核心素养导向下“层进式问题串”的教学设计——以“电流计改装成欧姆表”为例

陈水勇

(福建省龙海第一中学,福建 漳州 363100)

物理学科核心素养是指“学生通过学科学习而逐渐形成的正确价值观念、必备品格和关键能力．包括物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任4个方面”．[1]物理教学中应如何开展有效教学,使物理核心素养真正落在实处,是所有一线物理教师的共同诉求．学生的核心素养不是与生俱来的,也不是一蹴而就的,需要教师在平常教学中不断加以引导训练,学生不断去体验感悟,因此教师需要深度备课,根据每节课的教学目标,借助具体的、层进式的问题情境,引导学生在问题解决的实践中逐渐加以形成．

“层进式问题串”是指在一定的学习范围或主题内,围绕一定目标或某一中心问题,按照一定逻辑结构精心设计的一组有梯度的问题．[2]“多用电表的原理与使用”是司南2003版高中物理选修3-1第4章第2节的内容,[3]教师们在上这节课时,大都觉得难以创新,一般都采用“传统讲授+习题”的教学方式,课后学生虽然能够使用欧姆表测量电阻,但对于使用欧姆表测电阻时,为什么要先欧姆(电)调零、欧姆表的刻度为什么左大有小、

刻度为什么不均匀等问题仍然一知半解,尤其对学生的科学探究及科学思维的能力得不到有效培养．笔者以此节课为例,说明高中物理教学如何通过设计“层进式问题串”,促进学生物理核心素养的形成．

1 利用问题串——任务驱动,有效导入

电流计改装成直接测量电阻的欧姆表,与之前学生学过的把电流计改装成电压表,内容有一定的联系．在新课导入环节,采用递进的若干个引导性的问题,在回顾旧知识的基础上引入要解决的问题,使学生产生认知需要．

问题1:你能否画出把一个电流计改装成电压表的电路图?求出待测电压U与通过电流计I的关系式?

图1

问题2:如果把电流计改装成3 V的电压表,如图1表盘刻度应怎样改标?

问题3:前面学过测电阻用什么方法?能否把电流计改装成直接测量电阻的欧姆表? 怎样改装?

设计意图:通过由浅入深的问题串,启发学生分析伏安法测电阻,既要用到电流表,又要用到电压表,还要用公式比较麻烦,从而使学生产生认知需要．引导学生分析被测电压U与Ig关系式U=Ig(Rg+R),得出被测电压U与Ig成正比,所以改装后的电压表刻度是均匀的．用问题串检测学生的学情,站在学生的角度备课,按照“最近发展区”的理论,有效引入新课,让学生发现新问题,激发学生的求知欲望,达到进入深度学习的启动状态,进而实现物理核心素养的培养．

2 利用问题串——问题驱动,理论探究

提出问题:如何把电流计改装成能够直接测量电阻的欧姆表?

问题1:把电流计改装成能够直接测量电阻的欧姆表,除了电流计G、被测电阻Rx外,还需要哪些器材?

教师提问:学生提出两种方案: (1) 干电池、导线、开关．(2) 干电池、变阻器、导线、开关．教师引导学生交流讨论得出还需要变阻器．因为如果没有变阻器,电流可能很大,甚至超过电流计的量程,所以应该选择第2方案,使学生学会能根据实验内容选择实验器材．

问题2:如何设计一个把电流计改装成能够直接测量电阻的欧姆表简单的电路?并求出Rx与I的关系式?

图2

师:Rx越小,I越________

生:Rx越小,I越大．

生:把一个已知阻值的电阻如Rx=10 Ω,接入电路,就可以求出Rg+R+r的值．

生:3种: (1)I>Ig; (2)I=Ig; (3)I

生:使Rx=0 Ω,再移动变阻器,直至电流达到满偏．

图3

问题4:如图3电路,若电源的电动势E=1.5 V,电流计满偏电流Ig=5 mA,A、B为接线柱,用导线把A、B直接连起来,调节变阻器电阻R使电流计恰好达到满偏电流,则Rg+R+r等于多少?

图4

问题5:如图4电路,若电源的电动势E=1.5 V,电流计满偏电流Ig=5 mA,保持R阻值不变,A、B间断开,此时Rx=________,电流表的示数I=________.

引导学生得出Rx→∞,I=0．

图5

问题6:如图5电路,若电源的电动势E=1.5 V,保持R阻值不变,如果把任意电阻Rx接在A、B间,求出Rx与I的关系式?Rx与I成什么关系?

表1 电流I所对应的被测电阻Rx的阻值

教师引导学生得出:I=4 mA时,Rx=75 Ω;I=3 mA时,Rx=200 Ω;I=2 mA时,Rx=450 Ω;I=1 mA时,Rx=1200 Ω．

图6

问题8: (1) 把如图6所示电流计的刻度都改标为对应电阻的阻值.

图7

用粘贴纸把对应的被测电阻的阻值粘贴在相应的电流的刻度板上,如图7．

(2) 观察图7欧姆表的刻度,有何特点?

引导学生得出:左密右疏、左大右小．

设计意图:如何充分利用表盘所有刻度及如何求出Rg+R+r的值是本节课的难点,也是培养学生科学思维、科学探究的着力点.为此教师利用层层递进的问题串,改灌输式为启发探究,并根据学生现场表现情况适时加以提示点拨,最终得出当Rx=0 Ω时,要调节变阻器阻值使电流满偏.这也就是为什么利用欧姆表测电阻前要先欧姆(电)调零的原因,真正落实了以学生为主体、教师为主导,以学定教的新课程理念．利用问题串解决问题的同时,教师还要注重培养学生良好的科学态度,如画电路图时规范使用直尺的良好习惯．

3 利用问题串——动手操作,实验探究

教学中我们理论上成功地把电流计改装成欧姆表,那么是不是能符合实际?能不能用实验加以验证呢?怎么做?

笔者根据教学实际设计如下问题.

问题1:现给你1节干电池(E=1.5 V,内阻未知),1个变阻器,1只量程为5 mA的电流表(内阻未知),一个电阻箱,如何连接电路,怎么操作来验证问题8中的数据?

图8

变阻器如果是滑动变阻器阻值不够大,可把滑动变阻器与电位器或定值电阻串联．请2个学生上台操作,把上述器材连成如图8所示电路,教师再根据学生的操作情况,设计系列小问题串,引导其他学生注意观察,该位学生的操作是否正确,实现师生互动、生生互动、合作交流．

问题(1)有没有先机械调零?

问题(2)连接电路时,开关是否断开?

问题(3)闭合开关前,滑动变阻器的滑片是否处于最大阻值处?

问题(4)接着有没有进行欧姆调零(电调零)?

问题2:用如图8装置验证表1的数据是否正确?如选择I=2 mA时,看被测电阻(电阻箱)Rx的示数是否是450 Ω?再请同学选择当被测电阻Rx=1200 Ω时,看电流计的示数是否是I=1 mA?

学生上台操作,电阻箱的阻值用实物投影仪显示在屏幕上．此时学生非常好奇,刚才理论探究的结果是否正确,对实验结果充满期待,当学生通过实验验证发现结果正确无误时,学生自发报以热烈的掌声．

设计意图:通过问题串设计,实现以下教学目标的达成:通过之前自己理论探究设计的实验器材及原理,现场动手实验操作进行验证．一方面让学生体会到探究成功的喜悦,学以致用的乐趣,提高学生学习物理的兴趣．另一方面通过动手操作达到加强欧姆表测电阻之前要先机械调零再欧姆(电)调零的动作记忆．

4 结语

以问题为主线、将实验探究与科学思维相结合,通过精心设计层层递进的“问题串”,从实验器材的选择、电路的设计、表盘的改标到现场用实验加以验证,既加深了学生对欧姆表原理的感性认识,又让学生切实体会到科学探究之美．采用问题串与学生互动,充分发挥教师的组织引导作用,引发学生积极的参与思考、互动交流讨论,有效地促成课堂的教学生成,有效保证学生思维活动的深入进行． 教学实践表明,在高中物理教学中,通过巧设“层进式问题串”,引导和推动学生深度参与探究,才能使学生的物理观念、思维方式、探究能力得到深刻而长远的发展,为实现物理核心素养的培养提供了有效的途径．