基于学习进阶理论的教学设计

吕薇　王诗嘉　刘立华

摘要：“闭合电路欧姆定律”作为“恒定电流”这一章教学的重难点，同时也是整个电流与电路板块的核心内容。在教学实践时，学生往往无法掌握定律的应用，课堂效果无法达到预期结果，学习进阶理论可帮助解决这一问题，使课堂设计清晰简洁，为教师提供了一条高效备课的路径。

关键词：学习进阶;教学设计;闭合电路欧姆定律

中图分类号：G642.42     文献标志码：A      文章编号：1674-9324（2020）13-0171-03

一、引言

初中阶段学生已对欧姆定律有了初步认识，高中阶段学生于此基础上在“恒定电流”第三节继续学习了欧姆定律。但教学实践中发现学生仍旧会知识混淆，如电源两端电压与电源电动势就经常认为是一个物理量，对两者之间的实质没有做具体划分，导致学生难以理解，在闭合电路欧姆定律的习题中就会感到困难。学习进阶理论可帮助我们提供解决问题的思路，在“闭合电路欧姆定律”的教学设计中，以学习进阶理论为线索，按照说明指引寻找进阶目标、进阶起点、进阶策略和途径，进阶目标从新课程标准和学生对于物理学科知识汲取需求程度来设定，进阶起点从学生已有的知识水平和教师授课经验角度设计，进阶策略和途径从学生的认知与思维转换能力和身心特征情况选取。最终，将线索联系为清晰脉络构建完整课堂，以此来解决课堂效果达不到预期的问题。

二、学习进阶理论概述

美国国家研究理事会（NRC）将学习进阶定义为：“学习进阶是对学生连贯且逐渐深入的思维方式的假定描述，在一个适当的时间跨度下，学生学习和探究某一重要的知识或者实践领域时，其思维方式逐渐进阶。”[1]

学习进阶理论常常描述学习者在习得某一模块内容时，需要分阶段学习这一内容，相邻两个阶段之间存在物理逻辑关系，通過不断深化对于前一阶段内容的认知结构，促进对核心概念的理解，后一阶段对该概念的学习都是以拓展前一阶段的内容为线索，最终目的是促进学科素养发展。学习进阶主要探究如何提供适合学生认知发展的学习路线，这条学习路线是学生在学习某一模块的核心概念时，思维所遵循心理与生理相互适应的路线。如一些基本知识呈前进式与螺旋式排列，通过内在的逻辑关系隐形的线索，组成了一条简洁路线。

三、基于学习进阶理论的“闭合电路欧姆定律”教学设计

我国学者王较过等人认为由于年龄和认知能力发展水平的限制，中学生对核心概念的学习不可能一步到位，必须经历一个循序渐进，逐步深化的过程。[2]高中阶段学生已对欧姆定律形成一定的认识水平，并且电路部分的学习是在之前内容上的深度拓展。

（一）教材分析

本节课位于教材中的第二章第七节，而关于电源电动势、欧姆定律以及焦耳定律等基本概念在前六节已一一呈现，从本节课开始综合电学基本知识，以闭合电路欧姆定律为核心内容进行电学实际运用，所以这节课教师要引导学生从功能关系角度得出闭合电路欧姆定律，然后研究路端电压与负载之间存在什么关系，从而为物理走向社会的核心理念储备知识基础。

（二）学情分析

高二学生在学习本节课之前，通过对“恒定电流”前三节的学习，掌握了部分电路欧姆定律、电源电动势、内阻等方面的知识。现阶段的学生已可以在教师辅助下，独立进行科学探究过程，且对头脑中的事物认知发展可进行繁杂抽象活动。

（三）进阶目标

学生在学习本节课后需掌握闭合电路欧姆定律的推导过程，通过基本电学实验深入理解路端电压与负载的关系，并且在实验基础上，与数学相结合描绘出路端电压与电流的U-I图像，了解图像的物理意义，在领会定律基础上进行灵活运用。

（四）进阶起点

从教材编排以及学习顺序可知，学生在本章第二节已学习了电源电动势的定义及其物理意义，给出一些基本电学元件，能够将其依次连接，原理为部分电路欧姆定律。在此基础上，利用功能关系推导出闭合电路欧姆定律。

（五）进阶层次划分与主要教学活动设计

1.进阶第一层次：认识闭合电路及电路中电势变化情况

问题1：如图1所示，请同学们概括出闭合电路的组成。

学生回答：导线、用电器、开关和电源。

教师给出内外电路的定义：内电路为电源内部，包括电源内阻;外电路为除了电源内部的部分。

问题2：请同学们思考闭合回路的电流方向和电势是如何变化的？

学生回答：在外电路中，电流方向由正极流向负极，在内电路中，由负极流向正极。

关于电势的变化：在外电路中，静电力把正电荷从电势高处移至电势低处，沿电流方向来看，电势在降低;在内电路中，非静电力把正电荷从电势低处移至电势高处，沿电流方向电势“跃升”，如图2所示。

设计思路：通过本部分内容的讨论分析，巩固了要学习内容的核心概念，认识了解电路的组成部分，与之前学习的电路相比，发现对于电路的理解更加的深入，对于接下来的逻辑推理起到层层递进的作用。从学生已掌握的知识出发，是教师在教学时常选择的课堂引入途径，符合学生现阶段的逻辑思维推导过程。

2.进阶第二层次：讨论思考闭合电路中的能量转化

问题3：如图2所示，同学们思考讨论以下问题：

当电路为通路时，若外电路为纯电阻电路，电阻为R，求在时间t内外电路中有多少电能转化为内能？若考虑内电路有电阻为r，求有多少电能转化为内能？

求电源在通路时，电源内部非静电力做了多少功？以上各能量之间有什么关系？

学生可得出结果为：纯电阻电路中，外电路中电能全部用于转化为内能，所以Q1=I2Rt;内电路中的电能也全部转化为内能，所以Q1=I2rt;非静电力所做功为W=Eq=EIt;根据能量守恒定律，W=Q1+Q1，即：EIt=I2Rt +I2rt，E=IR+Ir

设计思路：将电路分段研究能量变化情况，从功能关系探究电路中的能量变化关系，可以更宏观地认识能量守恒在电学中的适用程度。对于电学部分课堂呈现，可以避免教师独自一人公式推导，在条件允许时，主张提高学生课堂参与度。

3.进阶第三层次：归纳总结闭合电路欧姆定律

在一系列的物理知识理论铺垫下，讨论总结出公式：E=IR+Ir，推导出I=，总结出闭合电路欧姆定律的内容为：闭合电路中的电流跟电源的电动势成正比，跟内、外电路的电阻之和成反比。I=为表达式，常用表达式有：E=I（R+r）;E=U1+U1;U1=E-Ir。I= 或E=I（R+r）只适用于外电路为纯电阻的闭合电路，E=U1+U1;U1=E-Ir适用于所有的闭合电路。

设计思路：通过第一、第二层次的阶段学习，推导出闭合电路欧姆定律。在这一过程中，教师要将知识网络构建出清晰的学习路径，最终统筹形成科学思维，物理观念也基本形成，为下一阶段的学习奠基坚实的基础。

4.进阶第四层次：探究路端电压与负载的关系

教师先引入外电路两端的电压叫路端电压，也是外电压。

问题4：若已知电路中E、r均为定值，探究当外电阻R变化时，电路中的电流I如何变化？

学生可根据上一层次推导出的公式回答：据I= 可知，R增大时I减小;R减小时I增大。

问题5：若外电阻R减小，路端电压U1如何变化？

这部分内容主要通过实验操作来探究。演示实验：学生小组根据图6连接电路图。连接好电路后，要求同学改变外电阻的大小，使电阻逐渐减小，至少进行五次实验数据的改变。每一小组之间尽量使电阻减小的不同，最后得出的结论越有说服性。

数据整理后，分析实验数据，互相交流，得出结论。结论为：当外电阻减小时，电流增大，路端电压减小。再尝试用闭合电路欧姆定律解释：由I=可知，E=I（R+r），U1=E-Ir。

接下来讨论两种特殊情况，当外电路断开时，I为0，此时U1=E，当电源两端短路时，外电阻R=0，短路电流I=。

问题6：根据实验数据，以路端电压U为纵坐标，电流I为横坐标，作出U与I的图像分析。对数据进行描点作图，得出的图像如图4所示，趋近于一条直线，需分析的内容如下：（1）图像与纵轴的交点有什么物理意义？

（2）图像与横轴的交点有什么物理意义？

（3）图像的斜率有什么物理意义？

通过讨论交流得出结论：（1）图像与纵轴的交点为I=0时的情况，此时外电路处于断开的状态，路端电压为U-I图像的纵轴截距，此时U1=E。可根据这个道理测量电源的电动势。

（2）图像与横轴的交点为外电阻R=0时的情况，此时电源两端短路，电流为短路电流I1，短路电流对应U-I图像的横轴截距。

（3）斜率为内阻r=，此处的图像分析要与问题5中讨论分析得出的结论一一对应。

设计思路：通过演示实验探究路端电压与负载的关系，激发学生的探究欲望，第四层次的学习探究是本节课的拓展，是接下来的实际应用的知识基础。

5.进阶第五层次：应用闭合电路欧姆定律解决实际问题

问题7：如图5所示是某电源的外特性曲線，则下列结论正确的是（   ）

A.电源电动势为6.0v  B.电源的内阻为12？赘

C.电流为0.5A时的外电阻是0

D.电源的电压为5.2v时电流为0.5A

A.电源电动势的大小为U-I图像与纵轴的交点  正确

B.U-I图像的斜率K=r==1.6 错误

C.从图像可以看出，当电流为0.5A时，路端电压为5.2V，则由欧姆定律可知R==10.4？赘 错误

D.由图像可得出横坐标为0.5A，纵坐标为5.2v正确

设计思路：在进阶第一、第二、第三、第四层次的基础上，学生在已掌握闭合电路欧姆定律的基础上，使用已学习的路端电压与负载关系知识点，实验得出U-I图像的过程，正是可提供一种解题思路，这说明实验对于物理课堂的重要性，每一个教学活动的设计都是有依据的。

四、结语

在学习进阶理论指引下，将“闭合电路欧姆定律”的教学过程划分为五个进阶层次，每一阶段的学习目标更加明确，开拓了学生的科学思维。在对一节物理课进行教学设计时，若是教师使用学习进阶理论设计教学，不但学生对于知识的整体性会有更加清晰的认识，而且帮助教师高效备课，为整节课的流畅程度提供了保障。

参考文献：

[1]郭玉英;姚建欣.基于核心素养学习进阶的科学教学设计[J].课程.教材.教法，2016，（36），66-72.

[2]王较过，赵萍萍.概念图在中学物理核心概念学习进阶中的应用[J].中学物理教学参考，2015，44（21）：2-6.

Teaching Design Based on Learning Advanced Theory

——"The Law of Closed Circuit Ohm"

LV Wei， WANG Shi-jia， LIU Li-hua

（College of physics， Jilin Normal University， Siping， Jilin 136000， China）

Abstract： "Closed circuit Ohm's law" as the "constant current" chapter teaching difficulties， but also the core content of the whole current and circuit board block. In teaching practice， students often can not grasp the application of the law， the classroom effect can not achieve the expected results， learning advanced theory can help solve this problem， make the classroom design clear and concise， for teachers to provide an efficient path to prepare lessons.

Key words：learning advanced ; teaching design ; closed circuit Ohm's Law