“问题导向”驱动 促进观念建构——以多用电表原理的复习为例

吕国通，邹韩仕

1.汕头经济特区林百欣中学，广东 汕头 515041

2.汕头市澄海苏北中学，广东 汕头 515829

新一轮课程改革正轰轰烈烈地实施推进，但笔者观察到，落实到课堂教学中的“模式化”“程序化”倾向仍比较严重，“形式化”“浅表化”“碎片化”问题仍较为突出。重知识传授、轻能力培养的状态仍没有从根本上得到改观，学生作为学习者的主体地位仍未能得到真正意义上的尊重[1]。可见，教师教育教学观念的更新和改变依然任重道远。

笔者以多用电表（直流电流电压挡和电阻挡）原理的复习教学为例，整合教材、活化教材，探讨在实验复习课中如何创设问题情境，并以此为驱动导向牵引，引发学生深度学习，培养学生物理观念，推进学科核心素养的培育，以期对高中物理教师开展实验复习教学有所启发。

1 基于深度学习的教学逻辑

深度学习反对碎片化、割裂式的知识获取方式，强调高级思维能力的培养，强调多种知识和信息间的联接，包括多学科知识融合及新旧知识的联系，指向知识的结构化和系统化。笔者在多用电表原理的复习教学中，整合人教版《普通高中课程标准实验教科书·物理》选修3-1[2]和选修3-2[3]的教学内容，融合相关的教材资源，创设一系列问题，其目的在于引导学生深入认识磁电式电流表的基本结构和功能，为后面的继续学习作铺垫。图1是教学的基本思路。其中，磁电式电流表的原理是问题导向的逻辑起点，电流表功能的变化拓展是问题导向的中心，“电阻”观念是问题导向的焦点。

图1 教学流程图

2 “问题导向”驱动下的教学实施要素探析

深度学习与机械学习的不同之处是，即使是低水平的认知过程（如科学概念的记忆与再认），也需要将其融入到更为真实、复杂的任务背景中，而不仅是回忆抽象的概念本身。“问题导向”驱动下的教学实施，注重在真实情境下引导学生回归问题的本质、本原，通过多维度的结构化情境，由一个问题中心进行发散、延展、迁移、聚合，从而帮助学生进入到知识“内部”，对知识进行重认和结构化组织，最终形成个性化的认知系统。

2.1 追本溯源，再识电表

对电流表原理的重认与深化，需要创设真实的任务背景，从不同维度的“是什么”“为什么”“怎么样”出发，引导学生再次感悟知识的来龙去脉。其教学过程如下：

2.1.1 再识磁电式电流表的结构

展示并演示G表，拆去后盖，实物投影配合图2介绍永久磁铁、极靴、铁质圆柱、线圈（绕在铝框上）、转轴、螺旋弹簧、刻度盘、指针、平衡锤、接线柱等。

图2 磁电式电流表结构示意图

2.1.2 问题导向驱动

问题1：磁电式电流表的物理学原理是什么？为什么指针偏转角度的大小可以反映通过电表电流的大小？体现什么思想方法？

学生通过新课学习基本原理：通电线圈在磁场中受安培力F作用发生转动，F=nBIL（n为线圈匝数，B⊥I）。引导学生观察其基本构造，领悟线圈无电流通过时，螺旋弹簧处于自然状态，线圈处于水平位置，指针指向零刻度；线圈通入电流时，线圈两对边的安培力使其绕中心轴转动，螺旋弹簧产生扭转阻力，当其与安培力作用效果相当时，线圈停在某一位置，指针指示相应电流大小。学生经历指针转动原理的深度“扫描”，自然体会到指针偏转角度的大小可反映通过电流的大小，体现转换的思想方法。

问题2：如图3所示，为什么两极靴与铁质圆柱间的磁场要这样设计？图中虚线圆周各处磁感应强度大小和方向怎样？

图3 均匀辐射分布的磁场

引导学生理解均匀辐射分布的功能：使磁场大小处处相等，方向沿半径方向。

问题3：两极靴间磁场是否如图4所示，为什么？……

图4 两极靴间可能磁场

引导学生通过磁感线不能相交简单判断。这部分为大学物理知识预留思维空间。

问题4：请在图5中两个不同位置画出线圈受到安培力的示意图，你有什么收获或体会？

图5 线圈在辐射磁场中

教师提问并实物投影，指正。引导学生领悟线圈一对边在不同位置所受安培力大小相等、方向垂直于半径，安培力大小与半径的乘积不变，即线圈转动过程安培力的作用效果总是相同；再引导学生观察分析：线圈无论转到什么位置，它的平面都跟磁感线平行，线圈两对边受到大小相等、方向相反的一对安培力作用，表盘的刻度均匀。

问题5：螺旋弹簧有什么主要作用？线圈为什么需要绕在铝框上？

列举推拉“弹簧门”让学生类比后明白：线圈通电后绕轴转动，螺旋弹簧产生扭转阻力，使线圈停在某一位置；线圈断电时，螺旋弹簧恢复原状使线圈回到水平位置。再通过一空粉笔盒缠上导线模拟线圈转动，引导学生观察线圈转动过程中铝框和线圈中的磁通量一直在改变，铝框内和线圈中会产生感应电流，磁场对感应电流有安培力作用，阻碍铝框和线圈的转动，产生电磁阻尼保护指针不被打坏。

问题6：磁电式电流表的内阻Rg是指哪个基本构件的电阻？满偏电流Ig本质上是什么？

通过与滑动变阻器的铭牌类比，结合G表结构的观察，引导学生明白G表内阻Rg是指线圈总电阻，满偏电流Ig是指线圈允许通过的最大电流。介绍Rg（几十欧到几百欧）和Ig（几十微安到几毫安）是G表的基本参数，“派生”参数是满偏电压Ug=IgRg。

图6展示了常用电表，图6甲是常用G表实物图。

图6 G表、电流表、电压表、多用电表

2.1.3 物理观念培育

通过创设递进式的问题情境，引发学生深度学习，引导学生“有血有肉”地认识磁电式电表的基本结构和功能，体验类比和转换等科学方法的应用，引导学生在原来认知的基础上认识到G表实质上是一个可测小电流和小电压的“特殊电阻”，帮助学生形成“电阻”观念，这是一种认识上的提炼和升华，是对“电流表”知识的重构和再组织；同时，通过问题情境的“立体”激趣，增强学生的求知欲望，在问题的解决中让学生充分体会物理知识在生活中的应用，养成勤于思考的习惯，培养学生分析综合、推理论证等能力。

2.2 量程扩大，思维进阶

教学中，教师需引导帮助学生对学习内容进行重新建构，赋予其与自己的经验和认知相容的特殊意义，实现意义关联。深度学习重视知识的理解、迁移运用和问题解决，学习情境必须和学习者的感官形式（表达、倾听、交换）联结在一起，才能引发个体的深层兴趣，将学习重点导向根本性问题。教学中，教师以G表为基本点，指出其基本特点是灵敏度高，但量程又很小，若要用它测量较大的电流，该如何改装，以满足要求？

2.2.1 问题驱动导向

问题1：图7是某G表的刻度盘，其内阻Rg=100 Ω。要把它改装成量程为0.6 A的电流表，请画出原理示意图。

图7 电流表刻度盘

学生已领悟G表为可测小电流的“特殊电阻”，要测量较大的电流，可并联电阻分流，容易设计出图8所示示意图，教师实时规范展示。

图8 原理示意图

问题2：请求出图8中R的阻值和改装后电流表的内阻RA1。

请学生黑板演示并交流。扩大的倍数：

问题3：在图8的基础上，请利用单刀双掷开关设计一个双量程（0.6 A和3 A）电流表原理图，并说出设计理由。

教师巡堂个别指正，投影图9和图10所示典型图，提问学生设计理由，倾听并指正，规范其表述。图9理由：开关掷向a时G表并联电阻R1，电流表量程为0.6 A；开关掷向b时G表并联电阻R2，电流表量程为3 A。图10理由：开关掷向a时G表与R2串联后再与R1并联，电流表量程为3 A；开关掷向b时电阻R1与R2串联后再与G表并联，电流表量程为0.6 A。

图9 电流表原理图

图10 电流表原理图

问题4：请分别求出图9和图10原理图中R1、R2的阻值，并在图7标出刻度盘的数据。

图11 电流表两个量程刻度

问题5：请分析图9、图10原理图，双量程电流表宜采用哪个图？

学生4人一组交流讨论，形成一致意见，各小组推选1位陈述人。教师提问，师生交流，统一意见。图9的优点：量程间相互独立、互不影响。图9的缺点：一是分流电阻R的阻值很小，开关的接触电阻包含在分流电路中，会引起较大的测量误差；二是当开关接触不良而导致分流电路断开时，被测电流全部流过表头可能烧毁表头。图10的缺点：量程相互影响，计算分流电阻较复杂。图10的优点：一是开关的接触电阻处在被测电路中，对分流准确度无影响；二是当开关接触不良时，被测电流不会流过表头。故宜采用图10原理图。

展示学生电流表实物如图6乙所示。

问题6：请利用图7的G表，设计一个双量程（3 V和15 V）电压表原理图，并说出设计理由。

提问学生设计理由，教师倾听并指正，规范其表述。投影图12和图13典型图。图12理由：当G表电流满偏时，其两端电压为Ug=IgRg=0.3 V，G表扩大为双量程，利用串联电阻的分压作用，只需串联两个合适电阻即可，串联电阻R=（n-1）Rg，n 为扩大倍数，可得 R3=900 Ω、R4=4900 Ω。 图13理由：原理与图12基本相同，不同之处在于“量程 2”G 表与 2 个电阻串联，串联电阻 R总=（n-1）Rg，n 为扩大倍数，可得 R3=900 Ω、R4=4000 Ω

图12 电压表原理图

图13 电压表原理图

问题7：请比较图12、图13原理图，双量程电压表宜采用哪个图？

与问题5类似，师生交流讨论，形成一致意见：图12，一旦电阻R3或R4发生短路，容易烧坏G表；图13，一旦电阻R4发生短路，R3起保护G表的作用，故宜采用图13的原理图。

展示学生电压表实物如图6丙所示。

2.2.2 物理观念培育

通过创设递进式的问题情境，引导学生经历电流表、电压表扩大量程原理图的设计过程，在系列的“设计”中自主建构串、并联电路和欧姆定律等必备知识，让学生充分体会磁电式电表量程扩大过程本质上是一个特殊“可变电阻”的确立过程，培养学生物理观念。同时，学生在问题解决过程中，对设计原理图进行交流反思改进，不但有效增强学生解决实际问题的能力，而且能引发学生思维进阶，培养分析综合、推理论证、质疑创新等关键能力，落实学科核心素养的培育。

2.3 功能拓展，思维发散

迁移与应用是深度学习的特征之一，也是培养学生综合能力、创新意识的重要途径。学生前面已经经历了G表结构的深度再认识、G表量程扩大等知识内容的内化学习，头脑中对G表的本质有了清晰的了解，从G表测量功能拓展的维度考量，教学中启发学生：能否用G表测量电阻？

2.3.1 问题驱动导向

问题1：图7电流表G两端加上0.3 V电压时，电流达到满偏，若该表接在电动势E=0.3 V的电源两端，电流能否满偏？

师生互动，引导学生明白电源存在内阻。

问题2：图14所示电路中，电源电动势E=1.5 V、内阻r=0.5 Ω，要使G表满偏，变阻器R接入电阻多大？

图14 欧姆表电路

问题3：图14所示电路中，G表满偏后保持R不变，断开开关 S，在 a、b两点接入电阻R1=500 Ω，请在图7中标出指针的大致位置。

教师巡堂，发现问题及时指正，投影图15。

图15 指针位置

问题4：在问题3中，若接入电阻分别为R2=1000 Ω、R3=2500 Ω，请在图16中标出指针的大致位置。能否利用该电路“测”电阻？说说想法。

图16 指针位置

实物投影巡堂发现的问题，师生交流。指针的大致位置如图16所示。通过“标示指针位置”可知，该电路a、b两点接入的电阻和电路中的电流有一一对应关系，若把G表的“3 mA”“1.5 mA”“1 mA”和“0.5 mA”刻度线分别标为“0 Ω”“500 Ω”“1000 Ω”和“2500 Ω”，其他电流刻度则按的规律换成电阻的标度，表盘的刻度如图17所示，刻度线右疏左密，这样该电路就可“测”电阻。

图17 欧姆表刻度

2.3.2 物理观念培育

通过一个闭合电路来创设问题情境，引导学生利用闭合电路欧姆定律等知识解决“问题”，体验知识转化迁移，帮助学生在解决问题中充分领悟到测量电阻本质上也是测量电流，促进学生物理观念的建构。同时，教学中知识的呈现不是简单直接“推送”，而是充分创设真实问题解决的结构化情境，引导学生在“问题”解决中重历知识生发的过程，增强实践应用的意识，引发学生思维拓展进阶，促进学生分析综合、推理论证、质疑创新等关键能力的培养和提升。

2.4 功能整合，思维聚合

学生经历了上述的探究过程，对电流表、电压表、欧姆表的原理示意图有了较为深刻的认识。笔者抓住“三表”均有G表的特点，设计了图18甲、乙、丙所示的示意图，创设了系列问题情境导向驱动，“深度”追问，引发学生主动对学习内容深度加工，最大限度地帮助学生把握知识的内在联系与本质，由博返约，发展学生的聚合思维。

图18 电流表、电压表和欧姆表的示意图

2.4.1 问题驱动导向

问题1：请利用图18设计简单多用电表示意图，并说说你的设计思路。

教师巡堂，投影典型设计图，师生交流，点评。典型图如图19、图20所示，引导学生厘清基本设计思路：两个图都把图18甲、乙、丙图串接在一起，测量电流、电压都没问题。但图19测电阻时A表串联多一个电阻，不合理，故图20合理。

图19 学生设计的示意图

图20 学生设计的示意图

问题2：类似问题1的方法，请利用图10、图13和图14的示意图设计多量程多用电表示意图。

教师巡堂，发现问题及时指正。投影图21规范示意图。

图21 较复杂多用电表示意图

问题3：请利用一个单刀多掷开关，设计至少两个量程的多用电表示意图。

教师巡堂，发现问题及时指正。投影图22规范示意图。阻读数不同，根据可知，电动势E和E'一定不相等。

图22 多量程多用电表示意图

展示多用电表实物如图6丁所示。

2.4.2 物理观念培育

通过电流表、电压表、欧姆表的示意图来创设问题情境驱动导向，引导学生对“示意图”进阶设计，引发学生深度学习、思维进阶，培养学生初步的迁移能力以及合作交流和评估反思的能力，帮助学生形成物理观念，并引导学生多角度、多

问题4：图22中哪支表笔是黑表笔？电源电动势E和E'能否相等，为什么？

教师提问，师生交流。引导学生领悟：多用电表正常使用时电流从红表笔流进表头，指针向右偏转，因此可从电流方向——G表正负接线柱或电源极性，来判断红、黑表笔，故图22中B表笔是黑表笔。根据原理图可知，欧姆表指针指在同一位置，流过表头电流必相同，不同量程被测电维度思考问题，鼓励学生大胆质疑，树立批判性思维的意识，从而促进科学思维的发展。

最后，把整个教学过程梳理为图23所示的闭环结构，帮助学生把学习内容系统化、结构化。闭环中G表（测小电流小电压的“特殊电阻”）既是闭环的起点，也是终点，学生只要形成“电阻”观念，就不难明白电流表、电压表仅是G表电阻“变小”“变大”的道理。而多用电表不外乎是若干个“特殊电阻”聚合在一起的和谐“大家庭”。

图23 教学过程闭环图

3 结语

综上实验复习案例可以看出，实验课复习教学不能亦步亦趋跟着教辅资料走，不能被其程序化的APP课件牵着“鼻子”走，不能充当知识的“搬运工”或“推送员”，不能停留在有教无学的“浅层学习”上；而是要依托教材、整合教材，复活教材、活化教材，要把“静态教材”转化为“活性学习”，要着力于从“教”的设计转向“学”的设计，通过积极创设问题情境精准驱动，引导学生领悟知识的“来世今生”，重历知识的生发过程，以“问题”的解决导向科学思维的“浸润”体验，引发学生深度学习，促进学生物理观念建构，用心、用力、用情落实学科核心素养的培育。