基于初中物理核心素養(yǎng)的教材資源建設(shè)實(shí)踐研究
——以蘇科版綜合實(shí)踐活動(dòng)“模擬病房呼叫系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)”為例

王曉琳

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)江寧分校 江蘇 南京 211102)

季衛(wèi)新

(南京市雨花臺(tái)區(qū)教師發(fā)展中心 江蘇 南京 210012)

1 研究背景與現(xiàn)狀

1.1 背景

本次綜合實(shí)踐活動(dòng)屬于教材資源的拓展，重在解決綜合實(shí)踐活動(dòng)中，器材選擇這個(gè)環(huán)節(jié)的問題.

課題組在第十三章綜合實(shí)踐活動(dòng)“設(shè)計(jì)病房呼叫系統(tǒng)”實(shí)踐時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題：學(xué)生使用自己購(gòu)買的“學(xué)生實(shí)驗(yàn)器材盒”中的電鈴和燈泡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，正確連接完電路，如圖1所示，閉合開關(guān)時(shí)卻發(fā)現(xiàn)燈泡很亮，電鈴卻不響.由于當(dāng)時(shí)學(xué)生儲(chǔ)備的知識(shí)有限，老師沒有做出解釋，而是去電器商城購(gòu)買了發(fā)光二極管和蜂鳴器提供給學(xué)生，從而順利完成了安裝.

圖1 設(shè)計(jì)病房呼叫系統(tǒng)電路圖

1.2 現(xiàn)狀

目前課題組對(duì)綜合實(shí)踐活動(dòng)的評(píng)價(jià)主要側(cè)重結(jié)果性評(píng)價(jià)，即對(duì)學(xué)生所做作品的一種終端評(píng)價(jià).由于活動(dòng)大部分在校外進(jìn)行，故過程較難觀察，很多思維性的問題沒有呈現(xiàn)，或者說呈現(xiàn)得很模糊.課題組與一些教師交流時(shí)發(fā)現(xiàn)，做過“病房呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)”活動(dòng)的學(xué)校，也遇到和課題組類似的問題，教師們的做法也基本相似，即直接提供器材給學(xué)生.可是這個(gè)遺留的問題隨著本章綜合實(shí)踐活動(dòng)的結(jié)束似乎就被遺忘了.

如果課題組在學(xué)生完成作品設(shè)計(jì)后，將學(xué)生遇到的問題進(jìn)行梳理，教師進(jìn)行深度的備課，利用課堂進(jìn)行交流，引導(dǎo)學(xué)生去思考和解決，這會(huì)對(duì)學(xué)生的思維品質(zhì)有進(jìn)一步的提升.因此課題組等學(xué)生完成了初中電學(xué)模塊的所有學(xué)習(xí)任務(wù)，具備了分析電路的能力后，把這個(gè)問題再拿出來分析，以期得到解決.這樣學(xué)生在電學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)如何選擇器材會(huì)有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí).

2 器材選擇與操作

2.1 器材選擇

本節(jié)課的任務(wù)是要讓學(xué)生學(xué)會(huì)挑選滿足電路功能所需要的器材.按照學(xué)生的認(rèn)知水平，是從不同規(guī)格的器材中挑一個(gè)出來與另一個(gè)器材進(jìn)行匹配實(shí)驗(yàn)，看看能否成功.這種實(shí)驗(yàn)其實(shí)是盲目的，就算最后匹配成功了，也是運(yùn)氣，而且要花很長(zhǎng)的時(shí)間.但課題組希望在課堂上首先呈現(xiàn)這樣的一種原始思維方式，在此基礎(chǔ)上逐步引導(dǎo)，將學(xué)生的思維過程完整呈現(xiàn)，考慮到實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間，因此選了兩種規(guī)格的電鈴和兩種規(guī)格的燈泡進(jìn)行組合.

器材清單如下(如圖2所示)：

電鈴1：工作電壓4～8 V，工作電流0.6～0.8 A；

電鈴2(蜂鳴器)：工作電壓3～6 V，工作電流0.01～0.02 A；

燈泡1：額定電壓2.5 V，額定電流0.3 A；

燈泡2(發(fā)光二極管)：工作電壓1.6～1.7 V，工作電流0.01～0.03 A；

學(xué)生電源、導(dǎo)線、開關(guān)、15 Ω定值電阻、5 Ω定值電阻、電壓表、電流表.

圖2 病房呼叫系統(tǒng)器材

2.2 操作組合

電鈴和燈泡的組合一共有4種情況，如表格1所示.

表1 電鈴和燈泡的組合

首先還原學(xué)生在之前的活動(dòng)中遇到的問題，即組合1出現(xiàn)的問題——燈泡很亮，電鈴不響，如圖3所示.然后引導(dǎo)學(xué)生思考不成功的原因，并思考有什么辦法可以解決.在完成了這個(gè)組合的基礎(chǔ)上，快速完成組合2、組合3的連接，并自主解決問題.最后呈現(xiàn)組合4，即在之前綜合活動(dòng)中教師提供的器材組合，思考成功的原因.

圖3 組合1出現(xiàn)燈亮、電鈴不響的情形

3 證據(jù)分析與結(jié)論

3.1 判斷電鈴不響的原因

(1)證據(jù)分析：用電器不工作的原因，學(xué)生早已掌握，即斷路、短路、工作電壓過低.學(xué)生根據(jù)串聯(lián)電路的工作特點(diǎn)排除斷路的可能性，而對(duì)于短路和電壓過低這兩個(gè)因素?zé)o法明確，故采用測(cè)量電鈴兩端電壓的方式進(jìn)行判斷.

(2)現(xiàn)象：電壓表有示數(shù).

(3)結(jié)論：電鈴不工作是因?yàn)閮啥穗妷哼^低.

3.2 如何讓電鈴兩端的電壓變高

(1)方案一：提高電源電壓.

證據(jù)分析：由于燈泡已經(jīng)非常亮，如果提高電源電壓，會(huì)使燈泡兩端電壓過高燒壞.

結(jié)論：不可提高電源電壓.

(2)方案二：燈泡和一個(gè)電阻串聯(lián)后再和電鈴并聯(lián)，如圖4所示.

圖4 方案二電路實(shí)物圖

證據(jù)分析：燈泡和電阻兩端的總電壓和電鈴所需的電壓相同，可以解決問題.但這樣的設(shè)計(jì)需要很多電鈴，浪費(fèi)資源.

結(jié)論：不建議使用.

(3)方案三：將燈泡和電磁繼電器安裝在低電壓的電路中，把電鈴安裝在高電壓的電路中，低電壓控制高電壓.

證據(jù)分析：設(shè)計(jì)出電路圖，如圖5所示.

圖5 方案三電路圖

結(jié)論：理論上可行.

(4)方案四：在燈泡兩端并聯(lián)一個(gè)電阻，如圖6所示.

圖6 方案四電路實(shí)物圖

證據(jù)分析：電阻兩端并聯(lián)電阻后，總電阻變?。辉诖?lián)電路的分壓原理.

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：將組合1，2，3中，某一個(gè)用電器兩端并聯(lián)一個(gè)電阻，將其兩端電壓降低，另一個(gè)用電器兩端的電壓升高.

結(jié)論：方案可行，但并聯(lián)的那個(gè)電阻會(huì)消耗能量，不是最佳方案.

3.3 組合4的器材成功匹配的原因

證據(jù)分析：如圖7所示，串聯(lián)電路中電流處處相等，要使兩個(gè)用電器都能工作，電流值是相近的.

圖7 用電器單獨(dú)連接在電路中的實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：分別測(cè)出發(fā)光二級(jí)管單獨(dú)連在電源兩端工作時(shí)的電流值、蜂鳴器單獨(dú)工作時(shí)的電流值，發(fā)現(xiàn)都在0.01 A左右.

結(jié)論：串聯(lián)在電路中的用電器，當(dāng)它們的額定電流值接近時(shí)，都能正常工作.

4 核心素養(yǎng)的凸顯與呈現(xiàn)

本節(jié)課以解決問題為載體凸顯學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，第一次是判斷電鈴不響的原因，第二次是解決串聯(lián)電路中如何讓一個(gè)用電器兩端的電壓變小的問題，第三次是分析用電器要滿足什么樣的條件時(shí)，串聯(lián)在一起才能正常工作.在教學(xué)的過程中，學(xué)生以對(duì)話、動(dòng)手操作的方式進(jìn)行思維呈現(xiàn)，互相交流方案、進(jìn)行辯論，指出某些方案的不足，最終達(dá)成共識(shí).

4.1 第一次思辨

現(xiàn)象1：學(xué)生完成組合1的連接后，發(fā)現(xiàn)燈泡很亮、電鈴不響.

師：你認(rèn)為電鈴不響的原因是什么？說說你判斷的依據(jù).

生：應(yīng)該不是電鈴斷路，如果斷路，燈泡不會(huì)亮，可能是電鈴短路.

生：不太可能短路，因?yàn)椴豢赡苊總€(gè)小組都出現(xiàn)短路問題，這太巧合了.

生：可能是電鈴兩端的電壓過低，不能讓電鈴響起來.

師：那你怎么證明電鈴是短路還是兩端電壓過低？

生：用電壓表來量一下電鈴兩端的電壓.

師：很好，我們來試一試.

學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)1 min.

師：觀察到什么？

生：電鈴兩端是有電壓的.

師：看來我們找到了原因——電鈴兩端電壓過低.

4.2 第二次思辨

現(xiàn)象2：學(xué)生找到了電鈴不響的原因——電鈴兩端電壓過低.

師：你準(zhǔn)備如何提高電鈴兩端的電壓？請(qǐng)你利用所學(xué)的電學(xué)綜合知識(shí)為你解決問題的方案提供證據(jù).

生：可以提高電源電壓.

生：不行，這樣燈泡兩端的電壓更高，很快燒壞了.

生：可以讓燈泡和一個(gè)電阻串聯(lián)后再和電鈴并聯(lián)，這樣提高電源電壓后，燈泡不會(huì)被燒壞.

生：這樣需要很多電鈴，太浪費(fèi).

生：可以將燈泡和電磁繼電器安裝在低電壓的電路中，把電鈴安裝在高電壓的電路中，這樣閉合低電壓電路的開關(guān)，燈泡亮，同時(shí)電磁繼電器工作，吸下銜鐵，讓電鈴所在的高電壓電路連通，從而完成功能要求.

師：這個(gè)想法非常新穎，課后我們一起來設(shè)計(jì)一下這個(gè)電路.還有其他方法嗎？

生：可以在燈泡兩端并聯(lián)一個(gè)電阻，使燈泡兩端電壓降低，電鈴兩端電壓變高.

師：這個(gè)方案我們可以來試試.

給學(xué)生發(fā)15 Ω和5 Ω的電阻，進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

師：成功了嗎？我們來聽聽各組是怎么做的.

生：我們把15 Ω的電阻并到燈泡兩端，沒有成功；后來?yè)Q成將5 Ω的并到燈泡兩端，就成功了.

生：我們把5 Ω并到燈泡兩端也沒有成功，后來我們5 Ω兩端再并聯(lián)15 Ω的電阻，也成功了.

師：想一想，為什么并聯(lián)15 Ω的電阻不成功，但并聯(lián)5 Ω或者將兩個(gè)電阻都并聯(lián)上去卻成功了？

生：并聯(lián)的電阻越多，等效的電阻越小，兩端分到的電壓越低.

生：并聯(lián)的電阻越小，等效的電阻越小，兩端分到的電壓越低.

4.3 第三次思辨

現(xiàn)象3：在組合4成功后，教師引導(dǎo)學(xué)生去思考成功的原因.

師：你們覺得當(dāng)時(shí)老師去挑選這兩個(gè)器材的時(shí)候，也像剛才同學(xué)們那樣一個(gè)組合一個(gè)組合測(cè)試的嗎？

生：不可能.

師：那你們有沒有想過，老師是怎么挑選的.為什么這個(gè)組合能成功？

生：它們的規(guī)格匹配.

師：什么規(guī)格匹配？指什么物理量？

生：應(yīng)該是電流吧，因?yàn)樗鼈兪谴?lián)的，通過它們的電流一樣，所以我覺得可能是它們正常工作時(shí)的電流值相近.

師：發(fā)光二極管在電流為0.01 A左右就能發(fā)光，那我們來測(cè)試一下蜂鳴器發(fā)聲時(shí)經(jīng)過它的電流.

學(xué)生實(shí)驗(yàn).

師：請(qǐng)你匯報(bào)一下蜂鳴器工作時(shí)的電流.

生：0.02 A不到，估計(jì)在0.01 A左右.

師：看來和我們猜想的一致.

5 過程性評(píng)價(jià)

5.1 能有效達(dá)成教學(xué)目標(biāo)

本節(jié)課的目標(biāo)是要讓學(xué)生總結(jié)出：串聯(lián)的用電器要工作電流相接近才能一起工作，并聯(lián)的用電器要工作電壓相接近才能一起工作.從最終學(xué)生的回答情況來看，這個(gè)目標(biāo)能夠達(dá)成.

5.2 活動(dòng)設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)

首先還原學(xué)生的原始認(rèn)知，遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律；其次在面臨問題時(shí)，能引導(dǎo)學(xué)生綜合利用所學(xué)知識(shí)來解決問題，而學(xué)生在解決問題中表現(xiàn)出來的水平超出教師的想象——有一個(gè)學(xué)生想到將燈泡和電磁繼電器安裝在低電壓的電路中，把電鈴安裝在高電壓的電路中，這樣閉合低電壓電路的開關(guān)，燈泡亮，同時(shí)電磁繼電器工作，吸下銜鐵，讓電鈴所在的高電壓電路連通，從而完成功能要求；最后教師能將本節(jié)課遇到的問題進(jìn)行歸納和總結(jié)提升.

5.3 能關(guān)注學(xué)生素養(yǎng)

有學(xué)生在最后評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)中總結(jié)出：理論的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和實(shí)際的功能性實(shí)現(xiàn)有差異，人類歷史上任何一個(gè)科學(xué)規(guī)律發(fā)現(xiàn)到變成產(chǎn)品投入生產(chǎn)，要解決很多的實(shí)際問題.也有學(xué)生在活動(dòng)過程中感受到小組合作交流的重要性.能看出本次活動(dòng)對(duì)學(xué)生的素養(yǎng)提高是有幫助的.

6 總結(jié)

學(xué)生呈現(xiàn)的問題反映教學(xué)的問題.教師在一開始提出如何選擇器材時(shí)，沒有一個(gè)學(xué)生想到要去觀察一下用電器的規(guī)格，說明在平時(shí)的教學(xué)中，教師和學(xué)生這方面的意識(shí)還不夠.

教師在處理課堂環(huán)節(jié)上還有不足.教師在引導(dǎo)學(xué)生思考第四種組合為何能成功后，應(yīng)該再一次回到之前的3個(gè)組合上，思考為何并聯(lián)了一個(gè)電阻后就能功能匹配了，進(jìn)行再一次思維提升.

綜合實(shí)踐課程形式應(yīng)該是多樣的.有些課堂可以側(cè)重產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，有些課堂可以側(cè)重器材的選擇，有些課堂可以側(cè)重作品的評(píng)價(jià).如果時(shí)間足夠，可以完整呈現(xiàn)整個(gè)綜合實(shí)踐的過程.