指向真实问题解决的物理中考复习教学设计①<br/>——以“欧姆定律”为例

指向真实问题解决的物理中考复习教学设计①
——以“欧姆定律”为例

2024-01-26顾红霞

物理之友 2023年10期

顾红霞

(江苏省无锡市积余实验学校,江苏无锡 214043)

物理学科核心素养是物理课程育人价值的集中体现,包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面,是学生通过物理课程学习逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的正确价值观、必备品格和关键能力。由此可见,学生的学习行为应该在真实问题解决中发生,[1]开展指向真实问题解决的课堂教学是落实核心素养培养目标的有效途径。

物理中考复习课通常的模式是：先进行快节奏、大容量的知识点回顾和梳理,然后通过“例题讲解、习题训练”提升复习效果。这样的复习课未能触及学生深层的兴趣和思维,未能触及概念、规律背后的意义与价值,弱化了学生对学习内容的高阶认知与思维训练,制约了学生核心素养的发展。

依据核心内容设计有思维深度的真实问题,将知识融入到相应的学习任务中,把学习变成一个个探究活动,使学生在活动中体验真实问题解决的过程,促进学生在真实问题解决中拓展认知广度及深度,有效提升学生发现问题、解决问题的关键能力。本文以欧姆定律复习为例,展示指向真实问题解决的物理中考复习课设计的实践与思考。

1 教学内容分析

依据《义务教育物理课程标准(2022年版)》,苏科版初中物理教材中第十四章《欧姆定律》属于一级主题“能量”下的二级主题“电磁能”,“电磁能”内容编排结构如图1所示,本章是初中物理中承上启下的核心内容,知识的重点是电阻概念与欧姆定律,教材中设置的主要学习活动如表1所示。由此可见,实验探究是本章的主要学习方式,复习课仍以实验为主线展开是恰当的。学生通过新课学习,了解了欧姆定律的相关知识,虽然他们看起来似乎习得了大量的事实性知识,却并没有在更深的层次上理解它,不能有效融会贯通,在新情境下难以正确建构模型、应用知识解决问题。综合分析江苏省各市中考物理试题,其命题原则是：基于课程标准,关注学习过程,重视情境创设,考查必备知识与关键能力,以此引导初中物理教学明确方向和满足学生发展诉求。因此,本章复习的思路是：以真实问题为切入点,以实验探究为主线,从新的角度、高度,促进学生从整体上把握本章内容的基本结构,使学生的认知水平和物理观念达到更高的层次,运用所学知识在新的情境中解决问题,[2]提升学生的核心素养。

表1

图1

2 学习目标设计与教学过程

2.1 学习目标

研读课标、教材,分析学情,以激发学生学习兴趣、促进学生思维发展、提升学生解决新问题的能力为宗旨,制定本节课的学习目标如下：

(1) 能画出用伏安法测量铅笔芯电阻的实验电路图;

(2) 能设计实验,研究铅笔芯电阻随温度的变化规律;

(3) 经历设计制作电子温度计的过程,能说出其工作原理,说明将非电学量转化为电学量的方法。

2.2 教学流程

围绕本章知识重点：电阻与欧姆定律,设计核心问题,在进阶学习中培养学生的关键能力,教学流程如图2。

图2

2.3 实施教学

2.3.1 引入实验

实验器材为：干电池、0.5 mm铅笔芯、导线、开关等。教师演示铅笔芯发光实验(图3)。

图3

师：闭合开关,铅笔芯为什么能发光?

生：由于电流的热效应。

师：铅笔芯“发光”时温度要达到800 ℃左右,手摸导线,感觉到它烫吗?为什么?

生：不烫,因为导线电阻比较小。

师：铅笔芯的电阻与导线电阻相比较,到底有多大?

学生的猜想多种多样,且数据相差很大(从几欧到几千欧)。

设计意图：有的学生在复习中思维处于懒散的状态,视而不见,听而不闻,感而不觉。消除这种状态的良方,就是创生学习的“惊奇感”。[3]用学生身边的学习用品——铅笔芯,利用简单电路,紧扣本章主题创设令人惊奇的真实情境——铅笔芯发光,充分激发学生的学习欲望和思维积极性,并在情境中自然引出真实问题：如何测量高温下铅笔芯的电阻?对此学生感兴趣、似乎能解决,却又将遇到新困难、解决后能带来新价值,“原理清晰、操作方便、现象惊奇、主题突出”是创设真实问题情境的关键。

2.3.2 任务驱动

铅笔芯发光时温度很高,直接测量存在安全隐患,师生通过讨论确定研究思路：先测量室温下铅笔芯的电阻,再研究温度对铅笔芯电阻的影响,最后对铅笔芯发光时的电阻做出预判。

任务1：测量室温下铅笔芯的电阻。

师：如何测量室温下铅笔芯的电阻?

生：运用伏安法,测出铅笔芯两端的电压和流过铅笔芯的电流,计算出电阻。

师：请画出用伏安法测电阻的实验电路图。

学生在学案上画出实验电路图,师生分享、评价实验电路图。

师：实验时注意不要将铅笔芯长时间通电,为什么?

生：铅笔芯会发热。

师：如果实验时用手摸,发现铅笔芯的温度升高,怎么处理?

生：断开开关,等铅笔芯温度降低后再实验。

学生分组实验并处理数据,在实验过程中同伴间合作学习、互相评价。

师：我们做了3次测量,以哪个测量结果作为铅笔芯电阻的测量值?这样做的目的是什么?

生：取平均值,以减小误差。

设计意图：依据学生已有的知识和能力水平展开教学,符合最近发展区理论,学生在问题的驱动下,积极调用已有的知识解决问题,既可以复习旧知,又可以从中了解学情,突出本章的核心实验。学生在问题解决中回顾电流表、电压表、滑动变阻器的使用方法,并能排除简单的实验故障,收集并处理实验数据,总结得出结论。在问题驱动下的同伴合作学习、互相评价是提升复习效果的有效途径。

任务2：探究铅笔芯的电阻与温度的关系。

师：如何设计实验,研究铅笔芯的电阻随温度变化的规律?根据什么现象可以反映铅笔芯电阻大小的变化?

生：用灯的亮度、电流表示数。

师：铅笔芯与灯、电流表如何连接?

生：串联。

教师演示实验,闭合开关,电流表示数为182.7 mA(图4),给铅笔芯加热,观察到了什么现象?说明什么?

图4

生：电流表示数变大,说明铅笔芯温度越高,电阻越小。

师：但灯的亮度几乎没有改变,说明什么?

生：说明温度升高时,铅笔芯电阻的减小并不明显。

总结：观察灯的亮度无法反映铅笔芯电阻的变化,用数字电流表的示数变化来反映铅笔芯电阻的变化。

师：发光时的铅笔芯温度很高,但接入电路中的长度比图4中的短,且更细(直径为0.5 mm),你能对发光时铅笔芯的电阻大小作出预判吗?

学生根据已有知识和实验数据无法作出判断。

师：如果铅笔芯发光时的电阻比任务1中的测量值大,铅笔芯发光实验中的电源是由10节干电池串联而成的,用我们手边的电流表、电压表来测量电阻,哪只电表可能满足不了测量要求?

生：电流表量程可能太小,不能满足测量要求。

总结：实验器材的革新对推动实验研究有很大的作用,数字电流表、电压表帮我们解决了实验难题。

教师引导学生运用伏安法测电阻,连接电路,进行实验(图5)。

图5

师：根据实验数据,请你计算这段铅笔芯发光时的电阻是多少?

学生计算出铅笔芯发光时的电阻为2.02欧。

师：我们试着测量出了铅笔芯发光时的电阻,遗憾的是不知道铅笔芯发光时温度的准确值。直接测量温度有困难,你有破解困局的方法吗?

生：寻找铅笔芯电阻与温度的变化规律。

教师补充介绍：早在1821年英国科学家戴维研究了金属电阻随温度变化的规律,与铅笔芯的主要成份石墨不同,金属电阻随温度的升高而增大,图6为铂的R-t图像。

图6

师：研究导体电阻与温度的关系有什么现实意义?

生：根据电阻的大小可知道温度的高低。

师：1876年德国西门子公司制造出第一支铂电阻温度计,现在铂电阻温度计测温的范围可达200～850 ℃,这实现了将非电学量(温度)的测量转化为电学量(电阻)的测量。

设计意图：在解决真实问题的过程中,难免遇到各种困难。通过任务驱动,带着学生经历边解决困难、边深入探究的过程,让他们像科学家一样,对未知的新问题进行思考、探索。解决一个个真实问题的过程,就是“把前人从事智力活动的思想、方法转化为学生的认识能力和思维方式”的过程,是“把蕴含在知识载体中的观念、态度转化为学生的行为准则”的过程。[4]只有让这些认识能力、思维方式、行为准则成为学生可以自动调用的心智模型,核心素养的培养目标才能得以达成。

任务3：设计、制作电子温度计。

教师模拟演示电子温度计测温,如图7所示,闭合开关,电压表的示数是0.9 V,一位同学用手捂热敏电阻,使其升温,发现电压表示数增大。