基于核心素養(yǎng)的“電阻”概念教學(xué)案例

胡愉華+王龍湊

摘 要：物理概念是客觀事物有關(guān)物理的共同屬性及本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映，是客觀事物的抽象。已有的物理概念教學(xué)大多是從知識、技能、方法的角度來設(shè)計，而缺少對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。物理核心素養(yǎng)體現(xiàn)培養(yǎng)全面發(fā)展的人的共性，主要由物理觀念、科學(xué)思維、實驗探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四方面構(gòu)成。以“電阻”概念為例，展示以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為主的概念教學(xué)案例。

關(guān)鍵詞：概念教學(xué)；核心素養(yǎng)；電阻

物理概念是客觀事物有關(guān)物理的共同屬性及本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映，是客觀事物的抽象[1]，掌握牢固的、正確的物理概念是學(xué)好物理學(xué)的前提和重要保障。本文以人教版九年級教材中的“電阻”概念為例，展示以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為主的概念教學(xué)案例。

一、教學(xué)目標(biāo)

1.物理觀念

通過實驗嘗試改變電路中電流的大小，從中認識“導(dǎo)體能夠?qū)щ娡瑫r對電流又有阻礙作用”的性質(zhì)，了解什么是電阻，知道電阻的各種單位及換算關(guān)系。

2.科學(xué)思維

通過“河流”類比，讓學(xué)生學(xué)會應(yīng)用類比推理的思維方法。

3.實驗探究

建立微觀模型，讓學(xué)生加深對電阻概念的理解，并提出影響導(dǎo)體電阻大小的因素的合理猜測，體驗發(fā)現(xiàn)問題、合理猜測、設(shè)計實驗方案和獲取證據(jù)、分析論證的過程。

4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

激發(fā)學(xué)生對概念和實驗的興趣，使學(xué)生積極主動進行實驗操作。通過實驗探究活動，體驗探究的樂趣，使學(xué)生樂于觀察、實驗，培養(yǎng)學(xué)生團隊合作與交流的能力，進一步培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)重點

電阻概念的得出和影響導(dǎo)體電阻大小因素的研究（引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計、操作實驗，幫助學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)進行分析、歸納，得出結(jié)論）。

三、教學(xué)難點

理解不同電阻對電流的阻礙作用不同（類比“河流”，建立微觀模型）；運用科學(xué)的研究方法合理規(guī)劃實驗過程（引導(dǎo)學(xué)生討論、交流）。

四、教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情景，構(gòu)建電阻觀念

【導(dǎo)入】用電教設(shè)備播放廣場舞《小蘋果》，讓一位學(xué)生上臺將音量慢慢調(diào)高，再慢慢調(diào)低，讓學(xué)生認識到音量的變化，表明通過喇叭中的電流也在發(fā)生變化。

讓一位學(xué)生上臺調(diào)節(jié)臺燈的亮度變化，引導(dǎo)學(xué)生認識臺燈亮度的變化，表明通過燈絲中的電流也在發(fā)生變化。用生活中學(xué)生熟悉的東西引入，激發(fā)學(xué)生興趣和求知欲。

【問題】為什么銅導(dǎo)線與鐵導(dǎo)線的用途不同呢？同是導(dǎo)體，為什么它們導(dǎo)電能力又有不同呢？

【實驗】將課本圖16.3-1實驗裝置進行簡單改裝，把鐵絲和銅絲分別接入電路，觀察一下燈泡的亮度有什么不同。

先將鐵絲接入電路，合上開關(guān)，觀察小燈泡的亮度。

將鐵絲換成長短、粗細相同的銅絲，合上開關(guān)，觀察小燈泡的亮度。

【現(xiàn)象】接鐵絲時燈泡暗，接銅絲時燈泡亮。

【分析】實驗中用的是相同的電池，也就是說電壓相同，為什么兩條導(dǎo)線中的電流不同呢？原來，導(dǎo)體能導(dǎo)電，但同時對電流又有阻礙作用；相同電壓下，導(dǎo)線中電流不同，說明兩條導(dǎo)線對電流的阻礙作用不同，從而引出電阻概念，并知道電阻表示導(dǎo)體對電流的阻礙作用，導(dǎo)體的電阻越大，它對電流的阻礙作用就越大。

2.類比法、微觀模型法激發(fā)科學(xué)思維

初步引出電阻的概念后，再通過類比方法對電阻概念進一步理解，把一條河流比作一段導(dǎo)體，把河流中的河水比作導(dǎo)體中的電流，用河水流動的順暢程度來類比反映電阻的大小。如果河流越寬，河水經(jīng)過時受阻礙越小，河水流動越順暢，借此理解導(dǎo)體電阻與橫截面積的關(guān)系；河流越長，河水經(jīng)過河流受到的阻礙機會越多，穿過河流的難度越大，借此理解導(dǎo)體電阻與長度的關(guān)系。通過類比方法，更容易加深學(xué)生對電阻的概念和電阻與材料、長度、橫截面積關(guān)系的認識。

教師通過電流和電壓的單位比較，引導(dǎo)學(xué)生給出電阻的單位歐、千歐、兆歐和換算關(guān)系。教師通過步步引導(dǎo)，激活學(xué)生的思維，讓學(xué)生利用已知的河流來認識電阻概念，這一過程，讓學(xué)生體會到類比推理的思維方法在物理學(xué)中的重要性，并能夠?qū)⒁延械闹R和技能進行有效遷移，建立起知識之間的聯(lián)系，學(xué)會舉一反三，讓學(xué)生逐步形成科學(xué)的思維方法。

通過類比法讓學(xué)生初步認識電阻，學(xué)生的科學(xué)思維還處在興奮狀態(tài)時，老師拋出問題：既然導(dǎo)體有電阻，電阻有大小，那么猜一猜：影響導(dǎo)體電阻大小的因素可能有哪些？此時，為了培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，有必要從微觀層面建立模型進行深入分析，讓學(xué)生自己提出合理猜想。

從微觀角度來分析電阻，顧名思義是由電路中的分子熱運動對帶電粒子流過時所產(chǎn)生的干擾，可形象地命名為“阻力”，一般的說，在以電子運動為主的導(dǎo)體（即大部分金屬）中，這種“阻力”主要來源于物質(zhì)分子與快速移動的電子碰撞所造成的能量損失如（圖1）[2]。

以金屬導(dǎo)體為例，如上圖，金屬里面有大量自由電子，它們是可以自由移動的，當(dāng)導(dǎo)體兩端加上電壓時，原來雜亂無章運動的電子就會受到推動力，就會做定向移動，電荷的定向移動就形成了電流。對一個單獨的自由電子而言，它就不斷受到所路過地方的原子核的吸引及不斷的碰撞[3]，電子受到原子核的阻礙作用，這就是電阻的本源。

上述微觀模型建立后，教師接著引導(dǎo)學(xué)生思考影響電阻的因素：橫截面積大的金屬有較多空間讓電子流動順暢，故電子受到的阻力較?。浑娮恿鬟^較長的金屬時，一般會發(fā)生相互作用的概率就大大增加，故長的金屬電子受到的阻力較大；金屬的溫度越高，電子熱運動越明顯，碰撞的機會就越多，電阻就越大；不同材料的金屬，原子結(jié)構(gòu)排列不同，其電子受到的阻力也不同。由此就可以讓學(xué)生自己猜測影響導(dǎo)體電阻大小的因素，為下一步的自主實驗探究做好鋪墊。

3.自主實驗探究

【問題1】影響導(dǎo)體電阻大小的因素可能有哪些？endprint

經(jīng)過前面建立的微觀模型，學(xué)生猜測此問題就容易多了。

【猜測】導(dǎo)體的橫截面積、長度、溫度、材料。

【問題2】在實驗中如何知道導(dǎo)體電阻大小呢？

【猜測】電流表的示數(shù)、燈泡亮度。

【設(shè)計實驗】學(xué)生兩人一組自主探究，經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、合理猜測、設(shè)計實驗探究方案和獲取證據(jù)、分析論證的過程。

（1）如何研究導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體長度的關(guān)系呢？在材料、橫截面積相同時，探究導(dǎo)體的電阻與長度的關(guān)系如（圖2）。

（2）如何研究導(dǎo)體的電阻與橫截面積的關(guān)系呢？在材料、長度相同時，探究導(dǎo)體的電阻與橫截面積的關(guān)系如（圖3）。

（3）如何研究導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體材料的關(guān)系呢？在長度、橫截面積相同時，探究導(dǎo)體的電阻與材料的關(guān)系如（圖4）。

【結(jié)論】（1）在材料、橫截面積相同的情況下，導(dǎo)體長度越長，電阻越大；（2）在材料、長度相同的情況下，導(dǎo)體橫截面積越小，電阻越大；（3）在長度、橫截面積相同的情況下，導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的材料有關(guān)。導(dǎo)體的材料、長度、橫截面積都是導(dǎo)體本身的性質(zhì)，因此，電阻是導(dǎo)體本身的一種性質(zhì)，與導(dǎo)體兩端的電壓和通過導(dǎo)體的電流無關(guān)。

導(dǎo)體的電阻還與溫度有關(guān)，觀察演示實驗，看到什么現(xiàn)象？說明什么問題？結(jié)論：一般金屬導(dǎo)體溫度升高，電阻增大。

在探究中學(xué)生自主設(shè)計實驗方案，自己摸索探究方法，自主擬訂實驗步驟，自行得出結(jié)論，同學(xué)間進行合作與交流，促進學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的和諧發(fā)展。

4.上臺展示，形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

讓其中一個小組上臺向全班展示實驗過程，然后讓其他學(xué)生指出其問題所在，老師點評。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生討論，回顧本節(jié)課的收獲。

讓小組學(xué)生向全班展示實驗操作過程，其他小組同學(xué)進行觀察，對比同學(xué)之間的實驗，找出自己和別人的不足，并展示學(xué)生實驗中的問題，這一過程不僅培養(yǎng)了學(xué)生的小組合作能力、批判性思維，還通過同學(xué)的監(jiān)督來提升自己的科學(xué)實驗態(tài)度與責(zé)任。課堂總結(jié)中也引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物理核心素養(yǎng)中的物理概念、思維方法和實驗技能。

五、教學(xué)反思

本節(jié)課通過創(chuàng)設(shè)情景引入電阻，用河流類比建立電阻概念，具有形象性、趣味性，通過精心設(shè)置疑點，實驗探究，讓學(xué)生產(chǎn)生認知困惑，引起反思，形成必要的認知沖突，從而促成對新知識的建構(gòu)，體現(xiàn)了對培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的設(shè)計，通過所創(chuàng)設(shè)的情景，讓學(xué)生從生活實際的角度來認識電阻的概念，通過類比法激活學(xué)生的科學(xué)思維，有效幫助學(xué)生實現(xiàn)從前概念到新知的升華。通過影響電阻因素實驗，讓學(xué)生自主探究實驗的全部環(huán)節(jié)，提升實驗探究的能力。讓學(xué)生展示自己的成果及學(xué)生互評，幫助學(xué)生找出問題，從而形成科學(xué)精神與價值觀，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和核心素養(yǎng)，為概念教學(xué)提供重要依據(jù)。

參考文獻：

[1]王玉涵，代偉，鄒勤.初中物理概念教學(xué)優(yōu)化思考[J].中學(xué)物理，2016（34）：11.

[2]王冬蓮.換個角度看物理：電學(xué)中的抽象概念形象化[J].陜西教育（教學(xué)），2010（4）：52-53.

[3]徐游.電磁學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2004：147，152-153.endprint