基于物理核心素養(yǎng)的教學設計和學習情況調(diào)查
——以“測電動勢和內(nèi)電阻”為例

童 鑫

（深圳市光明區(qū)高級中學，廣東 深圳 518106）

0 引言

文章以人教版高中必修三的“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”為例，進行實驗教學設計和學習情況調(diào)查。“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”這節(jié)內(nèi)容基本涵蓋了對學生高中物理素養(yǎng)全方位的考察。對養(yǎng)成學生的物理核心素養(yǎng)能力十分重要[1]。

學生學情分析：學生在學習“測量電源的電動勢和內(nèi)電阻”的時候，已經(jīng)學習了前面必修三關于電場電路的所有知識，已經(jīng)建立起了靜電場的理解以及靜電場與電路之間關系的理解。學生在上這節(jié)課之前已經(jīng)可以根據(jù)歐姆定律用兩組數(shù)據(jù)就可以把電動勢和內(nèi)阻求解出來了。但是不能理解和運用數(shù)據(jù)分析電源電動勢和內(nèi)阻，不能通過分析排除不可靠數(shù)據(jù)。

該節(jié)課的內(nèi)容涵蓋了電路實驗大部分內(nèi)容，對學生的核心素養(yǎng)的各方面能力都有很高的要求[2]，可以看做是對電路分析、電路實驗分析“大綜合”。

課堂教學設計：教學內(nèi)容主要分為兩個部分，分別是在“電動勢和內(nèi)阻測量中對歐姆定律的理解”（見圖1）以及“實驗電路設計和誤差分析”（見圖2）。

圖1 “電動勢和內(nèi)阻測量中對歐姆定律的理解”內(nèi)容的教學流程圖

圖2 “實驗電路設計和誤差分析”內(nèi)容的教學流程圖

1 電動勢和內(nèi)阻測量中對歐姆定律的理解

環(huán)節(jié)1 復習舊知：教師首先讓學生復述歐姆定律中電壓、電阻和電流的關系；厘清新學的電池電動勢E、電池內(nèi)阻r和路端電壓U、電流I的關系。為新知識的講解進行鋪墊。

環(huán)節(jié)2 新課講授：學生觀察老師演示伏安法測電源電動勢和內(nèi)電阻的實驗，養(yǎng)成正確的實驗操作和習慣。從實驗中體會電動勢的內(nèi)阻的求解不是單純的解方程，而是通過數(shù)據(jù)作圖對圖像進行分析求解而來，并學會對可疑數(shù)據(jù)進行分析和取舍。

環(huán)節(jié)3 應用拓展：通過講授、提問和現(xiàn)場推導、讓學生理解歐姆定律是根本，圖像分析是方法、需要熟練掌握圖像法和歐姆定律分別對物理量和數(shù)據(jù)進行分析。在知識點總結(jié)完成后，給學生介紹伏阻法，安阻法測量電動勢和內(nèi)阻的操作步驟并提出相關問題讓學生靈活運用歐姆定律分析特殊電路的電動勢和內(nèi)阻與其他電路參數(shù)之間的關系：（1）在伏阻法和安阻法中寫出關于電動勢和內(nèi)阻的歐姆定律；（2）伏阻法和安阻法的歐姆定律公式能否直接用來作圖分析電動勢和內(nèi)阻；（3）如果要能夠通過作圖分析電動勢和內(nèi)阻，需要對公式進行怎樣的變形。（4）結(jié)合例題讓學生寫出在特定電路下關于電動勢和內(nèi)阻的歐姆定律的表達式。

環(huán)節(jié)4 課堂小結(jié)：（1）歐姆定律在測電源電動勢和內(nèi)阻方法上的應用；（2）對數(shù)據(jù)進行變量分離和“化曲為直”的意義；（3）回顧學習內(nèi)容，結(jié)合例題進行自我總結(jié)。

2 實驗電路設計和誤差分析

環(huán)節(jié)1 復習舊知：教師引導學生回顧以前測量電阻的兩種電表接法并分析這兩種接法的誤差來源和影響為新課做鋪墊[3]。

環(huán)節(jié)2 新課講授：以實驗探究為手段，進行電表誤差的實驗探究，充分利用歐姆定律和之前學習過程中電表誤差結(jié)論對結(jié)果進行分析，將理論與實驗進行深度綁定。在教學中通過繪制電路圖，類比電流表內(nèi)揭發(fā)和電流表外接法，定義“電流表內(nèi)接法和電流表外接法”；讓學生按照兩種電表接法進行實驗數(shù)據(jù)的收集，并用軟件進行數(shù)據(jù)分析；運用電表內(nèi)接電路和電表外接電路的電表誤差來源和結(jié)果影響的結(jié)論，分析“電流表內(nèi)接電路法”（見圖3）和“電流表外接電路法”（見圖4）的誤差來源和結(jié)果影響；分局兩種電表接法的誤差來源，找到“0”誤差點，分別為圖3 中“I=0”和圖4中“U=0”的點進行線性擬合；比對兩個0 誤差點擬合出的理想U-I圖線分析兩種電表接法對實驗造成的測量結(jié)果影響。

圖3 電流表內(nèi)接電路法

圖4 電流表外接電路法

環(huán)節(jié)3 應用拓展：引導學生學以致用，舉一反三，運用所學知識和結(jié)論進行實踐分析。在教學中要根據(jù)之前伏安法總結(jié)出來的結(jié)論對安阻法和伏阻法進行誤差來源和結(jié)果影響分析；思考如何利用非理想電流表和電壓表測出真實的電動勢和內(nèi)阻；在不同的實驗要求中選擇合適的電表設計符合實驗要求的電路圖。

環(huán)節(jié)4 課堂小結(jié)：（1）電流表內(nèi)接電路法和電流表外接電路發(fā)的誤差來源分析和結(jié)果影響分析；（2）伏阻法和安阻法中電表誤差來源和結(jié)果影響分析；（3）對復雜電路圖中運用歐姆定律進行分析。

3 素養(yǎng)提升：預期學生通過課堂學習的素養(yǎng)提升方向

3.1 預期進步

通過本節(jié)課的學習，預期學生應該在物理核心素養(yǎng)方面有以下進步：

（1）物理觀念：首先要知道電動勢和內(nèi)阻指的是什么？其次要了解電源電動勢的三種測量方法，然后是知道什么是電流表內(nèi)接電路什么是電流表外接電路，最后是能夠定性分析非理想電壓表、電流表對電源電動勢和內(nèi)阻的測量影響。

（2）物理思維：首先是知道歐姆定律。其次是要知道伏安法、伏阻法、安阻法測量電源電動勢的閉合電路歐姆定律。然后是能夠根據(jù)測量方法對歐姆定律進行公式變形并通過數(shù)據(jù)進行直接分析。最后是能夠定量分析非理想電壓表和電流表對電源電動勢和內(nèi)阻測量的影響。

（3）物理探究：首先是知道伏安法、安阻法、伏阻法測電源電動勢的操作步驟和流程。其次是能夠跟同學交流過程并進行實驗操作。然后是能夠和同學交流討論實驗誤差并進行實驗數(shù)據(jù)歸納整理。最后是能夠根據(jù)交流和討論的結(jié)果對實驗進行改進，提高實驗結(jié)果的準確性。

（4）責任與態(tài)度：首先是體會到科學實驗理論和實驗操作的嚴謹性和科學性。之后是體會到用圖像分析的只管、便利和高效。然后是能夠從實驗的完成過程中獲得成就感并樂于幫助他人完成實驗。最后是能夠從實驗設計和操作中了解不足[4]。

3.2 教學創(chuàng)新點

這份教學設計的創(chuàng)新點在于從實際實驗需求目標出發(fā)，例如應用歐姆定律來分析電路問題中為什么在伏阻法、安阻法中要進行歐姆定律分析（變量分離），為什么不把電表參數(shù)直接畫在坐標軸上進行數(shù)據(jù)分析（化曲為直）。再例如電路中電表誤差分析和實驗電路設計中為什么要回顧電流表內(nèi)接和電流表外接測電阻的誤差分析，分析電流表內(nèi)接電路圖和電流表外接電路圖中的0 誤差點的位置，新的連線和之前兩種電表接法的數(shù)據(jù)擬合直線在截距、斜率上面的差異情況。相比于以前的教學方法中的口訣法來記憶電流表內(nèi)接電路（電動勢不變，內(nèi)阻偏大）和電流表外接電路（電動勢偏小，內(nèi)阻偏?。┒愿荏w現(xiàn)出物理思維和科學探究在物理學習過程中起到的重要作用。相比于等效電路法來分析電流表內(nèi)接電路（測量的內(nèi)阻等效為內(nèi)電阻和電流表內(nèi)阻串聯(lián)，測量的電動勢不變）和電流表內(nèi)接電路（測量的內(nèi)阻等效為內(nèi)電阻和電壓表內(nèi)阻并聯(lián)，測量的電動勢等效為電動勢減電壓表占據(jù)的電壓），這份教學設計在理解難度上門檻更低，更加適合廣大學生學習、理解、掌握和應用。

課堂授課完成之后，本人對高二年級所有學生進行本節(jié)課的學習情況調(diào)查，通過自制作業(yè)批改匯總，得到如下的答題情況和自我評價分析：學生的難點主要集中于歐姆定律在特定電路中的應用以及根據(jù)測量方法對對歐姆定律變形從而化曲為直對得到電動勢和內(nèi)阻的數(shù)值。這說明學生知道要運用歐姆定律和圖像法對數(shù)據(jù)進行分析，但是不能理解知識的原理并加以靈活運用。另外可以看到對于電表誤差分析的掌握要弱于歐姆定律的理解，說明電表誤差分析這個作為高中階段引入的知識，理解起來需要學生不斷在應用中理解和掌握。這也說明了高中階段電表誤差分析這一內(nèi)容具有非常重要的學習意義。

4 結(jié)語

文章基于新課標對學生物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)[5]，以電動勢和內(nèi)阻的測量進行了理論與實驗教學設計和作業(yè)結(jié)果分析統(tǒng)計，進而進行教學反思和改進。希望能夠?qū)ξ锢斫虒W工作有所幫助。