòng)變阻器連入電路的電阻,為什么串聯(lián)電路的電流也會(huì)改變?通過設(shè)問進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生思考.

圖1

(2) 等效總電阻與電路的I、U、R關(guān)系.

電路的總電壓不變但電流改變,表明電路總阻礙作用改變.基于學(xué)生的思考引導(dǎo)學(xué)生利用電阻的定義公式R=U/I,將總電壓、總電流相比,推導(dǎo)電阻R1和R2串聯(lián)時(shí)的電路總電阻R,最終得到R=R1+R2.如果將這兩個(gè)電阻并聯(lián)又會(huì)怎樣呢?繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生自己完成推導(dǎo),得到并聯(lián)電阻的等效阻值R=R1R2/(R1+R2)并進(jìn)行適當(dāng)計(jì)算驗(yàn)證,例如R1=0 Ω時(shí),并聯(lián)總電阻也為0 Ω;當(dāng)R1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R2時(shí),并聯(lián)總電阻約等于R2,如圖2.

圖2

(3) 動(dòng)態(tài)電路分析.

在學(xué)習(xí)完整規(guī)律后讓學(xué)生回到最開始的問題,分析滑動(dòng)變阻器的滑片調(diào)節(jié)對電路的影響,如圖3.一種思路是從滑動(dòng)變阻器的阻值變化,推出總電阻變化,再到總電流的變化,于是得到各個(gè)元件的電壓變化.另一種思路是利用串聯(lián)分壓規(guī)律,通過元件之間的電阻比值的變化,分析各個(gè)元件的分壓變化和電流變化.

圖3

在完成了串聯(lián)電路滑動(dòng)變阻器的調(diào)節(jié)分析之后,教師再結(jié)合試題情境,引導(dǎo)學(xué)生分析并聯(lián)電路的滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)作用,以及利用開關(guān)改變串并聯(lián)電路中電阻數(shù)量時(shí)的調(diào)節(jié)作用,如圖4,在應(yīng)用中體會(huì)各種變式以及變式背后的深層次本質(zhì),深化認(rèn)知結(jié)構(gòu).

圖4

(4) 基于傳感器的測量方案.

這一活動(dòng)承接動(dòng)態(tài)電路,側(cè)重學(xué)生在生活情境下的遷移與創(chuàng)造.首先通過示例向?qū)W生展示滑動(dòng)變阻器的阻值可以與形變、力、風(fēng)速等物理量關(guān)聯(lián),例如圖5所示的電子稱重電路,這時(shí)候電流和電壓的變化就反映了相應(yīng)物理量變化.以此為例,結(jié)合電阻影響因素給學(xué)生介紹熱敏電阻、光敏電阻、氣敏電阻等各種傳感器,讓學(xué)生自己選擇一個(gè)生活情境,設(shè)計(jì)一個(gè)簡化的測量電路,并分析具體的測量原理.這部分對學(xué)生的要求較高,教學(xué)中需要酌情處理.

圖5

4.2 再探I、U、R的關(guān)系

在強(qiáng)化了電流I、電壓U和電阻R之間的關(guān)系之后,以中考試題為銜接,分析利用調(diào)節(jié)或控制電源電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的現(xiàn)實(shí)局限,進(jìn)而利用動(dòng)態(tài)電路再探歐姆定律,并最終凝練規(guī)律.這既符合學(xué)史研究的歷程,又讓學(xué)生反思和評價(jià)實(shí)驗(yàn)探究的合理性,深度學(xué)習(xí)倡導(dǎo)的高階思維培養(yǎng)落到了實(shí)處.

(1) 基于中考命題的方案再設(shè)計(jì).

例題.小圓想探究通過導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體的電阻之間的關(guān)系,他利用干電池、電流表、電壓表、多個(gè)阻值不同且已知的定值電阻、開關(guān)及導(dǎo)線,設(shè)計(jì)了如圖6所示的電路.實(shí)驗(yàn)中,他將定值電阻R接入電路中,讀出相應(yīng)的電流表的示數(shù)并觀察電壓表的示數(shù),記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).將R換為不同阻值的另一個(gè)電阻后,小圓觀察到電壓表的示數(shù)增大了.小圓意識(shí)到自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不能實(shí)現(xiàn)探究目的.

圖6

① 請你寫出小圓的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不能實(shí)現(xiàn)探究目的的原因:________;

② 請你畫出能夠?qū)崿F(xiàn)探究目的的電路圖(可以添加適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)器材);

③ 依據(jù)你設(shè)計(jì)的電路圖,針對小圓不能實(shí)現(xiàn)探究目的的原因,寫出操作的方法.

例題是2021年的北京中考題,試題情境基于實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè),教師以此為切入點(diǎn),幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到電源兩端的電壓可能不受控的現(xiàn)實(shí),引導(dǎo)學(xué)生利用滑動(dòng)變阻器的調(diào)節(jié)作用重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路,厘清關(guān)鍵操作.類似地,如果要探究電阻一定時(shí)通過導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體兩端電壓的關(guān)系,也可以利用滑動(dòng)變阻器重設(shè)方案.

(2) 實(shí)驗(yàn)再探I、U、R關(guān)系.

在學(xué)生完成了實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)以后,教師給學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)器材,學(xué)生自主完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究,電路類似圖3,過程中教師關(guān)注學(xué)生的電路連接和關(guān)鍵操作.此時(shí)學(xué)生已經(jīng)具備了動(dòng)態(tài)電路的認(rèn)知基礎(chǔ),通過關(guān)聯(lián)和遷移,能夠加深對實(shí)驗(yàn)的理解,體會(huì)先前的活動(dòng)研究的價(jià)值意義.

(3) 以學(xué)史凝練歐姆定律.

活動(dòng)中通過歸納學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),凝練得出歐姆定律.教師接下來向?qū)W生發(fā)放閱讀材料,讓學(xué)生自己認(rèn)識(shí)歐姆的真正研究歷程.歐姆克服了巨大的現(xiàn)實(shí)困難,在沒有電壓、電阻、電流表等器材的情況下,通過磁體在電流附近受到力的作用來計(jì)量電流,如圖7,他通過定義電阻概念簡化了規(guī)律,并最終完成了探索.[5]

圖7

學(xué)生到此終于可以將整個(gè)大單元環(huán)環(huán)相扣聯(lián)系起來,認(rèn)識(shí)到自己之前的學(xué)習(xí)正是經(jīng)歷了科學(xué)家的真實(shí)研究歷程,完成了與科學(xué)家跨越世紀(jì)交流,從而在學(xué)科態(tài)度、科學(xué)方法和研究精神層面深層次啟發(fā)學(xué)生.

4.3 辨析電路故障

這部分是規(guī)律應(yīng)用教學(xué),基于學(xué)生在再探歐姆定律實(shí)驗(yàn)中遇到的問題,教師創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境帶領(lǐng)學(xué)生分析故障的原因,然后再利用歐姆定律重新理解斷路故障及其檢測,以及實(shí)驗(yàn)中遇到的新問題——短路及其理解,最終深化電路故障的認(rèn)識(shí)與判斷,落實(shí)歐姆定律的應(yīng)用.

(1) 歐姆定律實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題.

圖3的實(shí)驗(yàn)中學(xué)生出現(xiàn)的問題現(xiàn)象很多,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)聯(lián)已有認(rèn)知,將這些現(xiàn)象進(jìn)行歸類整理,如表3.針對滑動(dòng)變阻器不能改變電流和電壓,分析認(rèn)識(shí)到是滑動(dòng)變阻器的接線方式不對.針對沒有電流的這一類現(xiàn)象,學(xué)生通過關(guān)聯(lián)電路狀態(tài),容易理解電路中應(yīng)該是出現(xiàn)了斷路情況.但針對有電流但電壓表沒有示數(shù)的現(xiàn)象,學(xué)生卻始終難以理解.

表3 電路問題分析

(2) 斷路及其檢測.

首先帶領(lǐng)學(xué)生分析斷路情況,為什么沒有電流的時(shí)候,電壓表有時(shí)候沒有示數(shù),有時(shí)候示數(shù)會(huì)很大?教師連接一個(gè)完好的電路,讓學(xué)生分析斷開何處能出現(xiàn)電壓表沒有示數(shù)的情況,并讓學(xué)生上臺(tái)演示用以驗(yàn)證.學(xué)生發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表測量對象斷開時(shí)會(huì)出現(xiàn)電壓表示數(shù)很大的情況,而其他地方斷開時(shí)電壓表沒有示數(shù).

接下來引導(dǎo)學(xué)生用歐姆定律進(jìn)行解釋.電壓表并聯(lián)在電阻上,根據(jù)并聯(lián)電阻關(guān)系,為了不影響原電路,電壓表電阻設(shè)計(jì)得非常大.當(dāng)電壓表測量對象斷開時(shí),如圖8,相當(dāng)于電壓表串聯(lián)入電路,于是利用公式分析計(jì)算可以發(fā)現(xiàn),電路總電流幾乎為0,而斷開部分的電壓約等于電源電壓,這就是電壓表有很大示數(shù)的原因.借此還可說明和演示電壓表可以直接接在電源兩端測量電源電壓.

圖8

深入理解這些之后,引導(dǎo)學(xué)生利用電壓表示數(shù)的這一變化特點(diǎn)尋找電路中的斷路結(jié)構(gòu),在應(yīng)用中完成斷路故障及檢測的教學(xué).

(3) 短路及其理解.

針對有電流但電壓表沒有示數(shù)的現(xiàn)象,教師現(xiàn)場用燈泡替代電阻連接演示電路(如圖1右),與電壓表并聯(lián)的小燈泡不發(fā)光,電壓表沒有示數(shù).然后給學(xué)生展示小燈泡燈座底部,讓學(xué)生看到兩個(gè)接線柱之間已經(jīng)被直接連通,如圖9.為什么這時(shí)候會(huì)出現(xiàn)燈泡不亮、電壓表沒有示數(shù)的情況呢?

圖9

由于在電路單元教學(xué)中礙于認(rèn)知困難移除了短路部分,此時(shí)需要引導(dǎo)學(xué)生分析.小燈泡的兩端被導(dǎo)線直接并聯(lián)連接,根據(jù)并聯(lián)電阻的公式可知,小燈泡與導(dǎo)線并聯(lián)的總電阻為0,因此電源電壓都分給了滑動(dòng)變阻器,電壓表自然也就沒有示數(shù).教師歸納短路的概念并啟發(fā)學(xué)生思考,如果開關(guān)短路、電流表短路、滑動(dòng)變阻器短路會(huì)怎樣,最后通過計(jì)算分析如果電源短路會(huì)怎樣,完成短路的深入理解.

4.4 拓展電阻測量

這部分仍然是規(guī)律應(yīng)用教學(xué),基于之前的斷路和短路的故障分析,理解電流表、電壓表的相互關(guān)系和阻值特點(diǎn),并借此分析伏安法測量電阻的誤差,以及完成缺少電表時(shí)的電阻阻值測量,通過一系列的應(yīng)用活動(dòng),完成歐姆定律的再深化.

(1) 理解電表的關(guān)聯(lián).

通過斷路和短路學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了電壓表電阻很大、電流表電阻極小的阻值特點(diǎn),此時(shí)再次引導(dǎo)學(xué)生關(guān)聯(lián)電流表和電壓表部分的學(xué)習(xí),從結(jié)構(gòu)和原理上再次確認(rèn)電流表和電壓表之間的互通關(guān)系.雖然初中物理不要求學(xué)生理解電表改裝,但事實(shí)上學(xué)生此時(shí)已經(jīng)具備了改裝的理論知識(shí),為后續(xù)高中階段的學(xué)習(xí)做好了鋪墊準(zhǔn)備.[6]

(2) 伏安法測電阻的誤差.

在認(rèn)識(shí)了電流表和電壓表特點(diǎn)以后,教師給學(xué)生介紹兩種基本的電流表接法,如圖10,并引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合歐姆定律,計(jì)算分析伏安法測電阻的電流和電壓的準(zhǔn)確程度,以及對最終的測量結(jié)果的影響.需要注意,初中階段并不要求學(xué)生掌握電流表的內(nèi)外接法,此處只是作為歐姆定律的應(yīng)用延伸,教學(xué)中可以酌情處理.

圖10

(3) 缺電表的電阻測量方案.

在缺少電表時(shí)進(jìn)行電阻測量,是初中物理的高層次要求,其實(shí)質(zhì)是等效替代法的應(yīng)用,如圖11.用電流表和阻值已知的定值電阻可以計(jì)算出電壓,從而充當(dāng)電壓表的功能;用電壓表和阻值已知的定值電阻可以計(jì)算出電流,從而充當(dāng)電流表的功能.

圖11

之后,便可以讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,分別完成缺少電流表和缺少電壓表時(shí)的電阻測量的電路設(shè)計(jì),并要求學(xué)生寫出大致的操作步驟,以及利用測量的物理量寫出最終的電阻表達(dá)式.

最后,讓學(xué)生判斷源自考試命題的電路設(shè)計(jì)能否完成電阻的測量,如圖12,包括用電阻箱替換待測電阻進(jìn)行測量的電路、利用開關(guān)改變電壓表或者電流表測量對象的電路,讓學(xué)生通過變式進(jìn)行電阻測量的強(qiáng)化.

圖12

5 結(jié)束語

深度學(xué)習(xí)并沒有一種確定的教學(xué)模式,它是一種理念導(dǎo)向,重視引導(dǎo)學(xué)生對個(gè)體學(xué)習(xí)的地位產(chǎn)生新的認(rèn)識(shí),建立正確的學(xué)習(xí)觀念,并給學(xué)生創(chuàng)造各種環(huán)境讓學(xué)生獲得學(xué)習(xí)的成就感,從而更加鞏固和強(qiáng)化對學(xué)習(xí)的正向認(rèn)識(shí),從根源上解決傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生被動(dòng)接受的境地.

同時(shí),深度學(xué)習(xí)還引導(dǎo)學(xué)生對學(xué)習(xí)的方式和方法進(jìn)行主動(dòng)思考,空間上跨越課堂內(nèi)外,時(shí)間上貫穿人生階段,生活即是學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)即是態(tài)度.學(xué)校的課程學(xué)習(xí)雖只是學(xué)習(xí)的一部分,但通過課程學(xué)習(xí)所獲得的思考方法、處事策略、統(tǒng)籌規(guī)劃、價(jià)值評判等諸多超越知識(shí)的能力,在今后的人生中都是通用的.

深度學(xué)習(xí)的理念與新課標(biāo)物理學(xué)科核心素養(yǎng)之間是貫通的,[7]教師教學(xué)中往往茫然于是否落實(shí)了核心素養(yǎng)的培養(yǎng),此時(shí)不妨從深度學(xué)習(xí)的理念和特征對教學(xué)實(shí)施的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析,在關(guān)注學(xué)科知識(shí)內(nèi)容的教學(xué)的同時(shí),更多地從學(xué)生學(xué)習(xí)的視角進(jìn)行審視,讓學(xué)生主動(dòng)地將物理學(xué)科核心素養(yǎng)融入自身的人生發(fā)展素養(yǎng)群中,從而完成物理學(xué)科對所有學(xué)習(xí)個(gè)體的長遠(yuǎn)發(fā)展支持!