魯佩用

(南京育英第二外國(guó)語(yǔ)學(xué)校,江蘇 南京 210044)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》在“跨學(xué)科實(shí)踐”二級(jí)主題“物理學(xué)與日常生活”中提出了“能發(fā)現(xiàn)日常生活中有關(guān)問(wèn)題,提出解決方案”的內(nèi)容要求。[1]在初中物理跨學(xué)科實(shí)踐中,可以借助生活現(xiàn)象創(chuàng)設(shè)情境,引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,從物理學(xué)角度提出解決問(wèn)題的方法,并付諸實(shí)踐,項(xiàng)目化學(xué)習(xí)就是實(shí)施“跨學(xué)科實(shí)踐”的一種有效途徑。

1 項(xiàng)目化學(xué)習(xí)簡(jiǎn)介

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)以下要素:(1) 運(yùn)用真實(shí)的驅(qū)動(dòng)型問(wèn)題;(2) 在情境中對(duì)問(wèn)題展開(kāi)探究;(3) 用項(xiàng)目化小組的方式進(jìn)行學(xué)習(xí);(4) 運(yùn)用各種工具和資源促進(jìn)問(wèn)題解決;(5) 產(chǎn)出可以公開(kāi)發(fā)表的成果。[2]由此可見(jiàn),項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的關(guān)鍵是明確學(xué)習(xí)目標(biāo),重視學(xué)生對(duì)核心知識(shí)的理解和科學(xué)思維能力的培養(yǎng),進(jìn)而提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

在初中物理教學(xué)中運(yùn)用“等效替代法”測(cè)電阻,涉及電路基本特點(diǎn)、歐姆定律等知識(shí),對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維、運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)等能力的要求較高?！暗刃娲ā笔墙鼛啄瓿踔形锢韺W(xué)業(yè)評(píng)價(jià)的熱點(diǎn),且學(xué)生的得分率偏低。

筆者將“等效替代法”測(cè)電阻的教學(xué)設(shè)計(jì)成一個(gè)可操作的項(xiàng)目,學(xué)生共同參與,經(jīng)歷項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的過(guò)程,讓學(xué)生在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中促進(jìn)知識(shí)的遷移,找到解決問(wèn)題的方法,以促進(jìn)其思維品質(zhì)和實(shí)踐能力的發(fā)展。

2 項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)

在物理教學(xué)中開(kāi)展項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的基本要素可以簡(jiǎn)化為情境、目標(biāo)、探究、模型和實(shí)踐,以項(xiàng)目為載體,以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力為核心。基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的“等效替代法”測(cè)電阻的教學(xué)流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1

2.1 再現(xiàn)“曹沖稱象”

以“曹沖稱象”的再現(xiàn)引入項(xiàng)目。

(1) 情境創(chuàng)設(shè)

在大水槽中倒入適量的紅墨水,將一個(gè)大象玩具放入玻璃容器中,使其漂浮在水面,用記號(hào)筆標(biāo)出玻璃容器與水面相平的位置(圖2)。

圖2

(2) 場(chǎng)景再現(xiàn)

取出大象玩具,在玻璃容器中放入小石塊,直到水面再次與標(biāo)記線相平,然后將石塊和大象玩具分別放入調(diào)好的天平左、右兩盤(pán),發(fā)現(xiàn)天平平衡。

(3) 問(wèn)題解決

分析“曹沖稱象”的物理原理和方法,學(xué)生歸納、了解“等效替代法”,并且進(jìn)行舉例佐證。

(4) 項(xiàng)目任務(wù)

提出用“等效替代法”測(cè)電阻的項(xiàng)目。

(5) 案例分析

在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)開(kāi)始前,教師依據(jù)教學(xué)目標(biāo)創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目情境,通過(guò)驅(qū)動(dòng)型問(wèn)題,將學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與實(shí)際問(wèn)題緊密聯(lián)系起來(lái)。對(duì)于“曹沖稱象”的故事大家耳熟能詳,課堂上讓學(xué)生先了解它的物理原理,為后面“等效替代法”測(cè)電阻項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施做準(zhǔn)備。

2.2 設(shè)計(jì)運(yùn)用“等效替代法”測(cè)電阻的實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1 運(yùn)用“單一替代法”測(cè)電阻

(1) 項(xiàng)目任務(wù)

測(cè)量如圖3所示電路中的未知電阻Rx的阻值,其中R為電阻箱,S為單刀雙擲開(kāi)關(guān),R0為定值電阻。

圖3

(2) 驅(qū)動(dòng)問(wèn)題

為什么電阻箱的阻值等于Rx的阻值?能否先接入電阻箱?

(3) 任務(wù)解讀

該項(xiàng)目任務(wù)源自蘇科版初中物理教材第十四章第二節(jié)“變阻器”課后“WWW”,由于實(shí)驗(yàn)原理和操作都相對(duì)簡(jiǎn)單,直接用電阻箱接入電路的阻值替代待測(cè)電阻的阻值。雖然學(xué)生憑直覺(jué)能很容易得到未知電阻的阻值大小,但由于“替代法”測(cè)電阻是基于歐姆定律的測(cè)量性實(shí)驗(yàn),因此,要引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)歐姆定律,利用總電壓和總電流大小不變,確定電路中總電阻不變,從而推導(dǎo)出待測(cè)電阻阻值與電阻箱阻值之間的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上使學(xué)生明白“等效”是“替代”的前提條件以及“誰(shuí)替代誰(shuí)”。

項(xiàng)目任務(wù)中沒(méi)有涉及電壓表和滑動(dòng)變阻器等其它元件,如果教師只是進(jìn)行“操作手冊(cè)”式的講解,學(xué)生學(xué)到的僅僅是相關(guān)實(shí)驗(yàn)的操作步驟,而不能真正理解隱藏在每一步操作背后的物理原理,那么,絕大部分同學(xué)不會(huì)真正理解“替代”測(cè)量的含義和方法本質(zhì)。因此,教師可以展示圖4甲和乙,設(shè)計(jì)如下問(wèn)題串。

圖4

問(wèn)題1：如圖4甲和乙所示,能否將圖3中的R0換成燈泡或滑動(dòng)變阻器?燈泡和滑動(dòng)變阻器在電路中的作用是什么?

排砂冷采不進(jìn)行防砂，所以單井出砂量很大。排砂冷采完全依靠天然能量進(jìn)行開(kāi)采，初期產(chǎn)量很高，但是持續(xù)時(shí)間比較短，采收率較低。由于地層形成了“蚯蚓洞”所以若后期轉(zhuǎn)注水和注汽措施容易發(fā)生氣竄水竄，另一方面“蚯蚓洞”一旦遭遇邊底水入侵開(kāi)采效果將會(huì)劇降。

問(wèn)題2：在使用滑動(dòng)變阻器的過(guò)程中要注意什么?

問(wèn)題3：能否改用電壓表?若可行,請(qǐng)畫(huà)出電壓表的位置。如圖4丙所示,也可以把電壓表并聯(lián)在c、d兩點(diǎn),如何用等效替代法測(cè)量Rx的阻值?

(4) 案例分析

將圖3電路中的定值電阻R0換成滑動(dòng)變阻器或燈泡、電阻箱等,都只是形式上的變化,作用是一樣的,都是為了保護(hù)電路,測(cè)量原理沒(méi)有發(fā)生改變。把電流表?yè)Q成電壓表,也就是把“電流”相等改為“電壓”相等,測(cè)量原理仍然相同。當(dāng)然,在待測(cè)電阻Rx接入前、后,由于電路總電阻不變,為了使電阻箱顯示的阻值等于待測(cè)電阻的阻值,就必須保持滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值不變,這是“等效替代法”的核心思想所在。

2.2.2 運(yùn)用“組合替代法”測(cè)電阻

(1) 項(xiàng)目任務(wù)

用如圖5所示的電路測(cè)R2的阻值,其中R為電阻箱,R0為定值電阻,且阻值未知,要求僅利用電阻箱的讀數(shù)表達(dá)R2的阻值。

圖5

(2) 驅(qū)動(dòng)問(wèn)題

(3) 任務(wù)解讀

由于電阻箱的位置由支路上變到干路上,導(dǎo)致電阻箱的作用發(fā)生了變化,由替代者變成了既是替代者也是被替代者,往往會(huì)導(dǎo)致學(xué)生束手無(wú)策。如果學(xué)生能通過(guò)兩次電流相等,確定電路總電阻不變,即可順利解決問(wèn)題。也有學(xué)生提出:當(dāng)開(kāi)關(guān)由a改接到b時(shí),相當(dāng)于在電路中增加一個(gè)電阻R2,要保持電路的總電阻不變,只要調(diào)節(jié)電阻箱使其阻值減小R2即可,因此,電阻箱前后兩次的差值即為R2的阻值。

(4) 案例分析

項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程就是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下,根據(jù)任務(wù)的需要,對(duì)學(xué)習(xí)進(jìn)行規(guī)劃的過(guò)程。在教學(xué)中圍繞“等效替代法”測(cè)電阻這一目標(biāo)進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì),精心設(shè)計(jì)問(wèn)題串,通過(guò)方案對(duì)比,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維,深化學(xué)生對(duì)“等效替代法”和歐姆定律的理解。

2.3 運(yùn)用“等效替代法”實(shí)測(cè)人體電阻

(1) 項(xiàng)目任務(wù)

提供的實(shí)驗(yàn)器材為電阻箱、干電池、靈敏電流計(jì)、導(dǎo)線等,要求測(cè)出兩只手之間的電阻。

(2) 項(xiàng)目實(shí)施

如圖6甲所示,通電前,調(diào)節(jié)靈敏電流計(jì)的指針指向中間零刻度線,將兩只手接入電路,靈敏電流計(jì)的指針向右偏轉(zhuǎn)了5格。如圖6乙所示,將電阻箱接入電路,調(diào)節(jié)電阻箱,使靈敏電流計(jì)的指針再次向右偏轉(zhuǎn)5格,讀出此時(shí)電阻箱的阻值為125 kΩ,即為兩只手之間的電阻。接著,讓另一位同學(xué)兩只手的手指接入電路,發(fā)現(xiàn)靈敏電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)角度不同,說(shuō)明不同學(xué)生兩只手之間的電阻不相同。

圖6

(3) 案例分析

“等效替代法”測(cè)電阻屬于測(cè)量類的綜合實(shí)踐項(xiàng)目,項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程就是學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)的過(guò)程。學(xué)生根據(jù)制定的計(jì)劃進(jìn)行項(xiàng)目化學(xué)習(xí),完成知識(shí)構(gòu)建。在用“等效替代法”測(cè)量人體電阻的活動(dòng)中,學(xué)生經(jīng)過(guò)親身體驗(yàn),又學(xué)會(huì)了一種測(cè)量電阻的方法。此外,在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過(guò)程中,學(xué)生自己嘗試解決問(wèn)題,提升了他們的綜合實(shí)踐能力。

2.4 總結(jié)“等效替代法”測(cè)電阻的策略

根據(jù)前面的學(xué)習(xí),師生共同總結(jié)“等效替代法”測(cè)電阻的策略:根據(jù)電流表或電壓表兩次測(cè)得的電學(xué)量相等和電源電壓不變,運(yùn)用歐姆定律推導(dǎo)出電路總電阻不變,并由此確定待測(cè)電阻和電阻箱阻值之間的數(shù)量關(guān)系。

案例分析:在運(yùn)用“等效替代法”測(cè)電阻的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中,只有建構(gòu)了物理模型,才能將繁雜的現(xiàn)象簡(jiǎn)單化,才能幫助學(xué)生建構(gòu)復(fù)雜和抽象的概念,以利于開(kāi)展問(wèn)題探究,切實(shí)提升物理學(xué)習(xí)的效率。學(xué)生在前面的學(xué)習(xí)中已經(jīng)明確了“等效替代法”測(cè)電阻的策略,不管“電流”等效還是“電壓”等效,也不管是“誰(shuí)替代誰(shuí)”,電路的總電阻總是保持不變。

2.5 “多次替代”測(cè)電阻

(1) 例題呈現(xiàn)

利用如圖7所示的實(shí)驗(yàn)電路來(lái)測(cè)量電阻的阻值。

圖7

① 將電阻箱接入a、b之間,閉合開(kāi)關(guān)。適當(dāng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R′后保持其阻值不變。

改變電阻箱的阻值R,得到一組電壓表的示數(shù)U和R的數(shù)據(jù)(表1),請(qǐng)根據(jù)表1中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫(huà)出U-R圖像。

表1

② 用待測(cè)電阻Rx替換電阻箱,此時(shí)電壓表的示數(shù)為2.00 V,由U-R圖像可得Rx=Ω。

(2) 例題解答

① 根據(jù)表1中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫(huà)出U-R關(guān)系圖像如圖8所示。

圖8

② 由U-R圖像可得Rx=20 Ω。

(3) 案例分析

在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)“等效替代法”測(cè)電阻的模型建構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過(guò)進(jìn)一步拓展應(yīng)用,促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的提高和物理觀念的形成。該例題出自高考題,由于電壓表的示數(shù)隨電阻箱接入電路的阻值的改變而改變,所以,當(dāng)待測(cè)電阻接入電路后,根據(jù)電壓表的示數(shù)和圖像可直觀求得待測(cè)電阻的阻值,即用電阻箱的阻值來(lái)替代待測(cè)電阻的阻值,并且可以多次替代。采用“多次替代”測(cè)電阻的方案不僅測(cè)量準(zhǔn)確,還可以培養(yǎng)學(xué)生利用圖像處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力。

3 結(jié)語(yǔ)

教師在尊重學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)情境,引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展項(xiàng)目化學(xué)習(xí),能促進(jìn)學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)物理規(guī)律的本質(zhì),提升他們的思維能力和綜合實(shí)踐能力。采用項(xiàng)目化學(xué)習(xí)方式開(kāi)展物理教學(xué)是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑,值得我們進(jìn)行更多的實(shí)踐研究。