基于核心素养的物理教学设计——以“水果电池”为例

艾 彤

(北京市第十五中学,北京 100054)

物理学科核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会需要的必备品格和关键能力,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。

在“水果电池”这节课的设计和实施中，笔者始终以物理学科核心素养为目标，首先通过学生的原有认知和新知识间的差异创设物理情境，引发学生的认知冲突，使学生产生探究的好奇心和求知欲，引出本节课要探究的问题：(1)如何通过实验来判断水果电池的正负极？(2)影响水果电池电压大小的因素有哪些？在探究过程中注重培养学生发现问题、提出问题、通过合作解决问题的能力，让学生体验到成功的喜悦。最后将水果电池与生活实际相联系，渗透STSE的教育理念，培养学生的科学态度与责任。

1 教材分析

水果电池在人教版物理教材第十六章第一节中出现，但教材中仅介绍了水果电池的电压。本节课以水果电池为载体，综合教材中发光二极管的单向导电性、电流表和电压表的应用等内容，作为本节课第一部分重点研究的内容。本节课第二部分又对水果电池的电压做了更为深入的研究，运用控制变量法探究了影响水果电池电压的相关因素。最后一部分在学生现有基础上进行提升，为高中学习电池内阻内容做铺垫。

2 学情分析

学生已经学习了电学的主要内容，包括电压、欧姆定律、电功率等，本节课设计的出发点是培养学生的动手能力和综合分析问题的能力，激发学生学习物理的兴趣。教学过程中涉及用传感器测量水果电池和干电池内电阻的问题，教师提前完成，实验结果在本节课上直接引用，为学生在高中学习电池的内阻埋下伏笔。

3 教学目标

(1)通过实验探究，会判断水果电池的正、负极。

(2)通过探究影响水果电池电压大小的因素，学习制定实验方案，培养学生控制实验条件的意识。

(3)通过合作交流，表述自己的观点，培养学生语言表达、收集信息、交流的能力。

(4)将美味水果与物理相联系，激发学生学习物理的兴趣，再通过自主探究，培养学生的团队精神和合作意识。

4 教学设计

4.1 新课引入

展示各种水果，演示实验1:利用水果电池使电子钟工作(图1)。

图1

演示实验2:将其中一个柠檬电池与一个发光二极管相连，发现二极管不发光。

提出问题:二极管不发光的原因可能是什么?

学生分析：(1)二极管和电源的正负极接反了；(2)水果电池的电压太小了。

引出本节课主要研究的两个问题：(1)如何通过实验来判断水果电池的正负极？(2)影响水果电池电压大小的因素有哪些？

4.2 分组探究水果电池的正负极

提出问题:可以借助哪些电学实验元件？如何来判断水果电池的正负极？

实验器材：二极管、电流表或电压表。

学生实验:(1)两人一小组，用柠檬、铜片和锌片制作水果电池。(2)请三个小组合作，将3个水果电池串联作为电源。(3)用一只二极管判断3个水果电池串联后电源的正负极。

交流讨论：(1)如何判断电源正负极？(2)判断结果是什么？

实验结论：铜片是正极，锌片是负极。

4.3 探究影响水果电池电压的因素

学生猜想：水果种类、电极的材料、电极间距、电极插入水果的深度(插入的面积)、水果大小、水果所含汁液的多少等。

今天我们只研究水果种类、电极材料、电极间距、电极插入水果的深度等4个因素。请同学们提出可供探究的科学问题，如探究水果电池电压大小与电极间距的大小关系。

教师引导分析：需要关注几个量？自变量是什么？电极间距如何测量？因变量是什么？如何测量？测量时应控制哪个变量？如何控制其不变？

学生两人一组，分组实验，每组研究一个问题，按以下步骤进行实验：(1)收集实验数据；(2)通过归纳得出实验结论；(3)探讨实验操作过程中遇到的问题及解决方法；(4)探讨实验中的新发现。

4.4 利用图像法分析问题

物理实验中的图像法是一种整理、分析数据的有效方法，图线可以直观、简洁地显示出因变量随着自变量变化的趋势或规律。

教师补充水果电池电压大小与电极间距、插入深度的两张物理图像(图2)。

图2

提出问题:观察图2，你有什么新发现？

学生回答：水果电池的电压随着电极间距的增大而减小，并且减小得越来越慢。水果电池的电压随着电极插入深度的增加而增大，并且增大得越来越慢。

4.5 水果电池内阻问题

演示实验:一节干电池可以使小灯泡发光，测量三个水果电池串联后的电压，然后与小灯泡串联，观察现象。

如图3所示，学生观察到三个水果电池串联后的电压可以达到4V以上，但此时却不能使小灯泡发光。

图3

提出问题:一节干电池能使小灯泡发光，水果电池的电压比一节干电池还大，却不能使小灯泡发光，原因是什么？

学生猜想：根据小灯泡不发光推测小灯泡的实际功率小，又根据P=I2R，可以推知电路中的电流过小，导致电路中电流过小的原因可能是电源内部存在着较大的电阻。

实验验证:教师通过电压和电流传感器测出水果电池内部的电阻R≈1200Ω，验证了学生的猜想。

5 教学反思

在本节课的教学中学生乐于动手参与，积极合作交流，整节课体现了学生的主体性，教师在教学中主要起到引导作用，提高了学生的探究能力、学习兴趣和参与意识。

(1)整节课的教学设计具有开放性，让学生做到真探究、真实验。实验结束后再由学生分析实验数据，通过交流得出结论。

(2)激发了学生的探究兴趣，水果是他们喜爱的食物，用水果来做实验研究，充分调动了学生的积极性，激发了他们的研究兴趣。

(3)在教学中渗透了初、高中物理教学的衔接，比如水果电池正负极的化学原理，以及水果电池的内阻问题。教师通过实验提出问题，让学生有所了解，但真正解决问题要在高中的学习中进行。