核心素养目标下高中物理“闭合电路欧姆定律”教学设计及实施建议

周胜林 钱长炎

(安徽师范大学物理与电子信息学院,安徽 芜湖 241002)

“闭合电路欧姆定律”既是高中物理电学的重点,又是学生学习的难点.长期以来,该内容的教学等问题倍受广大物理教学研究者和高中物理教师的关注.本文根据学科核心素养的总体目标,深入分析新的课程标准对该内容的要求及其本身的知识特点,结合前人相关研究,重新定位其教学目标,以“科学探究”为中轴、“知识链”与“要素链”交织构成内容主体设计教学,并对教学实施提出一些建议,以期为学科核心素养目标下的高中物理课堂教学提供有益的参考.

1 高中物理“闭合电路欧姆定律”教学目标的确定

学生核心素养的培养是我国基础教育课程改革进入一个新时期的重要标志和热门课题.新的高中物理课程标准说明:物理学科核心素养主要包括“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”4个方面.[1]因而,高中物理课程重要内容的教学目标都必须依此重新加以设定.

对于“闭合电路欧姆定律”,新的课程标准要求学生学习达到“理解”的水平.[1]对此,相应的课标解读作了进一步说明:强调在教学过程通过实验帮助学生掌握电源电动势与路端电压和内电压的关系,加深对“闭合电路欧姆定律”的理解,并能够运用能量转化及其守恒对之加以解释,且力求做到学以致用.[2]这些要求提纲挈领,但在教科书的编写和教学实施中,我们还应根据“闭合电路欧姆定律”的内容特点和已有相关教学研究成果,将其进一步具体化,才能使之得以更好地体现和落实.

“闭合电路欧姆定律”既是电学基本概念的综合,又是理论和实验的体现,同时物理学家欧姆的研究过程又具有重要的教育意义.正是由于其复杂性,学生在学习该内容时存在着不少困难.有关研究表明,学生在学习“闭合电路欧姆定律”时,对内电路认识模糊,对电源内阻的存在感到疑惑,而教科书的编排侧重理论分析,使得推导过程囿于数学形式的表征,学生难以深刻理解.[3]因此,根据物理学科核心素养的总体目标,结合“闭合电路欧姆定律”内容特点和学生学习困难,该教学目标重新拟定如下.

(1) 通过对物理学家欧姆及其电学研究工作的了解,使学生熟悉闭合电路欧姆定律建立方法,领会物理学家科学探究的历程,培养质疑创新的意识,加深对科学本质的理解.

(2) 通过实验,引导学生形成电源内阻的概念,掌握电源电动势与路端电压和内电压的关系,熟悉闭合电路欧姆定律的基本内容,体验科学探究的实际过程,培养科学推理能力和正确的科学态度.

(3) 通过理论分析和逻辑演绎,帮助学生理解闭合电路欧姆定律的本质,认识科学探究的不同方法,培养科学论证能力,形成能量观念.

2 高中物理“闭合电路欧姆定律”的教学设计思想

根据重新拟定的教学目标,高中物理“闭合电路欧姆定律”一节的教学以“科学探究”为中轴、“知识链”与“要素链”交织构成内容主体进行设计,既能够较为全面地体现物理学科核心素养的总体目标,又能更好地反映该内容的知识特点和有效地帮助学生克服学习中的各种困难.这一设计思想如图1所示.

图1 “闭合电路欧姆定律”教学设计框架示意图

科学探究既是科学内容重要组成部分之一,又是学生学习的重要方式,百余年来对科学课程和教学改革产生了重要的影响.[4]“科学探究”作为“闭合电路欧姆定律”教学设计的中轴,贯穿教学全过程,既能体现科学探究的本质,又有利于教学过程的演进.根据图1,在教学过程中,首先以历史探究的方法,重演闭合电路欧姆定律的发现过程,渗透“质疑创新”和“科学本质”的教育;再通过实验探究的方法,引导学生在认识电源内阻的基础上,掌握闭合电路欧姆定律,培养学生科学推理能力和正确的科学态度;最后从能量观点进行理论探究,强化学生对闭合电路欧姆定律本质的理解,体现“能量观念”和“科学论证”要素.

这一思想要求我们在“闭合电路欧姆定律”教学实施的各个环节加以充分落实,才能达到所拟定的教学目标.

3 高中物理“闭合电路欧姆定律”教学的主要环节及实施建议

根据重新拟定的教学目标,结合图1所示的设计思想,高中物理“闭合电路欧姆定律”一节教学过程包括以历史探究引入新课、以实验探究进行新课教学和以理论探究巩固提升等主要环节.

3.1 历史探究:追寻、再现“闭合电路欧姆定律”的建立过程

欧姆定律发现的过程本身具有重要的教育价值,前人对此做过一定程度的探讨.[5]而采用历史探究的方法,将欧姆的研究过程恰当地融入教学中则能够更好地发挥其教育功能.[6]鉴此,首先带领学生共同回顾欧姆的生平及其主要研究工作,以他研究电路规律的创新实验为着力点,引入新课,在历史的情境中培养学生创新意识.欧姆设计的实验装置如图2所示.[7]他创造性地将电流的磁效应与库仑扭秤相结合,利用扭秤将磁针的偏转放大,从而能够较为精确地测量电路中的电流,并且将不同长度的被测导体插入盛有水银的两只杯中,通过改变电偶的温度来改变电源电动势,获得多组实验数据,为总结电路的规律奠定了重要的基础.[8]

1. 悬吊的磁针；2. 被测导体； 3、4. 温差电偶

在教学中,我们可以借用有研究者仿制的欧姆实验装置(如图3所示[7])进行课堂演示.实验方法与图2所示的装置相类似,图中指南针的偏转显示电流的大小,改变电偶接触端的温度便能改变电源电动势,因而在很大程度上能够再现欧姆的实验研究过程.带领学生重演科学家的探究活动,既能加深对物理规律的了解,又有助于理解科学发现的艰苦历程,加强了对科学本质的教育.[9]

1. 指南针；2. 被测导体； 3、4. 温差电偶

因此，这些无疑为主体内容的学习做了良好的铺垫.

3.2 实验探究:概括、归纳“闭合电路欧姆定律”的主体结论

我们可以通过实验,师生共同探究,建立闭合电路欧姆定律.实验装置如图4(a)所示.[10]首先,为了使学生认识电源内阻的存在,我们可以通过插入玻璃闸板改变电源的内阻,引导学生观察其对电路电流的影响,如图4(b)所示.保持外电路电阻不变,在槽内插入玻璃闸板,引导学生观察闸板插入前后电源电动势和干路电流的变化,启发学生思考产生这种现象的原因.通过分析,学生不难得到电源内阻的存在,从而形成内电路概念.[11]

再利用如图4(c)所示的电路,师生共同定量探究电源电动势与路端电压和内电压的关系.实验时,先记录电源电动势大小,闭合开关S后调节外电路电阻,记录路端电压和内电压的大小.指导学生用打气装置改变电源内阻,重复实验,记录结果.

(a)

(b)

(c)

在此基础上,师生共同分析数据,归纳闭合电路欧姆定律的主体结论.进而启发学生利用欧姆定律,推导出闭合电路欧姆定律,并引导学生讨论其适用条件和范围.

在这一过程中,我们应充分发挥学生的主体作用,经历数据分析和基于证据发表见解等过程,培养学生归纳推理、合作交流的能力和实事求是的科学态度,更好地实现既定的教学目标.

3.3 理论探究:分析、推演“闭合电路欧姆定律”的本质内容

结合“闭合电路欧姆定律”内容特点和学生已有知识,在教学过程中教师引导学生从能量转化的角度分析电路、推演规律,促进学生形成能量观念.

然后,我们可以引导学生利用图5所示的等效电路,分析闭合电路电势高低变化,并通过水流模型进行类比,加深学生对闭合电路电势变化的认识.这样不仅能够深化学生对闭合电路欧姆定律本质的理解,而且有利于培养学生的科学论证能力.

图5 闭合电路电势高低变化