“問題導(dǎo)向”驅(qū)動 促進(jìn)觀念建構(gòu)
——以多用電表原理的復(fù)習(xí)為例

呂國通，鄒韓仕

1.汕頭經(jīng)濟(jì)特區(qū)林百欣中學(xué)，廣東 汕頭 515041

2.汕頭市澄海蘇北中學(xué)，廣東 汕頭 515829

新一輪課程改革正轟轟烈烈地實施推進(jìn)，但筆者觀察到，落實到課堂教學(xué)中的“模式化”“程序化”傾向仍比較嚴(yán)重，“形式化”“淺表化”“碎片化”問題仍較為突出。重知識傳授、輕能力培養(yǎng)的狀態(tài)仍沒有從根本上得到改觀，學(xué)生作為學(xué)習(xí)者的主體地位仍未能得到真正意義上的尊重[1]。可見，教師教育教學(xué)觀念的更新和改變依然任重道遠(yuǎn)。

筆者以多用電表（直流電流電壓擋和電阻擋）原理的復(fù)習(xí)教學(xué)為例，整合教材、活化教材，探討在實驗復(fù)習(xí)課中如何創(chuàng)設(shè)問題情境，并以此為驅(qū)動導(dǎo)向牽引，引發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生物理觀念，推進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的培育，以期對高中物理教師開展實驗復(fù)習(xí)教學(xué)有所啟發(fā)。

1 基于深度學(xué)習(xí)的教學(xué)邏輯

深度學(xué)習(xí)反對碎片化、割裂式的知識獲取方式，強(qiáng)調(diào)高級思維能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)多種知識和信息間的聯(lián)接，包括多學(xué)科知識融合及新舊知識的聯(lián)系，指向知識的結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)化。筆者在多用電表原理的復(fù)習(xí)教學(xué)中，整合人教版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·物理》選修3-1[2]和選修3-2[3]的教學(xué)內(nèi)容，融合相關(guān)的教材資源，創(chuàng)設(shè)一系列問題，其目的在于引導(dǎo)學(xué)生深入認(rèn)識磁電式電流表的基本結(jié)構(gòu)和功能，為后面的繼續(xù)學(xué)習(xí)作鋪墊。圖1是教學(xué)的基本思路。其中，磁電式電流表的原理是問題導(dǎo)向的邏輯起點(diǎn)，電流表功能的變化拓展是問題導(dǎo)向的中心，“電阻”觀念是問題導(dǎo)向的焦點(diǎn)。

圖1 教學(xué)流程圖

2 “問題導(dǎo)向”驅(qū)動下的教學(xué)實施要素探析

深度學(xué)習(xí)與機(jī)械學(xué)習(xí)的不同之處是，即使是低水平的認(rèn)知過程（如科學(xué)概念的記憶與再認(rèn)），也需要將其融入到更為真實、復(fù)雜的任務(wù)背景中，而不僅是回憶抽象的概念本身?！皢栴}導(dǎo)向”驅(qū)動下的教學(xué)實施，注重在真實情境下引導(dǎo)學(xué)生回歸問題的本質(zhì)、本原，通過多維度的結(jié)構(gòu)化情境，由一個問題中心進(jìn)行發(fā)散、延展、遷移、聚合，從而幫助學(xué)生進(jìn)入到知識“內(nèi)部”，對知識進(jìn)行重認(rèn)和結(jié)構(gòu)化組織，最終形成個性化的認(rèn)知系統(tǒng)。

2.1 追本溯源，再識電表

對電流表原理的重認(rèn)與深化，需要創(chuàng)設(shè)真實的任務(wù)背景，從不同維度的“是什么”“為什么”“怎么樣”出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生再次感悟知識的來龍去脈。其教學(xué)過程如下：

2.1.1 再識磁電式電流表的結(jié)構(gòu)

展示并演示G表，拆去后蓋，實物投影配合圖2介紹永久磁鐵、極靴、鐵質(zhì)圓柱、線圈（繞在鋁框上）、轉(zhuǎn)軸、螺旋彈簧、刻度盤、指針、平衡錘、接線柱等。

圖2 磁電式電流表結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 問題導(dǎo)向驅(qū)動

問題1：磁電式電流表的物理學(xué)原理是什么？為什么指針偏轉(zhuǎn)角度的大小可以反映通過電表電流的大??？體現(xiàn)什么思想方法？

學(xué)生通過新課學(xué)習(xí)基本原理：通電線圈在磁場中受安培力F作用發(fā)生轉(zhuǎn)動，F(xiàn)=nBIL（n為線圈匝數(shù)，B⊥I）。引導(dǎo)學(xué)生觀察其基本構(gòu)造，領(lǐng)悟線圈無電流通過時，螺旋彈簧處于自然狀態(tài)，線圈處于水平位置，指針指向零刻度；線圈通入電流時，線圈兩對邊的安培力使其繞中心軸轉(zhuǎn)動，螺旋彈簧產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)阻力，當(dāng)其與安培力作用效果相當(dāng)時，線圈停在某一位置，指針指示相應(yīng)電流大小。學(xué)生經(jīng)歷指針轉(zhuǎn)動原理的深度“掃描”，自然體會到指針偏轉(zhuǎn)角度的大小可反映通過電流的大小，體現(xiàn)轉(zhuǎn)換的思想方法。

問題2：如圖3所示，為什么兩極靴與鐵質(zhì)圓柱間的磁場要這樣設(shè)計？圖中虛線圓周各處磁感應(yīng)強(qiáng)度大小和方向怎樣？

圖3 均勻輻射分布的磁場

引導(dǎo)學(xué)生理解均勻輻射分布的功能：使磁場大小處處相等，方向沿半徑方向。

問題3：兩極靴間磁場是否如圖4所示，為什么？……

圖4 兩極靴間可能磁場

引導(dǎo)學(xué)生通過磁感線不能相交簡單判斷。這部分為大學(xué)物理知識預(yù)留思維空間。

問題4：請在圖5中兩個不同位置畫出線圈受到安培力的示意圖，你有什么收獲或體會？

圖5 線圈在輻射磁場中

教師提問并實物投影，指正。引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟線圈一對邊在不同位置所受安培力大小相等、方向垂直于半徑，安培力大小與半徑的乘積不變，即線圈轉(zhuǎn)動過程安培力的作用效果總是相同；再引導(dǎo)學(xué)生觀察分析：線圈無論轉(zhuǎn)到什么位置，它的平面都跟磁感線平行，線圈兩對邊受到大小相等、方向相反的一對安培力作用，表盤的刻度均勻。

問題5：螺旋彈簧有什么主要作用？線圈為什么需要繞在鋁框上？

列舉推拉“彈簧門”讓學(xué)生類比后明白：線圈通電后繞軸轉(zhuǎn)動，螺旋彈簧產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)阻力，使線圈停在某一位置；線圈斷電時，螺旋彈簧恢復(fù)原狀使線圈回到水平位置。再通過一空粉筆盒纏上導(dǎo)線模擬線圈轉(zhuǎn)動，引導(dǎo)學(xué)生觀察線圈轉(zhuǎn)動過程中鋁框和線圈中的磁通量一直在改變，鋁框內(nèi)和線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，磁場對感應(yīng)電流有安培力作用，阻礙鋁框和線圈的轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生電磁阻尼保護(hù)指針不被打壞。

問題6：磁電式電流表的內(nèi)阻Rg是指哪個基本構(gòu)件的電阻？滿偏電流Ig本質(zhì)上是什么？

通過與滑動變阻器的銘牌類比，結(jié)合G表結(jié)構(gòu)的觀察，引導(dǎo)學(xué)生明白G表內(nèi)阻Rg是指線圈總電阻，滿偏電流Ig是指線圈允許通過的最大電流。介紹Rg（幾十歐到幾百歐）和Ig（幾十微安到幾毫安）是G表的基本參數(shù)，“派生”參數(shù)是滿偏電壓Ug=IgRg。

圖6展示了常用電表，圖6甲是常用G表實物圖。

圖6 G表、電流表、電壓表、多用電表

2.1.3 物理觀念培育

通過創(chuàng)設(shè)遞進(jìn)式的問題情境，引發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生“有血有肉”地認(rèn)識磁電式電表的基本結(jié)構(gòu)和功能，體驗類比和轉(zhuǎn)換等科學(xué)方法的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生在原來認(rèn)知的基礎(chǔ)上認(rèn)識到G表實質(zhì)上是一個可測小電流和小電壓的“特殊電阻”，幫助學(xué)生形成“電阻”觀念，這是一種認(rèn)識上的提煉和升華，是對“電流表”知識的重構(gòu)和再組織；同時，通過問題情境的“立體”激趣，增強(qiáng)學(xué)生的求知欲望，在問題的解決中讓學(xué)生充分體會物理知識在生活中的應(yīng)用，養(yǎng)成勤于思考的習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生分析綜合、推理論證等能力。

2.2 量程擴(kuò)大，思維進(jìn)階

教學(xué)中，教師需引導(dǎo)幫助學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行重新建構(gòu)，賦予其與自己的經(jīng)驗和認(rèn)知相容的特殊意義，實現(xiàn)意義關(guān)聯(lián)。深度學(xué)習(xí)重視知識的理解、遷移運(yùn)用和問題解決，學(xué)習(xí)情境必須和學(xué)習(xí)者的感官形式（表達(dá)、傾聽、交換）聯(lián)結(jié)在一起，才能引發(fā)個體的深層興趣，將學(xué)習(xí)重點(diǎn)導(dǎo)向根本性問題。教學(xué)中，教師以G表為基本點(diǎn)，指出其基本特點(diǎn)是靈敏度高，但量程又很小，若要用它測量較大的電流，該如何改裝，以滿足要求？

2.2.1 問題驅(qū)動導(dǎo)向

問題1：圖7是某G表的刻度盤，其內(nèi)阻Rg=100 Ω。要把它改裝成量程為0.6 A的電流表，請畫出原理示意圖。

圖7 電流表刻度盤

學(xué)生已領(lǐng)悟G表為可測小電流的“特殊電阻”，要測量較大的電流，可并聯(lián)電阻分流，容易設(shè)計出圖8所示示意圖，教師實時規(guī)范展示。

圖8 原理示意圖

問題2：請求出圖8中R的阻值和改裝后電流表的內(nèi)阻RA1。

請學(xué)生黑板演示并交流。擴(kuò)大的倍數(shù)：

問題3：在圖8的基礎(chǔ)上，請利用單刀雙擲開關(guān)設(shè)計一個雙量程（0.6 A和3 A）電流表原理圖，并說出設(shè)計理由。

教師巡堂個別指正，投影圖9和圖10所示典型圖，提問學(xué)生設(shè)計理由，傾聽并指正，規(guī)范其表述。圖9理由：開關(guān)擲向a時G表并聯(lián)電阻R1，電流表量程為0.6 A；開關(guān)擲向b時G表并聯(lián)電阻R2，電流表量程為3 A。圖10理由：開關(guān)擲向a時G表與R2串聯(lián)后再與R1并聯(lián)，電流表量程為3 A；開關(guān)擲向b時電阻R1與R2串聯(lián)后再與G表并聯(lián)，電流表量程為0.6 A。

圖9 電流表原理圖

圖10 電流表原理圖

問題4：請分別求出圖9和圖10原理圖中R1、R2的阻值，并在圖7標(biāo)出刻度盤的數(shù)據(jù)。

圖11 電流表兩個量程刻度

問題5：請分析圖9、圖10原理圖，雙量程電流表宜采用哪個圖？

學(xué)生4人一組交流討論，形成一致意見，各小組推選1位陳述人。教師提問，師生交流，統(tǒng)一意見。圖9的優(yōu)點(diǎn)：量程間相互獨(dú)立、互不影響。圖9的缺點(diǎn)：一是分流電阻R的阻值很小，開關(guān)的接觸電阻包含在分流電路中，會引起較大的測量誤差；二是當(dāng)開關(guān)接觸不良而導(dǎo)致分流電路斷開時，被測電流全部流過表頭可能燒毀表頭。圖10的缺點(diǎn)：量程相互影響，計算分流電阻較復(fù)雜。圖10的優(yōu)點(diǎn)：一是開關(guān)的接觸電阻處在被測電路中，對分流準(zhǔn)確度無影響；二是當(dāng)開關(guān)接觸不良時，被測電流不會流過表頭。故宜采用圖10原理圖。

展示學(xué)生電流表實物如圖6乙所示。

問題6：請利用圖7的G表，設(shè)計一個雙量程（3 V和15 V）電壓表原理圖，并說出設(shè)計理由。

提問學(xué)生設(shè)計理由，教師傾聽并指正，規(guī)范其表述。投影圖12和圖13典型圖。圖12理由：當(dāng)G表電流滿偏時，其兩端電壓為Ug=IgRg=0.3 V，G表擴(kuò)大為雙量程，利用串聯(lián)電阻的分壓作用，只需串聯(lián)兩個合適電阻即可，串聯(lián)電阻R=（n-1）Rg，n 為擴(kuò)大倍數(shù)，可得 R3=900 Ω、R4=4900 Ω。 圖13理由：原理與圖12基本相同，不同之處在于“量程 2”G 表與 2 個電阻串聯(lián)，串聯(lián)電阻 R總=（n-1）Rg，n 為擴(kuò)大倍數(shù)，可得 R3=900 Ω、R4=4000 Ω

圖12 電壓表原理圖

圖13 電壓表原理圖

問題7：請比較圖12、圖13原理圖，雙量程電壓表宜采用哪個圖？

與問題5類似，師生交流討論，形成一致意見：圖12，一旦電阻R3或R4發(fā)生短路，容易燒壞G表；圖13，一旦電阻R4發(fā)生短路，R3起保護(hù)G表的作用，故宜采用圖13的原理圖。

展示學(xué)生電壓表實物如圖6丙所示。

2.2.2 物理觀念培育

通過創(chuàng)設(shè)遞進(jìn)式的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷電流表、電壓表擴(kuò)大量程原理圖的設(shè)計過程，在系列的“設(shè)計”中自主建構(gòu)串、并聯(lián)電路和歐姆定律等必備知識，讓學(xué)生充分體會磁電式電表量程擴(kuò)大過程本質(zhì)上是一個特殊“可變電阻”的確立過程，培養(yǎng)學(xué)生物理觀念。同時，學(xué)生在問題解決過程中，對設(shè)計原理圖進(jìn)行交流反思改進(jìn)，不但有效增強(qiáng)學(xué)生解決實際問題的能力，而且能引發(fā)學(xué)生思維進(jìn)階，培養(yǎng)分析綜合、推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等關(guān)鍵能力，落實學(xué)科核心素養(yǎng)的培育。

2.3 功能拓展，思維發(fā)散

遷移與應(yīng)用是深度學(xué)習(xí)的特征之一，也是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新意識的重要途徑。學(xué)生前面已經(jīng)經(jīng)歷了G表結(jié)構(gòu)的深度再認(rèn)識、G表量程擴(kuò)大等知識內(nèi)容的內(nèi)化學(xué)習(xí)，頭腦中對G表的本質(zhì)有了清晰的了解，從G表測量功能拓展的維度考量，教學(xué)中啟發(fā)學(xué)生：能否用G表測量電阻？

2.3.1 問題驅(qū)動導(dǎo)向

問題1：圖7電流表G兩端加上0.3 V電壓時，電流達(dá)到滿偏，若該表接在電動勢E=0.3 V的電源兩端，電流能否滿偏？

師生互動，引導(dǎo)學(xué)生明白電源存在內(nèi)阻。

問題2：圖14所示電路中，電源電動勢E=1.5 V、內(nèi)阻r=0.5 Ω，要使G表滿偏，變阻器R接入電阻多大？

圖14 歐姆表電路

問題3：圖14所示電路中，G表滿偏后保持R不變，斷開開關(guān) S，在 a、b兩點(diǎn)接入電阻R1=500 Ω，請在圖7中標(biāo)出指針的大致位置。

教師巡堂，發(fā)現(xiàn)問題及時指正，投影圖15。

圖15 指針位置

問題4：在問題3中，若接入電阻分別為R2=1000 Ω、R3=2500 Ω，請在圖16中標(biāo)出指針的大致位置。能否利用該電路“測”電阻？說說想法。

圖16 指針位置

實物投影巡堂發(fā)現(xiàn)的問題，師生交流。指針的大致位置如圖16所示。通過“標(biāo)示指針位置”可知，該電路a、b兩點(diǎn)接入的電阻和電路中的電流有一一對應(yīng)關(guān)系，若把G表的“3 mA”“1.5 mA”“1 mA”和“0.5 mA”刻度線分別標(biāo)為“0 Ω”“500 Ω”“1000 Ω”和“2500 Ω”，其他電流刻度則按的規(guī)律換成電阻的標(biāo)度，表盤的刻度如圖17所示，刻度線右疏左密，這樣該電路就可“測”電阻。

圖17 歐姆表刻度

2.3.2 物理觀念培育

通過一個閉合電路來創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生利用閉合電路歐姆定律等知識解決“問題”，體驗知識轉(zhuǎn)化遷移，幫助學(xué)生在解決問題中充分領(lǐng)悟到測量電阻本質(zhì)上也是測量電流，促進(jìn)學(xué)生物理觀念的建構(gòu)。同時，教學(xué)中知識的呈現(xiàn)不是簡單直接“推送”，而是充分創(chuàng)設(shè)真實問題解決的結(jié)構(gòu)化情境，引導(dǎo)學(xué)生在“問題”解決中重歷知識生發(fā)的過程，增強(qiáng)實踐應(yīng)用的意識，引發(fā)學(xué)生思維拓展進(jìn)階，促進(jìn)學(xué)生分析綜合、推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等關(guān)鍵能力的培養(yǎng)和提升。

2.4 功能整合，思維聚合

學(xué)生經(jīng)歷了上述的探究過程，對電流表、電壓表、歐姆表的原理示意圖有了較為深刻的認(rèn)識。筆者抓住“三表”均有G表的特點(diǎn)，設(shè)計了圖18甲、乙、丙所示的示意圖，創(chuàng)設(shè)了系列問題情境導(dǎo)向驅(qū)動，“深度”追問，引發(fā)學(xué)生主動對學(xué)習(xí)內(nèi)容深度加工，最大限度地幫助學(xué)生把握知識的內(nèi)在聯(lián)系與本質(zhì)，由博返約，發(fā)展學(xué)生的聚合思維。

圖18 電流表、電壓表和歐姆表的示意圖

2.4.1 問題驅(qū)動導(dǎo)向

問題1：請利用圖18設(shè)計簡單多用電表示意圖，并說說你的設(shè)計思路。

教師巡堂，投影典型設(shè)計圖，師生交流，點(diǎn)評。典型圖如圖19、圖20所示，引導(dǎo)學(xué)生厘清基本設(shè)計思路：兩個圖都把圖18甲、乙、丙圖串接在一起，測量電流、電壓都沒問題。但圖19測電阻時A表串聯(lián)多一個電阻，不合理，故圖20合理。

圖19 學(xué)生設(shè)計的示意圖

圖20 學(xué)生設(shè)計的示意圖

問題2：類似問題1的方法，請利用圖10、圖13和圖14的示意圖設(shè)計多量程多用電表示意圖。

教師巡堂，發(fā)現(xiàn)問題及時指正。投影圖21規(guī)范示意圖。

圖21 較復(fù)雜多用電表示意圖

問題3：請利用一個單刀多擲開關(guān)，設(shè)計至少兩個量程的多用電表示意圖。

教師巡堂，發(fā)現(xiàn)問題及時指正。投影圖22規(guī)范示意圖。阻讀數(shù)不同，根據(jù)可知，電動勢E和E'一定不相等。

圖22 多量程多用電表示意圖

展示多用電表實物如圖6丁所示。

2.4.2 物理觀念培育

通過電流表、電壓表、歐姆表的示意圖來創(chuàng)設(shè)問題情境驅(qū)動導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生對“示意圖”進(jìn)階設(shè)計，引發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)、思維進(jìn)階，培養(yǎng)學(xué)生初步的遷移能力以及合作交流和評估反思的能力，幫助學(xué)生形成物理觀念，并引導(dǎo)學(xué)生多角度、多

問題4：圖22中哪支表筆是黑表筆？電源電動勢E和E'能否相等，為什么？

教師提問，師生交流。引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟：多用電表正常使用時電流從紅表筆流進(jìn)表頭，指針向右偏轉(zhuǎn)，因此可從電流方向——G表正負(fù)接線柱或電源極性，來判斷紅、黑表筆，故圖22中B表筆是黑表筆。根據(jù)原理圖可知，歐姆表指針指在同一位置，流過表頭電流必相同，不同量程被測電維度思考問題，鼓勵學(xué)生大膽質(zhì)疑，樹立批判性思維的意識，從而促進(jìn)科學(xué)思維的發(fā)展。

最后，把整個教學(xué)過程梳理為圖23所示的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生把學(xué)習(xí)內(nèi)容系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化。閉環(huán)中G表（測小電流小電壓的“特殊電阻”）既是閉環(huán)的起點(diǎn)，也是終點(diǎn)，學(xué)生只要形成“電阻”觀念，就不難明白電流表、電壓表僅是G表電阻“變小”“變大”的道理。而多用電表不外乎是若干個“特殊電阻”聚合在一起的和諧“大家庭”。

圖23 教學(xué)過程閉環(huán)圖

3 結(jié)語

綜上實驗復(fù)習(xí)案例可以看出，實驗課復(fù)習(xí)教學(xué)不能亦步亦趨跟著教輔資料走，不能被其程序化的APP課件牽著“鼻子”走，不能充當(dāng)知識的“搬運(yùn)工”或“推送員”，不能停留在有教無學(xué)的“淺層學(xué)習(xí)”上；而是要依托教材、整合教材，復(fù)活教材、活化教材，要把“靜態(tài)教材”轉(zhuǎn)化為“活性學(xué)習(xí)”，要著力于從“教”的設(shè)計轉(zhuǎn)向“學(xué)”的設(shè)計，通過積極創(chuàng)設(shè)問題情境精準(zhǔn)驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟知識的“來世今生”，重歷知識的生發(fā)過程，以“問題”的解決導(dǎo)向科學(xué)思維的“浸潤”體驗，引發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生物理觀念建構(gòu)，用心、用力、用情落實學(xué)科核心素養(yǎng)的培育。