“電路”單元教學(xué)設(shè)計(jì)

時(shí)子豪 楊永麗 張石友 任棟

摘 要：本單元以電路為研究情境，以能量為研究中心，深化對(duì)電流、電阻、電功、電動(dòng)勢(shì)等重要概念及焦耳定律、閉合電路歐姆定律等核心規(guī)律的理解.通過(guò)建立物理模型、宏觀與微觀結(jié)合、科學(xué)探究等學(xué)習(xí)過(guò)程，熟悉并掌握物理學(xué)研究方法，完善物理觀念.

關(guān)鍵詞：?jiǎn)卧虒W(xué)設(shè)計(jì);學(xué)科核心素養(yǎng);電路;電能

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）03-0045-05

作者簡(jiǎn)介：時(shí)子豪（1992-），男，北京人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)與實(shí)踐;

楊永麗（1968-），女，北京人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)與實(shí)踐;

張石友（1978-），男，河南人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：物理課程開(kāi)發(fā)與教學(xué)實(shí)踐;

任棟（1993-），女，北京人，本科，中學(xué)二級(jí)教師，研究方向：物理課程與教學(xué)論.

1 單元教學(xué)指導(dǎo)思想

以大概念、大思路、大情境和大問(wèn)題統(tǒng)領(lǐng)物理單元教學(xué)設(shè)計(jì)是北京教育科學(xué)研究院張玉峰老師提出的，是單元教學(xué)設(shè)計(jì)的靈魂，是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑，因此在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)注重整體性認(rèn)識(shí)、單元式設(shè)計(jì)、可遷移化方法.在物理課程單元設(shè)計(jì)中，應(yīng)圍繞大概念的挖掘、整合、組織教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)課前學(xué)生學(xué)習(xí)診斷，掌握學(xué)生實(shí)際疑難點(diǎn)和需求，設(shè)置適合學(xué)生學(xué)習(xí)，與物理知識(shí)相關(guān)的問(wèn)題情境;再基于情境發(fā)現(xiàn)提出問(wèn)題，構(gòu)建問(wèn)題鏈，在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，提升學(xué)生參與度，明確思路，依托物理概念和規(guī)律，解決物理問(wèn)題;同時(shí)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中，整合思想方法，逐步形成具有系統(tǒng)性、可遷移的一般化問(wèn)題的解決思路.

2 單元教學(xué)內(nèi)容分析

“電路”單元是必修第三冊(cè)中的第三、四章，此前，靜電力與電勢(shì)能的概念為本章做好了知識(shí)基礎(chǔ)，本單元在此基礎(chǔ)上將重點(diǎn)圍繞電流的形成及電路中的能量問(wèn)題進(jìn)行研究.

2.1 整合單元知識(shí)，梳理圍繞“大概念”的知識(shí)結(jié)構(gòu)

本單元教學(xué)是將“電場(chǎng)”與“電路”相關(guān)聯(lián)，在靜電場(chǎng)的基礎(chǔ)上開(kāi)展探究活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生追尋物理本質(zhì)的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展學(xué)生的建模、科學(xué)推理、論證等科學(xué)思維水平.單元的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

2.2 挖掘育人價(jià)值，剖析知識(shí)背后隱含的思想方法（見(jiàn)表1）

建議在本單元學(xué)習(xí)過(guò)程中，可以參考內(nèi)容情景，選定課題進(jìn)行研究，如充電寶不同電量時(shí)的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的研究、手機(jī)耗電因素的研究等.引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用相關(guān)物理規(guī)律，完成探究，解決問(wèn)題，做好課前、課中、課后的銜接與融合，實(shí)現(xiàn)物理課程的育人價(jià)值.

3 學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析

以物理學(xué)科核心素養(yǎng)為主線，結(jié)合學(xué)生的課前診斷結(jié)果及教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)情分析如下.

物理觀念：學(xué)生已建立了“場(chǎng)”的觀念、微觀粒子的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念，具備將電場(chǎng)與電路相聯(lián)系的意識(shí)，為自由電荷在電路中的運(yùn)動(dòng)分析做好了準(zhǔn)備.學(xué)生對(duì)功能關(guān)系和能量概念有了一定理解，能量轉(zhuǎn)化與守恒觀念已經(jīng)形成并走向完整.

科學(xué)思維：在利用宏觀微觀結(jié)合思想建立導(dǎo)體內(nèi)恒定電場(chǎng)模型、自由電荷在全電路的運(yùn)動(dòng)模型時(shí)仍面臨較大挑戰(zhàn).學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)串、并聯(lián)電路及其特點(diǎn)，但是，將其規(guī)律及“等效思想”熟練運(yùn)用到混聯(lián)電路中的能力不足，如對(duì)于歐姆定律的適用范圍有理解盲區(qū)，受初中物理中關(guān)于電源輸出電壓不變的影響，認(rèn)為電動(dòng)勢(shì)就是路端電壓.

科學(xué)探究：學(xué)生由于之前科學(xué)實(shí)驗(yàn)的積累，具備了科學(xué)探究的基本素養(yǎng)，能夠運(yùn)用函數(shù)與圖像分析物理問(wèn)題，對(duì)于多次測(cè)量減小偶然誤差等實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)基本形成，因此應(yīng)該可以依照實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)任務(wù)完成實(shí)驗(yàn)探究，但對(duì)于實(shí)驗(yàn)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、系統(tǒng)誤差的證據(jù)支撐、分析方法和手段的靈活度以及針對(duì)探究過(guò)程和結(jié)果的解釋、評(píng)估、反思能力還有待提高.

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：學(xué)生對(duì)于規(guī)律的理解和應(yīng)用往往僅限于解決物理問(wèn)題，并未對(duì)物理規(guī)律的背景深入探索和反思，而學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解是科學(xué)教育的重要目標(biāo)之一，學(xué)生應(yīng)加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)多維度的理解，有目的運(yùn)用各種科學(xué)方法開(kāi)展研究活動(dòng)，建立自然規(guī)律.

4 單元教學(xué)目標(biāo)

（1）學(xué)生建立“場(chǎng)”“路”之間的聯(lián)系，理解電源、電阻、電流等物理量的意義，利用宏觀微觀結(jié)合思想建立自由電荷運(yùn)動(dòng)的微觀模型，完善物理觀念;理解電功、電功率、電熱、熱功率的概念及表達(dá)式的物理意義;通過(guò)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)探究能夠辨析純電阻電路和非純電阻電路電功率與熱功率的關(guān)系.

（2）知道電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻是表征電源特性的物理量，理解電動(dòng)勢(shì)的定義;構(gòu)建微觀模型，從定性的角度進(jìn)行科學(xué)推理，找出電路中自由電荷定向移動(dòng)過(guò)程中，靜電力與非靜電力做功的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，形成結(jié)論;知道靜電力做功與非靜電力做功、電勢(shì)差與電動(dòng)勢(shì)的區(qū)別;會(huì)從能量轉(zhuǎn)化與守恒觀念推導(dǎo)閉合電路歐姆定律，理解閉合電路歐姆定律如何在純電阻、非純電阻電路中的應(yīng)用;會(huì)用閉合電路的歐姆定律從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行科學(xué)推理分析電路中的問(wèn)題.

（3）知道歐姆表的原理并會(huì)使用;通過(guò)導(dǎo)體電阻率的測(cè)量，學(xué)會(huì)游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器的使用，正確選擇測(cè)量電路和控制電路;設(shè)計(jì)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的測(cè)量方案，培養(yǎng)創(chuàng)新思維、科學(xué)探究意識(shí)和質(zhì)疑精神;通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與使用，樹(shù)立證據(jù)意識(shí)，形成應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行研究的科學(xué)素養(yǎng).

5 單元學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)計(jì)（見(jiàn)表2）

6 主要學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)

6.1 以科學(xué)探究促進(jìn)電路模型的構(gòu)建

電功率與焦耳熱、電功率與熱功率的區(qū)別是學(xué)生很難掌握的，焦耳定律在初中已經(jīng)學(xué)過(guò)，但初中學(xué)習(xí)的都是純電阻電路，所以在學(xué)生的認(rèn)知里，電功與焦耳熱是一致的.因此通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，解決純電阻電路與非純電阻電路的本質(zhì)區(qū)別，形成正確的模型是非常重要的.如圖2所示，通過(guò)理論探究與實(shí)驗(yàn)探究，真正從本質(zhì)上理解純電阻電路與非純電阻電路.

6.2 以科學(xué)問(wèn)題和方法引領(lǐng)核心概念教學(xué)

學(xué)生在學(xué)習(xí)電動(dòng)勢(shì)概念之前對(duì)電源在電路中的作用和用恒定電場(chǎng)的知識(shí)解釋電流的形成有了初步的了解，具有能量的觀點(diǎn)，但對(duì)宏觀體現(xiàn)與微觀機(jī)制的結(jié)合方面還很陌生，生活中學(xué)生知道“電源電壓”，對(duì)初中所學(xué)電源電壓不變印象深刻，多數(shù)學(xué)生容易把電動(dòng)勢(shì)與電源兩端電壓混淆，不能區(qū)分電動(dòng)勢(shì)與電勢(shì)以及電勢(shì)差等概念.鑒于學(xué)生存在的問(wèn)題，本節(jié)教學(xué)過(guò)程中主要采取如圖3所示的策略.

6.3 以核心任務(wù)引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)探究

鑒于對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)強(qiáng)化學(xué)生的主體性，讓學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，具體教學(xué)過(guò)程中主要采取圖4所示的策略.

7 學(xué)習(xí)效果診斷與評(píng)價(jià)

7.1 課前學(xué)習(xí)指導(dǎo)與診斷

課前學(xué)習(xí)是教學(xué)的起始環(huán)節(jié)，為學(xué)生在課上進(jìn)一步深入理解知識(shí)、發(fā)展能力、解決問(wèn)題打下基礎(chǔ).課前學(xué)習(xí)目標(biāo)和指導(dǎo)應(yīng)有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深層理解，重難點(diǎn)定位要精準(zhǔn)，學(xué)習(xí)內(nèi)容要具體，問(wèn)題設(shè)置要有層次感.如“電能”的學(xué)前診斷策略為：以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生深度閱讀，促進(jìn)新認(rèn)知的生成.

7.2 課堂認(rèn)知發(fā)展評(píng)價(jià)

7.2.1 完善探究實(shí)驗(yàn)報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力

以實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為過(guò)程性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的發(fā)展.本單元重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)為導(dǎo)體電阻率的測(cè)量、電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的測(cè)量，基于實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)生分別從方案設(shè)計(jì)、儀器操作、數(shù)據(jù)記錄和處理、誤差分析、結(jié)論分析、交流感悟等方面撰寫(xiě)探究實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對(duì)學(xué)生報(bào)告進(jìn)行針對(duì)性指導(dǎo).

7.2.2 深入理解核心規(guī)律，發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維

引導(dǎo)學(xué)生，討論外電路為純電阻時(shí)，不同的物理量間的圖像關(guān)系以及對(duì)圖像的理解，以閉合電路歐姆定律為核心規(guī)律，重點(diǎn)分析了U-I圖像后，讓學(xué)生嘗試畫(huà)出U-R、I-R、P-U、P-I、P-R這五個(gè)圖像，理解圖像的含義，通過(guò)這些圖像全面理解閉合電路歐姆定律，熟練運(yùn)用解析式和圖像分析問(wèn)題，解決問(wèn)題.

7.3 課后素養(yǎng)提升評(píng)價(jià)

（1）設(shè)置典型問(wèn)題，強(qiáng)化解決問(wèn)題的思路和方法：課后測(cè)試題的命制要注意由淺入深，層層遞進(jìn)，要盡可能創(chuàng)設(shè)真實(shí)情景，鍛煉學(xué)生從實(shí)際情景中抽離轉(zhuǎn)化、建立物理模型、討論物理問(wèn)題的能力.

（2）巧用課題研究，參與創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)物理課程的育人價(jià)值：面對(duì)一個(gè)真實(shí)的情境，通過(guò)與已有認(rèn)知的聯(lián)系和分析，提出并表述可以進(jìn)行探究的物理問(wèn)題，由解決固有的課內(nèi)問(wèn)題，轉(zhuǎn)為發(fā)散的、科學(xué)性的社會(huì)問(wèn)題，如充電寶、新能源電動(dòng)汽車供電裝置等.

8 教學(xué)設(shè)計(jì)評(píng)析

從整體上看，本單元教學(xué)設(shè)計(jì)符合發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的課程改革理念.

（1）學(xué)習(xí)內(nèi)容整合，以教材為依托，走出教材，引導(dǎo)學(xué)生探尋電路中基本概念、重要概念和重要規(guī)律的本質(zhì)，體會(huì)規(guī)律的建立過(guò)程以及科學(xué)探究精神.

（2）重視物理情境的創(chuàng)設(shè)，由探討生活中的物理問(wèn)題做單元導(dǎo)入，讓學(xué)生觀察、感受、思考、質(zhì)疑、分析，體會(huì)物理思想方法.在閉合電路歐姆定律的學(xué)習(xí)中，創(chuàng)設(shè)熟悉的實(shí)驗(yàn)情境，引導(dǎo)學(xué)生用熟悉的情境探究新的問(wèn)題.

（3）重視科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境和任務(wù)，讓學(xué)生在觀察和體驗(yàn)后有所發(fā)現(xiàn)、聯(lián)想，萌發(fā)出新的科學(xué)問(wèn)題，運(yùn)用科學(xué)思維、探究解決科學(xué)問(wèn)題.培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題探究的多種設(shè)計(jì)和解法的能力.

（4）以問(wèn)題解決促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成，在本單元的教學(xué)中，無(wú)論是課前、課中還是課后，無(wú)論是概念學(xué)習(xí)還是規(guī)律的探究，均以問(wèn)題和任務(wù)做驅(qū)動(dòng)，基于問(wèn)題解決，讓學(xué)生建立并體會(huì)一個(gè)完整的物理觀念和科學(xué)探究過(guò)程.促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，真正實(shí)現(xiàn)物理課程的育人價(jià)值.

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（收稿日期：2021-01-27）