孔大海

(寧波市慈湖中學(xué)，浙江 寧波 315000)

學(xué)科核心素養(yǎng)提出以來,激發(fā)了一線教師的研究熱潮,撰寫出了大量的以落實核心素養(yǎng)為主題的課堂教學(xué)案例.這些案例中新課教學(xué)居多,復(fù)習(xí)課較少.這是因為學(xué)生在新課教學(xué)中已經(jīng)初步形成了相關(guān)的物理觀念,已經(jīng)完成了有關(guān)的實驗探究,已經(jīng)進行了有關(guān)的模型建構(gòu),所以這給復(fù)習(xí)課中落實學(xué)科核心素養(yǎng)帶來了一定難度.復(fù)習(xí)課在高中階段占據(jù)了至少1/3的時間,占有重要的地位,所以研究復(fù)習(xí)課中核心素養(yǎng)的落實具有重要的現(xiàn)實意義.

真實情境是落實核心素養(yǎng)的一個重要抓手,在復(fù)習(xí)課中也不例外.通過創(chuàng)設(shè)真實的物理情境,帶領(lǐng)學(xué)生走向真實的世界,可使學(xué)習(xí)更接近學(xué)生的生活體驗,更能調(diào)動他們?nèi)康母兄蜕罱?jīng)驗去探究去思考問題,讓學(xué)生從一個知識的獲得者變成知識的探索者和發(fā)現(xiàn)者,在情境應(yīng)用中將物理觀念、科學(xué)思維、實驗探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等學(xué)科核心素養(yǎng)納入到課堂中來,讓核心素養(yǎng)落地.[1]本文以“描繪小燈泡伏安特性曲線”為例,講述了如何通過呈現(xiàn)真實情景,落實高三電學(xué)實驗復(fù)習(xí)課中物理核心素養(yǎng)的達成.

1 教學(xué)片段及評析

片段1:聯(lián)系生活,創(chuàng)設(shè)情境.

教師:PPT展示生活中常用的各種燈泡(如圖1所示),請同學(xué)們辨別哪些是白熾燈?

學(xué)生:思考、爭論,回答問題.

圖1 生活中常見的各種燈泡

教師:這7個燈泡分別是2.5 V小燈泡、220 V節(jié)能燈、12 V汽車前大燈、220 V白熾燈、220 V浴霸燈、4-22 V寬電壓LED燈和12 V的LED燈,白熾燈是通過燈絲發(fā)熱進行照明的,所以A、C、D、E都屬于白熾燈的范疇.

評析:從生活經(jīng)驗入手,首先讓學(xué)生來辨別本節(jié)課的研究對象,增強物理與生活的聯(lián)系,將實際生活的物品轉(zhuǎn)換成物理實驗的研究對象,拉近本節(jié)課與學(xué)生之間的距離,實現(xiàn)讓學(xué)生用所學(xué)的知識分析、解釋生產(chǎn)生活中的實際問題.

片段2:重溫實驗,呈現(xiàn)問題.

環(huán)節(jié)1:播放視頻,請學(xué)生糾錯.

教師:這是某位同學(xué)在做2.5 V小燈泡伏安特性曲線實驗時錄制的一段視頻(視頻地址見文末,下同),實驗中教師提供有滑動變阻器10 Ω、100 Ω各一個,電壓表和電流表各一個,1.5 V干電池3節(jié),導(dǎo)線若干,請同學(xué)們觀看視頻并找出他操作不當?shù)牡胤饺鐖D2所示為實驗過程中的截圖.

學(xué)生1:應(yīng)該選用分壓電路;

學(xué)生2:滑動變阻器應(yīng)該選用10 Ω;

學(xué)生3:電流表應(yīng)該外接;

……

圖2 描繪小燈泡伏安特性曲線實驗過程的開始和結(jié)束時截圖

環(huán)節(jié)2:展示本實驗的實物圖(圖3),請同學(xué)們根據(jù)剛才找出的問題正確連接.

評析:實驗復(fù)習(xí)如果不進行實驗操作,僅進行一番理論分析和題目訓(xùn)練,到最后題目可能會做了,但是物理的核心素養(yǎng)卻依然停留在原地.所以事先通過師生合作錄制實驗的操作過程,一方面讓學(xué)生在動態(tài)的實驗操作中尋找問題,讓復(fù)習(xí)課不再是紙上談兵,提高了復(fù)習(xí)的有效性；另一方面激發(fā)學(xué)生興趣,因為實驗操作是來自自己周邊的同學(xué)所做,使得學(xué)生在觀看視頻的時候有一種親切感.

圖3 描繪小燈泡伏安特性曲線實驗實物圖

片段3:知識問題化,問題情景化.

根據(jù)學(xué)生們回答的視頻中存在的問題,教師通過設(shè)置3個針對性的問題進行設(shè)問,不但要知道這樣做是正確的,同時還要明白為什么.

環(huán)節(jié)1:控制電路的選擇:為什么選擇分壓而不選限流?

教師:兩種電路中電壓的調(diào)節(jié)范圍具有什么特點?在分壓電路中對滑動變阻器的額定電流有什么要求?

學(xué)生:分壓電路可以從0開始調(diào)節(jié)燈泡的電壓,所以相比于限流電路它的調(diào)節(jié)范圍更大一些.分壓電路中有兩個支路,所以滑動變阻器的額定電流要求相對大一些.

環(huán)節(jié)2:實驗器材的選擇:為什么要選用10 Ω的滑動變阻器?

教師:在分壓電路中選用10 Ω和100 Ω都可以實現(xiàn)小燈泡的電壓從0開始調(diào)節(jié)到額定值,那為什么你認為選用10 Ω比100 Ω的滑動變阻器更好呢?

學(xué)生:陷入沉思……

教師:我們來看一段視頻,也許視頻中的一些信息能幫助我們解惑,請同學(xué)們討論回答你看到了什么?

學(xué)生:視頻中當選擇10 Ω時,整個過程電表變化相對比較均勻,而換成100 Ω時,電表表現(xiàn)為先緩慢增大,滑動變阻器移動最后一小段距離時示數(shù)變化較快,調(diào)節(jié)不方便.

教師:真實的實驗視頻幫我們找到了答案,如圖4所示,當電流表都約為0.10 A,電壓表都約為0.20 V時,(a)圖10 Ω的滑動變阻器才剛開始移動了一點,而(b)圖100 Ω的滑動變阻器已經(jīng)移動超過了一半,所以從實驗操作的靈敏性上來講,10 Ω勝過100 Ω.

圖4

教師:電表的變化為什么會是這樣的過程?實驗的背后隱藏著怎樣的規(guī)律呢?

學(xué)生:再次陷于沉思……

變形可得

設(shè)E=4.5 V,L=1 m,則Ux-x函數(shù)圖像可以用幾何畫板來動態(tài)演示k取不同值時形狀的變化.[2]如圖5所示,給出了k=1、5、10時的圖像,結(jié)合剛才的實驗視頻和現(xiàn)在的圖像你有什么想說的?

圖5 燈泡兩端的電壓與滑動變阻器移動距離x之間的關(guān)系圖像

學(xué)生:由圖像可知,k值越大,也就是滑動變阻器比燈泡電阻大的越多,電壓在前半程變化越不明顯,和燈泡電阻相差不多時,比如k=1,電壓隨著滑動變阻器的移動呈現(xiàn)出較為均勻的變化,圖像表達的信息和拍攝的實驗視頻規(guī)律是一致的.

環(huán)節(jié)3:測量電路的選擇:電流表內(nèi)外接該如何選擇?

圖6 試觸法判斷測量水果電池時電流表的接法

學(xué)生:視頻中我們看到當采用圖6(a)所示的電路時,電壓表和電流表示數(shù)約為0.54 V和122 μA,當采用圖6(b)所示的電路時,讀數(shù)分別為0.24 V和165 μA.數(shù)據(jù)表明電壓表變化的幅度更大一些,說明電流表分壓作用比較明顯,所以應(yīng)采用圖(a)的接法.

圖7 兩種電路接法中路端電壓和電流的關(guān)系曲線

教師:同學(xué)們通過視頻中提供的數(shù)據(jù)得出的結(jié)論對不對呢?我們來看一下實驗驗證的結(jié)果.如圖7所示,由(a)、(b)兩種電路測量的數(shù)據(jù)得出水果電池內(nèi)阻分別為866.13 Ω和3512.5 Ω,通過數(shù)字式多用電表(電壓擋內(nèi)阻極大,電流擋內(nèi)阻極小)測量得到水果電池的電阻約為990 Ω,微安表的內(nèi)阻約為2500 Ω,根據(jù)這樣的實驗結(jié)果你有什么想說的?

學(xué)生:圖(a)電路的實驗結(jié)果更接近真實值,試觸法的結(jié)論是對的.

教師:其實按照圖(b)的接法,我們測量得到的結(jié)果應(yīng)該是水果電池和電流表內(nèi)阻之和:990+2500=3490(Ω),這與實際結(jié)果3512.5Ω非常接近,這其實就是內(nèi)接法的實質(zhì).

評析:控制電路、測量電路和實驗器材的選擇是電學(xué)實驗中3個核心問題.我們通過設(shè)置具體的實驗向?qū)W生展示為什么做出這樣的選擇,而不是空洞、抽象地進行理論分析.比如環(huán)節(jié)2是通過實驗視頻來創(chuàng)設(shè)真實情景,讓學(xué)生在觀察中獲取證據(jù)得出結(jié)論,然后又通過理論推導(dǎo)來解釋實驗現(xiàn)象,形成了問題、證據(jù)、解釋、交流一個完整的科學(xué)探究過程,學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)無疑會得到提高.環(huán)節(jié)3由于試觸法在小燈泡的實驗中并不明顯,所以我們選擇了水果電池這個實驗.試觸法是我們比較容易忽視的一個環(huán)節(jié),通過設(shè)立真實的情景加深了學(xué)生對這一方法的印象和理解.

片段4:真題演練 鞏固提高.

例題.某實驗小組對2.5 V、12 V、220 V 3種白熾燈泡進行了伏安特性曲線研究.

(1) 研究小組用測得的數(shù)據(jù)描繪出了2.5 V小燈泡的伏安特性曲線,如圖8,對此圖像下列說法正確的是(不定項)

(B) 后半段斜率幾乎不變,可以認為此時燈泡電阻近似不變.

(C) 由圖像可知,燈泡的電阻一直在增大.

(D) 小燈泡變亮的原因是燈絲的溫度越來越高了.

圖8 2.5 V小燈泡伏安特性曲線

(2) 在研究12 V汽車前大燈伏安特性曲線的時候,王同學(xué)是電壓從0逐漸增加到12 V,張同學(xué)是從12 V逐漸減小到0,王同學(xué)的數(shù)據(jù)在圖9中是用________(填a或b)表示的.

(3) 在研究220 V白熾燈時,研究小組選擇了60 W、200 W、247 W燈泡開展研究,并畫出了他們的I-U圖像,如圖10,請你選出屬于60 W白熾燈的那一組數(shù)據(jù).

圖9 12 V汽車燈泡伏安特性曲線

圖10 3種不同功率的白熾燈伏安特性曲線

(4) 根據(jù)第(3)問中I-U圖像可以畫出3種燈泡的R-U圖像,如圖11(a)所示,將其局部放大如圖11(b)所示.如果將圖11(b)中3條曲線順勢延長與縱軸相交,這個交點的縱坐標表示的電阻其物理意義是什么?

圖11

片段5:課后微課.

課堂時間是有限的,為了進一步激發(fā)學(xué)生們學(xué)習(xí)物理的熱情,保持對自然界的好奇心和求知欲,筆者錄制了3節(jié)拓展型微課,供學(xué)生們進一步開闊眼界,提升自己的科學(xué)素養(yǎng),他們分別如下.

(1) 220 V 3種功率60 W、200 W、247 W的白熾燈的冷態(tài)電阻測量.圖12(a)為247 W白熾燈的測量結(jié)果,與例題第(4)問中通過R-U圖像得到的冷態(tài)電阻非常接近.

(2) 白熾燈燈絲裸露在空氣中和油中的伏安特性曲線對比,如圖12(b)所示.

(3) 測量節(jié)能燈、LED燈伏安特性曲線,圖12(c)是節(jié)能燈的伏安特性曲線.

圖12

2 本節(jié)課的亮點、不足和學(xué)生反饋

亮點1:本節(jié)課通過錄制實驗視頻將知識、問題、情景相互交融,讓學(xué)生在真實情境中進行思維加工,基于事實得出結(jié)論,較好地落實了新課程改革所倡導(dǎo)的提高學(xué)生物理核心素養(yǎng)的要求.同時錄制的實驗視頻以及課后錄制的微課具有可重復(fù)性、便利性、真實性,既提高了課堂效率,又能呈現(xiàn)出物理的真實情景,比傳統(tǒng)的高三實驗復(fù)習(xí)有一定的創(chuàng)新,拍攝實驗視頻是高三實驗復(fù)習(xí)的一個值得研究的新的方向.

亮點2:本節(jié)課中所有的實驗數(shù)據(jù)均是真實數(shù)據(jù),且部分實驗是由師生合作完成,通過研究這些真實的物理問題,帶領(lǐng)學(xué)生走向真實的世界,讓學(xué)生從一個知識的獲得者變成知識的探索者和發(fā)現(xiàn)者,有效促進了學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展.

亮點3:在例題中將課本上的2.5 V小燈泡的實驗擴展到了生活中常用的12 V和220 V的白熾燈,打通了課本知識和真實生活之間的橋梁,讓學(xué)生走向社會,用自己所學(xué)的知識分析、解釋社會實踐中的實際問題,讓學(xué)生體驗在分析解決實踐問題中成功的愉悅,增強勇于承擔社會責(zé)任的信心,進一步落實了物理核心素養(yǎng).

不足:雖然視頻都是真實的拍攝過程,但畢竟不是現(xiàn)場實驗,所以學(xué)生的動手操作、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等能力,還有待于教師在實踐中培養(yǎng),這樣才能切實提高學(xué)生的實驗?zāi)芰?[3]

學(xué)生反饋1:這雖然是一節(jié)高三復(fù)習(xí)課,但教師由2.5 V小燈泡擴展到了12 V和220 V白熾燈,而且呈現(xiàn)的都是真實的實驗數(shù)據(jù),筆者感覺上了一節(jié)特別真實的物理課.

學(xué)生反饋2:老師給我們提供了大量的素材,比如老師在講解滑動變阻器的選擇問題時,我們通過觀看實驗視頻獲取了證據(jù),在函數(shù)圖像中進一步明白了視頻中電壓變化規(guī)律的原因,知識的獲取不再是老師的灌輸講解,而是變成了自我發(fā)現(xiàn).

備注:本節(jié)課中涉及的視頻和微課均在:https://pan.baidu.com/s/1tGLrX4Wy7kaCTD-YlGhL9BA 提取碼:whov