基于PCK理论下的高中物理教学路径分析——以“多用电表的原理”教学为例

王 辉

（江苏省宿迁中学，江苏 宿迁 223800）

在基础教育课程改革与实施的过程中，教师一直都是课程改革的重要参与者和实施者，尤其教师所具备的学科知识和教学知识，更是成为推动学科建设的不可缺少的重要因素.自20世纪80年代，随着教育研究的不断深化，学科教学知识（Pedagogical Content Knowledge）对促进教学和加强学生知识理解起到的作用引起更多学者关注和重视，探索PCK理论的应用也就显得极为重要.物理作为科学科目的重要组成部分，更加需要对PCK理论予以深入研究，将其与物理教学的开展相融合，让教师在物理教学中的作用得以充分发挥，才能从根本上实现学生综合能力的提升，才能让学生的物理思维得以发散.

1 PCK理论的内涵

PCK，简称PCK，是美国学者舒尔曼于1986年提出的一个概念，认为教师除了储备一般学科知识、教学知识之外，还需要具备学科教学知识，也就是教师能够将自己所掌握的学科知识转化为能够为学生所理解的知识，能够使学生简单易懂.这也使得专家教师与一般教师、学科专家区别开来.

就PCK内涵来说，其主要包括以下几个方面：学科的知识——指学科中最核心、最基本的知识，学科的思想、方法、精神和态度，对学生今后学习和发展最有价值的知识；课程的知识——知道某一知识在整个学科体系中的地位和作用，与上位知识和下位知识的联系，与新旧知识间的联系，与儿童生活、经验的联系；学生的知识——了解不同学生的认知基础、认识方式及差异，知道哪些知识学生容易理解、哪些问题容易混淆，学生常见的错误是什么，如何辨析和纠正；教学的知识——指为了达到教学目标的要求，根据学生的心理发展水平，而采取合适表征内容的教学手段和策略的知识.PCK与学科知识的区别在于它是为了有效地传授一门学科所必须拥有的知识，而不是知识本身；它是一种有关如何组织、呈现具体内容、问题，并使之适应不同学习者的兴趣和能力的理解.

2 PCK理论指导下的“多用电表的原理”的教学分析

2.1 学科的知识

中学物理是科学课程中非常重要的一门课，它对我们了解客观世界、学习探索世界的方法、培养科学的思维、形成科学的态度与责任等都有非常重要的作用.

物理规律教学是物理教学的重要组成部分.目的是阐述物理过程中内在的本质联系.教学中不仅要引导学生认识物理规律本身，了解它反映了哪些物理概念之间的联系和制约关系，而且要使学生了解它的研究方法和适用范围.欧姆表的原理是根据闭合电路欧姆定律，通过测量容易测得的电流，来实现测量较难测量的电阻，教学中要注意渗透这种转换测量的思想.学生要了解多用电表的基本结构，并通过实验，学会使用多用电表.

2.2 课程的知识

《普通高中物理课程标准》对“多用电表的原理”教学要求是：（1）通过对欧姆表的讨论，进一步提高应用闭合电路欧姆定律分析问题的能力，知道欧姆表测量电阻的原理.（2）了解欧姆表的内部结构和刻度特点.（3）了解多用电表的基本结构，知道多用电表的测量功能.教科书通过例题的方式来讲解欧姆表的原理，并没有把欧姆表作为知识点来处理，而是从闭合电路欧姆定律应用入手，旨在提高学生灵活运用知识解决实际问题的能力.在学习欧姆表的基础上，教科书通过“思考与讨论”“说一说”栏目让学生了解多用电表的基本结构，并通过实验，让学生学会使用多用电表.

2.3 学生的知识

PCK的核心内涵就是将学术形态的学科知识转化为教学形态的教学知识，以帮助学生理解、掌握和应用.了解学生的认知水平是我们教学设计的起点，要了解多用电表的原理，核心问题是多用电表在欧姆档时测量电阻的原理，即欧姆表的原理.而欧姆表原理的核心闭合电路欧姆定律，学生已经有基本认知，学生已经掌握了闭合电路欧姆定律的相关基本分析问题的能力.

2.4 教学的知识

PCK的本质是教师关注学生的学习知识.郝钦斯认为，“教育的目的就是理解，而理解之外的任何东西都是多余的”.PCK理论的应用将郝钦斯的此认知深化.高中物理不仅需要学生对学科知识予以深化理解，而且需要教师对学生的理解和思维状况的探究，基于学生的经验，促进学生的理解，让学生能够就所学习的学科与相关领域进行知识迁移，并达到更好的教学目的.让学生能够在基础知识得以进一步发展的基础上，达到实践能力的提升.因此，教学设计要从学生的角度来思考，心理学研究表明，学生在学习过程中，是根据自己已有的知识经验来理解新知识，当新知识与原有的知识经验发生矛盾时，就会产生认知冲突.因此，教师课堂教学中，应该有意识的引发这种认知冲突，产生解决这种冲突的需求，从而激发学生的求知欲，增强学习的积极性和主动性.

3 基于PCK理论的物理教学路径

3.1 引导知识回顾

PCK理论指出，教师在教学设计过程中，要从课程知识角度进行设计，注重学生知识的衔接性与学习的有效性.教师在进行知识讲解的过程中，则可以从学生所学习过的知识入手，逐步引导学生对新知识进行学习和掌握，从“旧”入“新”地进行知识引导，能够很好地实现教学效果的呈现，让学生的知识学习积极性得以提升.

例如，笔者在进行“多用电表的原理”教学过程中，便可以通过以下一道题目引导学生进行“旧”知识的回顾.

例1.如何将一个灵敏电流计改装成大量程的电流表和电压表？

（A）电流表：____（串或并）联一个____（大或小）的____（分压或分流）电阻；

（B）电压表：____（串或并）联一个____（大或小）的____（分压或分流）电阻.

这一道题是学生曾经学习过的电表改装.电流表和电压表都是由灵敏电流计加电阻组装而成的，它们都是根据电流的磁效应制作的，表内有一个磁铁和一个导电线圈.通电之后，磁铁会在电流作用下旋转，电流越大磁铁所产生的磁力也就越大，电流表的摆动幅度也就越大.而电流（压）表因为灵敏电流的通过，所允许通过的电流很小，两端所能够承受的电压也就很小.这样就需要通过并联/串联的方式起到电阻分流/分压的作用.通过这一道题目，学生则能够唤起并加深对改装电流表和电压表的相关知识的记忆.

（1）改装电流表.

并联的电阻能够起到分流的作用.这样就会让大部分电流通过并联的电阻，小部分电流经过表头.而并联的电阻的阻值R，可根据灵敏电流计的线圈阻值Rg、敏电流计最大量程Ig、电流表最大量程I来计算，所采用的计算公式是（I－Ig）R＝IgRg.

（2）改装电压表.

电压表是将灵敏电流计与一个阻值较大的电阻串联，串联的电阻能够起到分压的作用，即使加上两端比较大的电压，大部分电压也都加在串联的大电阻上，表头的电压就会很小.串联的电阻的阻值R，可根据公式U＝Ig（Rg＋R）计算（其中U为电压表最大量程、Rg为表头的内阻、Ig为满偏电流、R为应串联的电阻）.

立足于学生实际情况，从学生已学过的知识入手进行知识讲解，逐渐过渡到新知识的学习中来，能够很好地实现学生学习效率的提升，能够让学生的知识掌握更具连贯性，也是学生物理知识思维体系构建的重要推动，很好地实现了物理知识的传授，是PCK理论知识应用的重要方式之一.

3.2 理论应用结合

PCK理论的应用并不是简单倡导教师将知识灌输给学生，而是需要让学生“知其然”且“知其所以然”.这就需要教师在进行教学设计时候注重做好理论与应用的结合，既让学生了解物理知识原理，又让学生能够结合原理进行知识应用，让学生能够自行推动原理应用方法，真正做到“授之以渔”.

在进行“欧姆表的原理”教学过程中，首先需要传授学生该原理内涵.笔者并没有采用直接阐述欧姆表原理的方法，而是先让学生做一个闭合电路欧姆定律的例题.

例2.如图1所示电路中，电源的电动势E＝1.5V，内阻r＝0.5Ω，电流表满偏电流Ig＝10mA，电流表的电阻Rg＝7.5Ω，AB为接线柱.

图1

（1）用一条导线把A、B直接连起来，此时，应把可变电阻R1调节为多少才能使电流表恰好达到满偏电流？

（2）调至满偏后保持R1的值不变，在A、B间接入一个150Ω的定值电阻R2，电流表指针指着多少刻度的位置？

（3）如果把任意电阻R接在A、B之间，电流表读数I与R的值有什么关系？

在这个例题的分析和解答中，通过具体的数据，使学生体会到闭合电路某一电阻的变化，会引起串联在电路中的电流表读数的变化，不同的电阻值和不同的电流表读数具有一一对应关系，引导学生联想电流表的读数可以用来表示该电阻的值，进而构建出一个欧姆表的电路模型.这段教学设计，把欧姆表这一新知识，建立在对原有学习过程的体验上，通过对该体验的创造性联想来形成新知识.

欧姆表的工作原理是依据物理学中的欧姆定律，在闭合电路条件下，电源的电动势与内部电阻保持恒定不变时，外电阻的数值将伴随着电路中的电流发生变化，在电路的电流、电动势、内电阻3者确定的情况下，根据欧姆定律的公式就可以计算出电阻数值.通过例题分析之后，学生对于该原理也有了一定程度的认识.为了巩固教学效果，这时笔者设计如表1所示的表格，并结合学生对于欧姆表原理的掌握程度，有针对性地再进行讲解和薄弱点强化，从而让学生深刻理解欧姆表刻度不均匀原因.这样学生的知识理解则能够上升到新的高度和层次，也能够让学生的知识掌握效果更好.教学设计如表1所示.

表1 欧姆表原理的教学活动设计

PCK理论指出，教师需要通过一定的措施实现教学内容表征与呈现手段的结合，让学生能够获得活动设计能力.教师也需要结合不同的教学内容，选择最优的教学策略，将学生从知识点的死记硬背中解脱出来，让学生能够从原理推导中实现题目的更好解答，对原理予以全面掌握.

3.3 实践应用探索

PCK理论提出，教师需要就学生学习过程中可能出现的困难予以充分认识，并探索更好的方式帮助学生解决困难，让不同认知程度的学生都能够深入理解所学习的知识内容，最大程度避免不同学生对知识的误解.借助实践活动的开展，不仅让课堂教学更为有趣，而且让学生能够从实践中提炼知识点，实现学生知识难度的跨越和解决.

例如，教师在进行“多用表原理”教学过程中，便可以设置实践活动，让学生来进行多用电表的改装和组装.教师可以首先就欧姆表进行电路改装连接：所组装的欧姆表包括干电池1节，电阻箱2个，灵敏电流计，滑动变阻器等，其中干电池为1.5V，内阻不知，灵敏电流计为100mA.并另行准备若干导线.教师在组装过程中“偶然”发现，欧姆表的两个接线柱短接了，这时候学生则发现，欧姆表的指针并未归零，此时就引发学生认识冲突，也让学生陷入思考，如何解决“欧姆调零”的问题.解决该问题之后，教师则可以继续连接电路的电源、电流，启发学生探索欧姆表内阻与欧姆调零之间的关系和意义.再由学生进行欧姆表的改装，引导学生在实践中验证提炼的理论是否正确.

此外，教师还可以给予学生机会让学生进行多用电表的组装，在组装过程中引导学生思考：3种电表在改装过程中是否有共同点，其本质是什么，让学生认识到电流表、电压表、欧姆表都与灵敏电流计的改装具有紧密关系，并由此而来.改装的本质都是电流与被测物理量之间建立来的一一对应关系.这其中还引导学生思考电压表、电流表、欧姆表都有1个表头，3个电表是否可以合用1个表头，并将电表3合1电路图绘制出来（如图2所示）.

图2 电表3合1电路图

实践是学生获得理论的真知，尤其对于高中物理教学的开展来说，更加需要借助实验的多样化引导学生对知识予以理解.这也是PCK理论知识所蕴含的丰富意义，是学生知识掌握的途径.教师在进行物理知识教学设计时候，也同样需要深悟PCK理论内涵，优化实验设计方式，从实验、实践活动中提升学生的知识理解层次.

3.4 题目解答渗透

物理作为高中教学的重要科目，依然需要通过题目设计的方式验证学生的知识掌握程度.尤其在当前考试大背景下，题目的设计和解答依然是高中物理教学不可缺少的重要内容.PCK理论在高中物理教学中的应用并不否定题目对于学生知识理解的重要作用，做好题目的设计，借助题目引导学生知识掌握，传递知识内涵也是教师所需要掌握的重要学科教学能力.

例如，笔者在进行“多用表原理”教学过程中，便可以给出以下例题.

例3.如图3所示，是一个多量程的多用电表示意图，请说出开关S调到哪两个位置多用电表测的是电流？电压？电阻？在测量电流或电压时，两个位置中哪一个量程大？

图3 多量程多用电表示意图

在进行此题目解答时候，教师则需要调动学生所学习掌握的知识，引导学生认识电流表应与电阻串并联.由图3可知当转换开关S旋到位置1、2位置是电流表，此时并联电阻越小，量程大.欧姆表要连接电源，那么开关S调到3、4两个位置上时，多用电表测量的是电阻.如果要想测量电压，电流表与电阻需要串联，结合图3可以看到当转换开关S旋到位置5、6时，对电压进行测量，电流表所串联的电阻越大，所测量的电压值也就越大.

通过这样一道题目，可以将学生之前所学习的知识点串联起来，让学生所学习的知识真正做到融会贯通，达到学以致用的目的.结合本题目，教师还可以设置其他问题，如当开关S调到任意位置上时，都需要把A、B两表笔短接，对电表进行调零等，再就学生的物理思维予以延伸，亦或者对题目进行“变型”，由此引申其他问题.这都能够让学生从一个“点”出发探索出“面”的知识点，让学生能够真正理解题目的解答方式.

例题对于高中物理教学的开展具有重要作用和影响，也是学生知识巩固的重要方式.教师也需要就例题予以深入分析和思考，将PCK理论内涵融入到例题设计中来，就学生的知识予以深化，帮助学生建立题目解答思维和路径，让学生的解题能力越来越强，让学生的知识应用综合能力得以提升.

物理学科知识在学科体系构建中占据重要位置，是最基础、最核心、最重要的物理知识，能够让学生的学科精神得以构建，让学生的思维体系得以建立，对于学生的知识掌握以及综合能力提升都具有重要作用和意义.依据《普通高中物理课程标准》中的物理教学目的、一线物理教师的要求，以及高中生思维特点，教师更加需要具备基本、核心、重要的知识体系，并将所掌握的知识以简单易懂、化繁为简的方式教授给学生，从学生的学习动机、学习兴趣入手引导学生进入到物理知识的学习中来，对学生的思维状况予以深入研究，帮助学生解决学习中的困扰.相信通过PCK理论的不断深化和与物理学科的结合探索，物理教学的开展将会上升到新的高度，学生对于物理的学习过程也将会有新的感悟和体验，物理学科的教学也将会走上创新之路.