基于SOLO分类理论的物理单元大概念教学路径

郭秋萍

【教学路径整体设计】

《义务教育物理课程标准（2022年版）》在课程理念部分提出：“以主题为线索，构建课程结构。”而学生从学习简单的物理知识、物理规律，到应用物理知识解决实际问题，该过程与利用SOLO分类理论的进阶式教学有相似之处，以下探析利用SOLO分类理论进行单元大概念教学的路径。

大概念具有单元统摄作用，在实际教学时还要考虑到学生的前概念，已有知识储备。因此，借助SOLO分类理论进行进阶式教学设计时，分为单元大概念的确定、学生前概念分析和章节SOLO层次分析三步，如图1。

一、单元大概念的确定

电功率是电学中非常重要的物理量，联系着电流、电压和电阻相关概念规律，同时又和本章电功、电热、能量等重难点有紧密联系，具有承上启下及章节统摄作用，因此本单元教学选择“电功率”作为大概念，并围绕它展开各项教学活动。

二、学生前概念分析

学生在学习本章之前已经学习电学相关的基础知识，从SOLO分类理论角度来看，该部分都是孤立的知识点，属于单点结构或多点结构层次。之后在此基础上学习了欧姆定律，知道了电流、电压、电阻三者之间的关系，将单个的物理知识点联系起来，属于关联层次。在八年级学过机械功、功率相关概念，知道功率与功之间的联系，因此在教学时教师可以将电功率与机械功率联系起来，启发学生引入概念，便于学生理解和知识迁移。

三、章节SOLO层次进阶分析

学习本章之前学生已有电学相关基本概念的知识储备，根据SOLO分类理论即知识点多少和关联程度进行单元教学设计。整体教学进阶路径如图2。

第1节是电能和电功，定位是多点结构层次（M），结合身边的家用电器建立对电能的认识。第2节是电功率，本节需要知道电功率相关概念，因此该部分属于SOLO分类理论中单点结构层次（U），此时学生已经对电能、电功有一定了解，同时在机械能部分学习了功率是表示做功快慢的物理量，实现知识迁移。第3节是测量小灯泡的电功率，是对电功率的应用，有了利用欧姆定律测量电阻的基础，利用公式可以计算出小灯泡的电功率，属于关联结构层次（R）。第4节是焦耳定律，是大概念电功率的拓展及应用，同时从能量视角来看，焦耳定律也是欧姆定律的引申和发展，是在电学中能量转化的具体体现，因此本节属于拓展抽象结构层次（E）。

【第四节“焦耳定律”教学案例】

教师：大家来看讲台上的电热水壶，现在我打开开关后加热，如果摸一下水壶和电源线会有什么感觉？

学生：水壶热，但是电源线不热。

教师：为什么通电后电热水壶发热，但是电源线不热，产生热量与什么因素有关呢？带着这样的问题进入我们今天的学习——“焦耳定律”。

（设计意图：从学生熟悉的生活电器入手，创设物理情境，实验现象让学生产生认知冲突，激发学生的学习兴趣。）

一、电流的热效应

教师：请同学们思考一下，生活中我们身边有哪些电器，像刚才的热水壶一样通电后会发热？

学生：暖宝宝、电饭锅、电烤箱……

教师：像这样的电器存在什么能量转化呢？

学生：电能转化为内能。

教师：当电流通过导体时，将电能转化为内能，这种现象就叫作电流的热效应。

教师板书：一、电流的热效应：当电流通过导体时，将电能转化为内能，这种现象就叫作电流的热效应。

（设计意图：学生之前对电能转化为内能有一定了解，并能够通过生活实例认识、解释相关的转化过程，利用前概念和实例，让学生切身体会到电流的热效应，仅学习一个新的概念属于单点结构层次教学。）

二、探究电阻产生的热量与哪些因素有关

教师：现在大家连接一个灯泡的简单电路，闭合开关后用手快速轻轻摸一下灯泡和导线有什么感觉？为什么？

学生（分组实验并讨论）：灯泡发热，导线比较凉。但是串联电流相等，通电时间相同，而电阻不一样，说明导体产生的热量与电阻有关。

教师：除了电阻还有什么原因呢？

学生：灯泡刚开始不热，过了一会，越来越热，说明和通电的时间有关。可能与电流大小也有关系。

教师：那么要想知道某个因素的具体影响，需要用到什么方法？

学生：控制变量法。

教师：电流产生的热量我们用肉眼看不到，怎么办？

学生：用转换法。

教师（展示焦耳定律实验器材）：

这个器材就是利用电阻加热空气，使U型管中液面发生变化，如果左右液面高度差越大，说明产生的热量越多。

教师：现在，先来探究电热与电阻的关系，思考并连接电路，探究影响电热的因素。

学生：10 Ω对应的液面高度差大，产生的热量多。说明当通电时间、电流相等时，电阻越大，产生的热量越多。

教师板书：当通电时间、电流相等时，电阻越大，产生的热量越多。

教师：现在我们尝试探究电热与电流的关系，这里有三个5 Ω的电阻，思考一下应当怎样连接电路？

学生：改变电流，一个电流大，一个电流小，利用并联电路分流。

学生（分组实验）：单独5 Ω电阻的液面高度差大，说明产生热量多。它在干路上，电流大。当导体电阻、通电时间一定时，电流越大产生的热量越多。

教师板书：当导体电阻、通电时间一定时，电流越大，产生热量越多。

教师：那关于通电时间怎么判定？

学生：随着通电时间增加，U型管左右液面高度差变大，说明通电时间越长，产生热量越多。

教师板书：当电阻、电流一定时，通电时间越长，产生热量越多。

教师：科学家对此也进行了大量的实验。英国物理学家焦耳，于1840年最先精确地确定了电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系。根据焦耳定律的内容，Q表示电热，I表示电流，R表示电阻，t表示通电时间，那么焦耳定律的公式就是Q=I2Rt。

（设计意图：引导学生利用控制变量法、转化法进行思考和设计实验，横向贯穿多节内容，用已有知识解决新的问题，进行实验得到的结论属于SOLO分类理论教学的拓展抽象结构，教学具有启发性。）

三、纯电阻电路和非纯电阻电路

教师：是不是所有用电器使用时所消耗的电能都转化为电热呢？

学生：不是，如风扇，电能主要转化为机械能。

教师：老师这里有一个可以连入电路的小风扇，比较它消耗的电能和产生的电热有什么关系。已知风扇的电阻R=1.0 Ω。①（演示）先夹住电动机轴，闭合开关，电机不转。调整滑动变阻器的阻值，使电压表的示数为0.50 V，记下电流表的示数，通电时间10 s，算出小电机消耗的电能和产生的内能，并加以比较。②再松开夹子，使小电机转动，调整滑动变阻器的阻值，使电压表的示数为2.0 V（此电压为小电机的额定电压），记下电流表的示数，通电时间10 s，算出小电机消耗的电能和内能，并加以比较。（如图4）

学生（分组实验测量并计算）：

①小风扇不转时，U=0.50 V，I=0.50 A，

W=UIt=0.50 V×0.50 A×10 s=2.5 J，Q=I2Rt=（0.50 A）2×1.0 Ω×10 s=2.5 J，W=Q。

②小风扇转动时，U=2.0V，I=0.40A，

W=UIt=2.0 V×0.40 A×10 s=8 J，Q=I2Rt=（0.40 A）2×1.0 Ω×10 s=1.6 J，W>Q。

教师（总结）：当风扇不转时，消耗的电能和产生的电热相等，这种电路就是纯电阻电路。但是当风扇转动时，消耗的电能中有一部分转化为电热，剩余大部分转化为机械能，这种电路就是非纯电阻电路。

（设计意图：通过实验及计算，让学生体会到纯电阻电路和非纯电阻电路的区别，创设物理情境，解决新的问题。利用焦耳定律公式和之前学过的电能计算公式进行计算对比，解决新的物理问题，属于SOLO分类理论的拓展抽象结构层次教学。）

四、电热的利用和防止

教师：生活中有哪些例子利用了电热？

学生：用电熨斗熨衣服、用电热水壶烧水……

教师：和燃烧煤炭、木柴相比，它们都有什么优点？

学生：清洁无污染。

学生：便于控制温度和加热时间。

教师：那电热有哪些危害？有哪些用电器需要减少电热的产生？

学生：手机充电或者使用久了会发烫，会烫伤皮肤。

学生：电脑有风扇。

教师：很多情况下我们不希望用电器过热，像显像管的电视后盖有很多散热孔、电脑有风扇，这些都是减少电热带来的危害。所以，我们可以从增大散热面积、加快空气流速这些方面使用电器降温。

（设计意图：通过生活实例解释电热的利用和防止方法，利于学生理解，是单一知识点的学习，因此属于SOLO分类理论中单电结构层次教学。）

【反思和结语】

立足大概念教学，利用SOLO分类理论构建知识框架，对小节内容进行定位分析，通过分析知识点数量及知识点之间的联系，将教学内容进行SOLO层次划分，可以发现该方法使学生和教师更容易理解相关概念及知识点之间的联系，教师的引导有利于学生构建以大概念为核心的知识网络。学生通过教学活动能够从物理学视角解决实际问题，形成相关的物理观念和科学思维，有助于物理核心素养的形成。同时该教学方法凸显了SOLO分类理论在教学设计中的优势，是很好的一种尝试。

（作者单位：洛阳市东升第二初级中学）

编辑：曾彦慧