单元视域下指向深度学习的欧姆定律教学

蒋炜波

(清华大学附属中学,北京 100084)

当前的欧姆定律教学包括探究电流与电压和电阻的关系、串并联电路等效电阻、伏安法测电阻、特殊方法测电阻、比例问题、动态电路变化分析等内容.探究电流与电压和电阻的关系实验事实上已经用到了欧姆定律和动态电路变化分析,因此陷入了循环论证;教学中因为缺乏对电阻定义的学习,导致无法解决安培、伏特、欧姆的单位关系,以及电流与电压和电阻的比例系数问题.

《义务教育物理课程标准(2022年版)》(以下简称“新课标”)凝练了物理学科核心素养的理念,除了知识技能外,更加强调学生的主动学习,即让学生在任务、问题、项目等各种活动环节中,充分调动既有的认知储备,综合运用各种学习技能,完成深度的认知建构.[1]鉴于此,有必要探索指向深度学习的教学策略,在新课标理念下从单元视角设计欧姆定律的教学.

1 新课标的要求

新课标在欧姆定律部分,要求学生用定值电阻、滑动变阻器、电流表、电压表等,探究电流与电压、电阻的关系,理解欧姆定律.同时,要求学生能用电流表、电压表、滑动变阻器等测量小灯泡正常发光时的电阻.基于教学内容,新课标也在核心素养的4个维度提出了具体的学业质量要求,如表1所示.

表1 新课标欧姆定律部分学业质量要求

欧姆定律是贯穿整个初高中学段的核心规律,其核心地位决定了学习和运用的高难度,现有教学在解决真实困境层面始终难有突破,其根源在于局限在了欧姆定律本身,没有跳出课时进行整体的单元设计.新课标理念下,基于原有认知设计有针对性的连续的情境活动,调动学生的思维有深度地全程参与,[2]不失为一种可行的欧姆定律教学的突破策略.

2 指向深度学习的教学

深度学习的概念于1976年提出,它有别于传授知识的浅层学习,更注重学生高阶思维的调动参与和发展培养,当前提倡的项目学习、任务驱动、问题解决等多种教学模式,其根本都是基于建构主义理论和认知结构理论,与深度学习都有着密切的渊源.

相比许多教学模式“重做轻思维”的特点,深度学习尤为关注学生在思维层面的发展,它基于布鲁姆的认知分类理论,对学生在完成任务、问题、活动、项目过程中的思维进行层级分类,这与新课标下科学思维水平层次划分有着高度一致性,基于思维发展的深度学习来实践核心素养,相关的教学与评价研究已经较为普遍,很值得新课标理念下的初中物理教学借鉴.[3]

深度学习有5个基本特征:活动与体验、联想与结构、本质与变式、迁移与创造、价值与评判,[4]这些特征与新课标创设情境任务完成学习、关联整合认知以升华观念、联系实际进行应用创造、倡导评价质疑反思创新、从生活走向物理从物理走向社会等理念是非常契合的,指向深度学习的教学对核心素养的落地实践有着天然的承载作用.

3 欧姆定律教学设计

基于现有教学中存在的问题困境,在单元教学统摄下将传统的欧姆定律实验教学进行拆分.在电阻单元教学中完成电流与电压关系的探究,建构电阻概念并得到R=U/I的定义公式.因此不再需要通过有循环论证之嫌的探究实验来得到欧姆定律公式,而是可以借由情境创设让学生在问题和任务的完成中更加深入地理解、更加顺畅地建构、更加熟练地运用欧姆定律.具体教学设计如表2所示.

表2 欧姆定律教学设计

教学分4部分,每一部分安排多个基于情境的环节活动,包括实验情境、试题情境、学史情境等.教学整体基于深度学习的特征,并结合教学实际需求创设情境承载教学,实施过程中注意课时之间的情境关联程度,做到思维无缝衔接,充分保障学生学习活动的连续性.

4 教学过程简述

欧姆定律单元教学主要包括规律建构(教学1、教学2)和规律应用(教学3、教学4)两部分,借助单元教学的统领作用调整教学结构以突破困境,通过有针对性的情境串联起各个应用模块以整合体系.

4.1 强化I、U、R的关系

在经历了电阻单元教学后,学生虽然已经得到公式关系R=U/I,但认识理解明显不足.教学1注重基于情境的规律深化认识,以思维的参与和发展为核心,通过任务活动调动学生的积极投入,将深度学习的特征要求融入具体的教学过程.

(1) 观察滑动变阻器的调节作用.

在电阻的学习中,学生已经掌握滑动变阻器可以改变连入电路的电阻,那么将滑动变阻器连入电路后,调节滑片会发生什么呢?教师将小灯泡和滑动变阻器串联接入电路,调节滑片让学生观察并思考小灯泡的亮度变化.

学生经过关联电压和电流的学习过程,能想到是小灯泡的两端电压和通过的电流发生了改变,于是教师将电流表和电压表接入电路进行测量,验证学生的猜想,如图1.我们改变的是滑动变阻器连入电路的电阻,为什么串联电路的电流也会改变?通过设问进一步启发学生思考.

图1

(2) 等效总电阻与电路的I、U、R关系.

电路的总电压不变但电流改变,表明电路总阻碍作用改变.基于学生的思考引导学生利用电阻的定义公式R=U/I,将总电压、总电流相比,推导电阻R1和R2串联时的电路总电阻R,最终得到R=R1+R2.如果将这两个电阻并联又会怎样呢?继续引导学生自己完成推导,得到并联电阻的等效阻值R=R1R2/(R1+R2)并进行适当计算验证,例如R1=0 Ω时,并联总电阻也为0 Ω;当R1远远大于R2时,并联总电阻约等于R2,如图2.

图2

(3) 动态电路分析.

在学习完整规律后让学生回到最开始的问题,分析滑动变阻器的滑片调节对电路的影响,如图3.一种思路是从滑动变阻器的阻值变化,推出总电阻变化,再到总电流的变化,于是得到各个元件的电压变化.另一种思路是利用串联分压规律,通过元件之间的电阻比值的变化,分析各个元件的分压变化和电流变化.

图3

在完成了串联电路滑动变阻器的调节分析之后,教师再结合试题情境,引导学生分析并联电路的滑动变阻器调节作用,以及利用开关改变串并联电路中电阻数量时的调节作用,如图4,在应用中体会各种变式以及变式背后的深层次本质,深化认知结构.

图4

(4) 基于传感器的测量方案.

这一活动承接动态电路,侧重学生在生活情境下的迁移与创造.首先通过示例向学生展示滑动变阻器的阻值可以与形变、力、风速等物理量关联,例如图5所示的电子称重电路,这时候电流和电压的变化就反映了相应物理量变化.以此为例,结合电阻影响因素给学生介绍热敏电阻、光敏电阻、气敏电阻等各种传感器,让学生自己选择一个生活情境,设计一个简化的测量电路,并分析具体的测量原理.这部分对学生的要求较高,教学中需要酌情处理.

图5

4.2 再探I、U、R的关系

在强化了电流I、电压U和电阻R之间的关系之后,以中考试题为衔接,分析利用调节或控制电源电压进行实验探究的现实局限,进而利用动态电路再探欧姆定律,并最终凝练规律.这既符合学史研究的历程,又让学生反思和评价实验探究的合理性,深度学习倡导的高阶思维培养落到了实处.

(1) 基于中考命题的方案再设计.

例题.小圆想探究通过导体的电流与导体的电阻之间的关系,他利用干电池、电流表、电压表、多个阻值不同且已知的定值电阻、开关及导线,设计了如图6所示的电路.实验中,他将定值电阻R接入电路中,读出相应的电流表的示数并观察电压表的示数,记录实验数据.将R换为不同阻值的另一个电阻后,小圆观察到电压表的示数增大了.小圆意识到自己的实验设计不能实现探究目的.

图6

① 请你写出小圆的实验设计不能实现探究目的的原因:________;

② 请你画出能够实现探究目的的电路图(可以添加适当的实验器材);

③ 依据你设计的电路图,针对小圆不能实现探究目的的原因,写出操作的方法.

例题是2021年的北京中考题,试题情境基于实验创设,教师以此为切入点,帮助学生认识到电源两端的电压可能不受控的现实,引导学生利用滑动变阻器的调节作用重新设计实验电路,厘清关键操作.类似地,如果要探究电阻一定时通过导体的电流与导体两端电压的关系,也可以利用滑动变阻器重设方案.

(2) 实验再探I、U、R关系.

在学生完成了实验方案的设计以后,教师给学生提供实验器材,学生自主完成相应的实验探究,电路类似图3,过程中教师关注学生的电路连接和关键操作.此时学生已经具备了动态电路的认知基础,通过关联和迁移,能够加深对实验的理解,体会先前的活动研究的价值意义.

(3) 以学史凝练欧姆定律.

活动中通过归纳学生的实验数据,凝练得出欧姆定律.教师接下来向学生发放阅读材料,让学生自己认识欧姆的真正研究历程.欧姆克服了巨大的现实困难,在没有电压、电阻、电流表等器材的情况下,通过磁体在电流附近受到力的作用来计量电流,如图7,他通过定义电阻概念简化了规律,并最终完成了探索.[5]

图7

学生到此终于可以将整个大单元环环相扣联系起来,认识到自己之前的学习正是经历了科学家的真实研究历程,完成了与科学家跨越世纪交流,从而在学科态度、科学方法和研究精神层面深层次启发学生.

4.3 辨析电路故障

这部分是规律应用教学,基于学生在再探欧姆定律实验中遇到的问题,教师创设实验情境带领学生分析故障的原因,然后再利用欧姆定律重新理解断路故障及其检测,以及实验中遇到的新问题——短路及其理解,最终深化电路故障的认识与判断,落实欧姆定律的应用.

(1) 欧姆定律实验中出现的问题.

图3的实验中学生出现的问题现象很多,引导学生关联已有认知,将这些现象进行归类整理,如表3.针对滑动变阻器不能改变电流和电压,分析认识到是滑动变阻器的接线方式不对.针对没有电流的这一类现象,学生通过关联电路状态,容易理解电路中应该是出现了断路情况.但针对有电流但电压表没有示数的现象,学生却始终难以理解.

表3 电路问题分析

(2) 断路及其检测.

首先带领学生分析断路情况,为什么没有电流的时候,电压表有时候没有示数,有时候示数会很大?教师连接一个完好的电路,让学生分析断开何处能出现电压表没有示数的情况,并让学生上台演示用以验证.学生发现当电压表测量对象断开时会出现电压表示数很大的情况,而其他地方断开时电压表没有示数.

接下来引导学生用欧姆定律进行解释.电压表并联在电阻上,根据并联电阻关系,为了不影响原电路,电压表电阻设计得非常大.当电压表测量对象断开时,如图8,相当于电压表串联入电路,于是利用公式分析计算可以发现,电路总电流几乎为0,而断开部分的电压约等于电源电压,这就是电压表有很大示数的原因.借此还可说明和演示电压表可以直接接在电源两端测量电源电压.

图8

深入理解这些之后,引导学生利用电压表示数的这一变化特点寻找电路中的断路结构,在应用中完成断路故障及检测的教学.

(3) 短路及其理解.

针对有电流但电压表没有示数的现象,教师现场用灯泡替代电阻连接演示电路(如图1右),与电压表并联的小灯泡不发光,电压表没有示数.然后给学生展示小灯泡灯座底部,让学生看到两个接线柱之间已经被直接连通,如图9.为什么这时候会出现灯泡不亮、电压表没有示数的情况呢?

图9

由于在电路单元教学中碍于认知困难移除了短路部分,此时需要引导学生分析.小灯泡的两端被导线直接并联连接,根据并联电阻的公式可知,小灯泡与导线并联的总电阻为0,因此电源电压都分给了滑动变阻器,电压表自然也就没有示数.教师归纳短路的概念并启发学生思考,如果开关短路、电流表短路、滑动变阻器短路会怎样,最后通过计算分析如果电源短路会怎样,完成短路的深入理解.

4.4 拓展电阻测量

这部分仍然是规律应用教学,基于之前的断路和短路的故障分析,理解电流表、电压表的相互关系和阻值特点,并借此分析伏安法测量电阻的误差,以及完成缺少电表时的电阻阻值测量,通过一系列的应用活动,完成欧姆定律的再深化.

(1) 理解电表的关联.

通过断路和短路学生已经认识到了电压表电阻很大、电流表电阻极小的阻值特点,此时再次引导学生关联电流表和电压表部分的学习,从结构和原理上再次确认电流表和电压表之间的互通关系.虽然初中物理不要求学生理解电表改装,但事实上学生此时已经具备了改装的理论知识,为后续高中阶段的学习做好了铺垫准备.[6]

(2) 伏安法测电阻的误差.

在认识了电流表和电压表特点以后,教师给学生介绍两种基本的电流表接法,如图10,并引导学生结合欧姆定律,计算分析伏安法测电阻的电流和电压的准确程度,以及对最终的测量结果的影响.需要注意,初中阶段并不要求学生掌握电流表的内外接法,此处只是作为欧姆定律的应用延伸,教学中可以酌情处理.

图10

(3) 缺电表的电阻测量方案.

在缺少电表时进行电阻测量,是初中物理的高层次要求,其实质是等效替代法的应用,如图11.用电流表和阻值已知的定值电阻可以计算出电压,从而充当电压表的功能;用电压表和阻值已知的定值电阻可以计算出电流,从而充当电流表的功能.

图11

之后,便可以让学生自己设计实验方案,分别完成缺少电流表和缺少电压表时的电阻测量的电路设计,并要求学生写出大致的操作步骤,以及利用测量的物理量写出最终的电阻表达式.

最后,让学生判断源自考试命题的电路设计能否完成电阻的测量,如图12,包括用电阻箱替换待测电阻进行测量的电路、利用开关改变电压表或者电流表测量对象的电路,让学生通过变式进行电阻测量的强化.

图12

5 结束语

深度学习并没有一种确定的教学模式,它是一种理念导向,重视引导学生对个体学习的地位产生新的认识,建立正确的学习观念,并给学生创造各种环境让学生获得学习的成就感,从而更加巩固和强化对学习的正向认识,从根源上解决传统教学中学生被动接受的境地.

同时,深度学习还引导学生对学习的方式和方法进行主动思考,空间上跨越课堂内外,时间上贯穿人生阶段,生活即是学习,学习即是态度.学校的课程学习虽只是学习的一部分,但通过课程学习所获得的思考方法、处事策略、统筹规划、价值评判等诸多超越知识的能力,在今后的人生中都是通用的.

深度学习的理念与新课标物理学科核心素养之间是贯通的,[7]教师教学中往往茫然于是否落实了核心素养的培养,此时不妨从深度学习的理念和特征对教学实施的各个环节进行分析,在关注学科知识内容的教学的同时,更多地从学生学习的视角进行审视,让学生主动地将物理学科核心素养融入自身的人生发展素养群中,从而完成物理学科对所有学习个体的长远发展支持!