周勝林 錢長(zhǎng)炎

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,安徽 蕪湖 241002)

“閉合電路歐姆定律”既是高中物理電學(xué)的重點(diǎn),又是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn).長(zhǎng)期以來(lái),該內(nèi)容的教學(xué)等問(wèn)題倍受廣大物理教學(xué)研究者和高中物理教師的關(guān)注.本文根據(jù)學(xué)科核心素養(yǎng)的總體目標(biāo),深入分析新的課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該內(nèi)容的要求及其本身的知識(shí)特點(diǎn),結(jié)合前人相關(guān)研究,重新定位其教學(xué)目標(biāo),以“科學(xué)探究”為中軸、“知識(shí)鏈”與“要素鏈”交織構(gòu)成內(nèi)容主體設(shè)計(jì)教學(xué),并對(duì)教學(xué)實(shí)施提出一些建議,以期為學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)下的高中物理課堂教學(xué)提供有益的參考.

1 高中物理“閉合電路歐姆定律”教學(xué)目標(biāo)的確定

學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是我國(guó)基礎(chǔ)教育課程改革進(jìn)入一個(gè)新時(shí)期的重要標(biāo)志和熱門課題.新的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明: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”4個(gè)方面.[1]因而,高中物理課程重要內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)都必須依此重新加以設(shè)定.

對(duì)于“閉合電路歐姆定律”,新的課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生學(xué)習(xí)達(dá)到“理解”的水平.[1]對(duì)此,相應(yīng)的課標(biāo)解讀作了進(jìn)一步說(shuō)明:強(qiáng)調(diào)在教學(xué)過(guò)程通過(guò)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生掌握電源電動(dòng)勢(shì)與路端電壓和內(nèi)電壓的關(guān)系,加深對(duì)“閉合電路歐姆定律”的理解,并能夠運(yùn)用能量轉(zhuǎn)化及其守恒對(duì)之加以解釋,且力求做到學(xué)以致用.[2]這些要求提綱挈領(lǐng),但在教科書的編寫和教學(xué)實(shí)施中,我們還應(yīng)根據(jù)“閉合電路歐姆定律”的內(nèi)容特點(diǎn)和已有相關(guān)教學(xué)研究成果,將其進(jìn)一步具體化,才能使之得以更好地體現(xiàn)和落實(shí).

“閉合電路歐姆定律”既是電學(xué)基本概念的綜合,又是理論和實(shí)驗(yàn)的體現(xiàn),同時(shí)物理學(xué)家歐姆的研究過(guò)程又具有重要的教育意義.正是由于其復(fù)雜性,學(xué)生在學(xué)習(xí)該內(nèi)容時(shí)存在著不少困難.有關(guān)研究表明,學(xué)生在學(xué)習(xí)“閉合電路歐姆定律”時(shí),對(duì)內(nèi)電路認(rèn)識(shí)模糊,對(duì)電源內(nèi)阻的存在感到疑惑,而教科書的編排側(cè)重理論分析,使得推導(dǎo)過(guò)程囿于數(shù)學(xué)形式的表征,學(xué)生難以深刻理解.[3]因此,根據(jù)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的總體目標(biāo),結(jié)合“閉合電路歐姆定律”內(nèi)容特點(diǎn)和學(xué)生學(xué)習(xí)困難,該教學(xué)目標(biāo)重新擬定如下.

(1) 通過(guò)對(duì)物理學(xué)家歐姆及其電學(xué)研究工作的了解,使學(xué)生熟悉閉合電路歐姆定律建立方法,領(lǐng)會(huì)物理學(xué)家科學(xué)探究的歷程,培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新的意識(shí),加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解.

(2) 通過(guò)實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生形成電源內(nèi)阻的概念,掌握電源電動(dòng)勢(shì)與路端電壓和內(nèi)電壓的關(guān)系,熟悉閉合電路歐姆定律的基本內(nèi)容,體驗(yàn)科學(xué)探究的實(shí)際過(guò)程,培養(yǎng)科學(xué)推理能力和正確的科學(xué)態(tài)度.

(3) 通過(guò)理論分析和邏輯演繹,幫助學(xué)生理解閉合電路歐姆定律的本質(zhì),認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的不同方法,培養(yǎng)科學(xué)論證能力,形成能量觀念.

2 高中物理“閉合電路歐姆定律”的教學(xué)設(shè)計(jì)思想

根據(jù)重新擬定的教學(xué)目標(biāo),高中物理“閉合電路歐姆定律”一節(jié)的教學(xué)以“科學(xué)探究”為中軸、“知識(shí)鏈”與“要素鏈”交織構(gòu)成內(nèi)容主體進(jìn)行設(shè)計(jì),既能夠較為全面地體現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的總體目標(biāo),又能更好地反映該內(nèi)容的知識(shí)特點(diǎn)和有效地幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)中的各種困難.這一設(shè)計(jì)思想如圖1所示.

圖1 “閉合電路歐姆定律”教學(xué)設(shè)計(jì)框架示意圖

科學(xué)探究既是科學(xué)內(nèi)容重要組成部分之一,又是學(xué)生學(xué)習(xí)的重要方式,百余年來(lái)對(duì)科學(xué)課程和教學(xué)改革產(chǎn)生了重要的影響.[4]“科學(xué)探究”作為“閉合電路歐姆定律”教學(xué)設(shè)計(jì)的中軸,貫穿教學(xué)全過(guò)程,既能體現(xiàn)科學(xué)探究的本質(zhì),又有利于教學(xué)過(guò)程的演進(jìn).根據(jù)圖1,在教學(xué)過(guò)程中,首先以歷史探究的方法,重演閉合電路歐姆定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程,滲透“質(zhì)疑創(chuàng)新”和“科學(xué)本質(zhì)”的教育;再通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究的方法,引導(dǎo)學(xué)生在認(rèn)識(shí)電源內(nèi)阻的基礎(chǔ)上,掌握閉合電路歐姆定律,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理能力和正確的科學(xué)態(tài)度;最后從能量觀點(diǎn)進(jìn)行理論探究,強(qiáng)化學(xué)生對(duì)閉合電路歐姆定律本質(zhì)的理解,體現(xiàn)“能量觀念”和“科學(xué)論證”要素.

這一思想要求我們?cè)凇伴]合電路歐姆定律”教學(xué)實(shí)施的各個(gè)環(huán)節(jié)加以充分落實(shí),才能達(dá)到所擬定的教學(xué)目標(biāo).

3 高中物理“閉合電路歐姆定律”教學(xué)的主要環(huán)節(jié)及實(shí)施建議

根據(jù)重新擬定的教學(xué)目標(biāo),結(jié)合圖1所示的設(shè)計(jì)思想,高中物理“閉合電路歐姆定律”一節(jié)教學(xué)過(guò)程包括以歷史探究引入新課、以實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)行新課教學(xué)和以理論探究鞏固提升等主要環(huán)節(jié).

3.1 歷史探究:追尋、再現(xiàn)“閉合電路歐姆定律”的建立過(guò)程

歐姆定律發(fā)現(xiàn)的過(guò)程本身具有重要的教育價(jià)值,前人對(duì)此做過(guò)一定程度的探討.[5]而采用歷史探究的方法,將歐姆的研究過(guò)程恰當(dāng)?shù)厝谌虢虒W(xué)中則能夠更好地發(fā)揮其教育功能.[6]鑒此,首先帶領(lǐng)學(xué)生共同回顧歐姆的生平及其主要研究工作,以他研究電路規(guī)律的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為著力點(diǎn),引入新課,在歷史的情境中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí).歐姆設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.[7]他創(chuàng)造性地將電流的磁效應(yīng)與庫(kù)侖扭秤相結(jié)合,利用扭秤將磁針的偏轉(zhuǎn)放大,從而能夠較為精確地測(cè)量電路中的電流,并且將不同長(zhǎng)度的被測(cè)導(dǎo)體插入盛有水銀的兩只杯中,通過(guò)改變電偶的溫度來(lái)改變電源電動(dòng)勢(shì),獲得多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),為總結(jié)電路的規(guī)律奠定了重要的基礎(chǔ).[8]

1. 懸吊的磁針；2. 被測(cè)導(dǎo)體； 3、4. 溫差電偶

在教學(xué)中,我們可以借用有研究者仿制的歐姆實(shí)驗(yàn)裝置(如圖3所示[7])進(jìn)行課堂演示.實(shí)驗(yàn)方法與圖2所示的裝置相類似,圖中指南針的偏轉(zhuǎn)顯示電流的大小,改變電偶接觸端的溫度便能改變電源電動(dòng)勢(shì),因而在很大程度上能夠再現(xiàn)歐姆的實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程.帶領(lǐng)學(xué)生重演科學(xué)家的探究活動(dòng),既能加深對(duì)物理規(guī)律的了解,又有助于理解科學(xué)發(fā)現(xiàn)的艱苦歷程,加強(qiáng)了對(duì)科學(xué)本質(zhì)的教育.[9]

1. 指南針；2. 被測(cè)導(dǎo)體； 3、4. 溫差電偶

因此，這些無(wú)疑為主體內(nèi)容的學(xué)習(xí)做了良好的鋪墊.

3.2 實(shí)驗(yàn)探究:概括、歸納“閉合電路歐姆定律”的主體結(jié)論

我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn),師生共同探究,建立閉合電路歐姆定律.實(shí)驗(yàn)裝置如圖4(a)所示.[10]首先,為了使學(xué)生認(rèn)識(shí)電源內(nèi)阻的存在,我們可以通過(guò)插入玻璃閘板改變電源的內(nèi)阻,引導(dǎo)學(xué)生觀察其對(duì)電路電流的影響,如圖4(b)所示.保持外電路電阻不變,在槽內(nèi)插入玻璃閘板,引導(dǎo)學(xué)生觀察閘板插入前后電源電動(dòng)勢(shì)和干路電流的變化,啟發(fā)學(xué)生思考產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因.通過(guò)分析,學(xué)生不難得到電源內(nèi)阻的存在,從而形成內(nèi)電路概念.[11]

再利用如圖4(c)所示的電路,師生共同定量探究電源電動(dòng)勢(shì)與路端電壓和內(nèi)電壓的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)時(shí),先記錄電源電動(dòng)勢(shì)大小,閉合開(kāi)關(guān)S后調(diào)節(jié)外電路電阻,記錄路端電壓和內(nèi)電壓的大小.指導(dǎo)學(xué)生用打氣裝置改變電源內(nèi)阻,重復(fù)實(shí)驗(yàn),記錄結(jié)果.

(a)

(b)

(c)

在此基礎(chǔ)上,師生共同分析數(shù)據(jù),歸納閉合電路歐姆定律的主體結(jié)論.進(jìn)而啟發(fā)學(xué)生利用歐姆定律,推導(dǎo)出閉合電路歐姆定律,并引導(dǎo)學(xué)生討論其適用條件和范圍.

在這一過(guò)程中,我們應(yīng)充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用,經(jīng)歷數(shù)據(jù)分析和基于證據(jù)發(fā)表見(jiàn)解等過(guò)程,培養(yǎng)學(xué)生歸納推理、合作交流的能力和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,更好地實(shí)現(xiàn)既定的教學(xué)目標(biāo).

3.3 理論探究:分析、推演“閉合電路歐姆定律”的本質(zhì)內(nèi)容

結(jié)合“閉合電路歐姆定律”內(nèi)容特點(diǎn)和學(xué)生已有知識(shí),在教學(xué)過(guò)程中教師引導(dǎo)學(xué)生從能量轉(zhuǎn)化的角度分析電路、推演規(guī)律,促進(jìn)學(xué)生形成能量觀念.

然后,我們可以引導(dǎo)學(xué)生利用圖5所示的等效電路,分析閉合電路電勢(shì)高低變化,并通過(guò)水流模型進(jìn)行類比,加深學(xué)生對(duì)閉合電路電勢(shì)變化的認(rèn)識(shí).這樣不僅能夠深化學(xué)生對(duì)閉合電路歐姆定律本質(zhì)的理解,而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力.

圖5 閉合電路電勢(shì)高低變化