基于SOLO分類(lèi)理論的物理單元大概念教學(xué)路徑

郭秋萍

【教學(xué)路徑整體設(shè)計(jì)】

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》在課程理念部分提出：“以主題為線(xiàn)索，構(gòu)建課程結(jié)構(gòu)。”而學(xué)生從學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單的物理知識(shí)、物理規(guī)律，到應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，該過(guò)程與利用SOLO分類(lèi)理論的進(jìn)階式教學(xué)有相似之處，以下探析利用SOLO分類(lèi)理論進(jìn)行單元大概念教學(xué)的路徑。

大概念具有單元統(tǒng)攝作用，在實(shí)際教學(xué)時(shí)還要考慮到學(xué)生的前概念，已有知識(shí)儲(chǔ)備。因此，借助SOLO分類(lèi)理論進(jìn)行進(jìn)階式教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，分為單元大概念的確定、學(xué)生前概念分析和章節(jié)SOLO層次分析三步，如圖1。

一、單元大概念的確定

電功率是電學(xué)中非常重要的物理量，聯(lián)系著電流、電壓和電阻相關(guān)概念規(guī)律，同時(shí)又和本章電功、電熱、能量等重難點(diǎn)有緊密聯(lián)系，具有承上啟下及章節(jié)統(tǒng)攝作用，因此本單元教學(xué)選擇“電功率”作為大概念，并圍繞它展開(kāi)各項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)。

二、學(xué)生前概念分析

學(xué)生在學(xué)習(xí)本章之前已經(jīng)學(xué)習(xí)電學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，從SOLO分類(lèi)理論角度來(lái)看，該部分都是孤立的知識(shí)點(diǎn)，屬于單點(diǎn)結(jié)構(gòu)或多點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次。之后在此基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)了歐姆定律，知道了電流、電壓、電阻三者之間的關(guān)系，將單個(gè)的物理知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，屬于關(guān)聯(lián)層次。在八年級(jí)學(xué)過(guò)機(jī)械功、功率相關(guān)概念，知道功率與功之間的聯(lián)系，因此在教學(xué)時(shí)教師可以將電功率與機(jī)械功率聯(lián)系起來(lái)，啟發(fā)學(xué)生引入概念，便于學(xué)生理解和知識(shí)遷移。

三、章節(jié)SOLO層次進(jìn)階分析

學(xué)習(xí)本章之前學(xué)生已有電學(xué)相關(guān)基本概念的知識(shí)儲(chǔ)備，根據(jù)SOLO分類(lèi)理論即知識(shí)點(diǎn)多少和關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行單元教學(xué)設(shè)計(jì)。整體教學(xué)進(jìn)階路徑如圖2。

第1節(jié)是電能和電功，定位是多點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次（M），結(jié)合身邊的家用電器建立對(duì)電能的認(rèn)識(shí)。第2節(jié)是電功率，本節(jié)需要知道電功率相關(guān)概念，因此該部分屬于SOLO分類(lèi)理論中單點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次（U），此時(shí)學(xué)生已經(jīng)對(duì)電能、電功有一定了解，同時(shí)在機(jī)械能部分學(xué)習(xí)了功率是表示做功快慢的物理量，實(shí)現(xiàn)知識(shí)遷移。第3節(jié)是測(cè)量小燈泡的電功率，是對(duì)電功率的應(yīng)用，有了利用歐姆定律測(cè)量電阻的基礎(chǔ)，利用公式可以計(jì)算出小燈泡的電功率，屬于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次（R）。第4節(jié)是焦耳定律，是大概念電功率的拓展及應(yīng)用，同時(shí)從能量視角來(lái)看，焦耳定律也是歐姆定律的引申和發(fā)展，是在電學(xué)中能量轉(zhuǎn)化的具體體現(xiàn)，因此本節(jié)屬于拓展抽象結(jié)構(gòu)層次（E）。

【第四節(jié)“焦耳定律”教學(xué)案例】

教師：大家來(lái)看講臺(tái)上的電熱水壺，現(xiàn)在我打開(kāi)開(kāi)關(guān)后加熱，如果摸一下水壺和電源線(xiàn)會(huì)有什么感覺(jué)？

學(xué)生：水壺?zé)幔请娫淳€(xiàn)不熱。

教師：為什么通電后電熱水壺發(fā)熱，但是電源線(xiàn)不熱，產(chǎn)生熱量與什么因素有關(guān)呢？帶著這樣的問(wèn)題進(jìn)入我們今天的學(xué)習(xí)——“焦耳定律”。

（設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生熟悉的生活電器入手，創(chuàng)設(shè)物理情境，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。）

一、電流的熱效應(yīng)

教師：請(qǐng)同學(xué)們思考一下，生活中我們身邊有哪些電器，像剛才的熱水壺一樣通電后會(huì)發(fā)熱？

學(xué)生：暖寶寶、電飯鍋、電烤箱……

教師：像這樣的電器存在什么能量轉(zhuǎn)化呢？

學(xué)生：電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

教師：當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這種現(xiàn)象就叫作電流的熱效應(yīng)。

教師板書(shū)：一、電流的熱效應(yīng)：當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這種現(xiàn)象就叫作電流的熱效應(yīng)。

（設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生之前對(duì)電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能有一定了解，并能夠通過(guò)生活實(shí)例認(rèn)識(shí)、解釋相關(guān)的轉(zhuǎn)化過(guò)程，利用前概念和實(shí)例，讓學(xué)生切身體會(huì)到電流的熱效應(yīng)，僅學(xué)習(xí)一個(gè)新的概念屬于單點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次教學(xué)。）

二、探究電阻產(chǎn)生的熱量與哪些因素有關(guān)

教師：現(xiàn)在大家連接一個(gè)燈泡的簡(jiǎn)單電路，閉合開(kāi)關(guān)后用手快速輕輕摸一下燈泡和導(dǎo)線(xiàn)有什么感覺(jué)？為什么？

學(xué)生（分組實(shí)驗(yàn)并討論）：燈泡發(fā)熱，導(dǎo)線(xiàn)比較涼。但是串聯(lián)電流相等，通電時(shí)間相同，而電阻不一樣，說(shuō)明導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電阻有關(guān)。

教師：除了電阻還有什么原因呢？

學(xué)生：燈泡剛開(kāi)始不熱，過(guò)了一會(huì)，越來(lái)越熱，說(shuō)明和通電的時(shí)間有關(guān)?？赡芘c電流大小也有關(guān)系。

教師：那么要想知道某個(gè)因素的具體影響，需要用到什么方法？

學(xué)生：控制變量法。

教師：電流產(chǎn)生的熱量我們用肉眼看不到，怎么辦？

學(xué)生：用轉(zhuǎn)換法。

教師（展示焦耳定律實(shí)驗(yàn)器材）：

這個(gè)器材就是利用電阻加熱空氣，使U型管中液面發(fā)生變化，如果左右液面高度差越大，說(shuō)明產(chǎn)生的熱量越多。

教師：現(xiàn)在，先來(lái)探究電熱與電阻的關(guān)系，思考并連接電路，探究影響電熱的因素。

學(xué)生：10 Ω對(duì)應(yīng)的液面高度差大，產(chǎn)生的熱量多。說(shuō)明當(dāng)通電時(shí)間、電流相等時(shí)，電阻越大，產(chǎn)生的熱量越多。

教師板書(shū)：當(dāng)通電時(shí)間、電流相等時(shí)，電阻越大，產(chǎn)生的熱量越多。

教師：現(xiàn)在我們嘗試探究電熱與電流的關(guān)系，這里有三個(gè)5 Ω的電阻，思考一下應(yīng)當(dāng)怎樣連接電路？

學(xué)生：改變電流，一個(gè)電流大，一個(gè)電流小，利用并聯(lián)電路分流。

學(xué)生（分組實(shí)驗(yàn)）：?jiǎn)为?dú)5 Ω電阻的液面高度差大，說(shuō)明產(chǎn)生熱量多。它在干路上，電流大。當(dāng)導(dǎo)體電阻、通電時(shí)間一定時(shí)，電流越大產(chǎn)生的熱量越多。

教師板書(shū)：當(dāng)導(dǎo)體電阻、通電時(shí)間一定時(shí)，電流越大，產(chǎn)生熱量越多。

教師：那關(guān)于通電時(shí)間怎么判定？

學(xué)生：隨著通電時(shí)間增加，U型管左右液面高度差變大，說(shuō)明通電時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生熱量越多。

教師板書(shū)：當(dāng)電阻、電流一定時(shí)，通電時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生熱量越多。

教師：科學(xué)家對(duì)此也進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。英國(guó)物理學(xué)家焦耳，于1840年最先精確地確定了電流產(chǎn)生的熱量與電流、電阻和通電時(shí)間的關(guān)系。根據(jù)焦耳定律的內(nèi)容，Q表示電熱，I表示電流，R表示電阻，t表示通電時(shí)間，那么焦耳定律的公式就是Q=I2Rt。

（設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生利用控制變量法、轉(zhuǎn)化法進(jìn)行思考和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，橫向貫穿多節(jié)內(nèi)容，用已有知識(shí)解決新的問(wèn)題，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論屬于SOLO分類(lèi)理論教學(xué)的拓展抽象結(jié)構(gòu)，教學(xué)具有啟發(fā)性。）

三、純電阻電路和非純電阻電路

教師：是不是所有用電器使用時(shí)所消耗的電能都轉(zhuǎn)化為電熱呢？

學(xué)生：不是，如風(fēng)扇，電能主要轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

教師：老師這里有一個(gè)可以連入電路的小風(fēng)扇，比較它消耗的電能和產(chǎn)生的電熱有什么關(guān)系。已知風(fēng)扇的電阻R=1.0 Ω。①（演示）先夾住電動(dòng)機(jī)軸，閉合開(kāi)關(guān)，電機(jī)不轉(zhuǎn)。調(diào)整滑動(dòng)變阻器的阻值，使電壓表的示數(shù)為0.50 V，記下電流表的示數(shù)，通電時(shí)間10 s，算出小電機(jī)消耗的電能和產(chǎn)生的內(nèi)能，并加以比較。②再松開(kāi)夾子，使小電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整滑動(dòng)變阻器的阻值，使電壓表的示數(shù)為2.0 V（此電壓為小電機(jī)的額定電壓），記下電流表的示數(shù)，通電時(shí)間10 s，算出小電機(jī)消耗的電能和內(nèi)能，并加以比較。（如圖4）

學(xué)生（分組實(shí)驗(yàn)測(cè)量并計(jì)算）：

①小風(fēng)扇不轉(zhuǎn)時(shí)，U=0.50 V，I=0.50 A，

W=UIt=0.50 V×0.50 A×10 s=2.5 J，Q=I2Rt=（0.50 A）2×1.0 Ω×10 s=2.5 J，W=Q。

②小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，U=2.0V，I=0.40A，

W=UIt=2.0 V×0.40 A×10 s=8 J，Q=I2Rt=（0.40 A）2×1.0 Ω×10 s=1.6 J，W>Q。

教師（總結(jié)）：當(dāng)風(fēng)扇不轉(zhuǎn)時(shí)，消耗的電能和產(chǎn)生的電熱相等，這種電路就是純電阻電路。但是當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，消耗的電能中有一部分轉(zhuǎn)化為電熱，剩余大部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，這種電路就是非純電阻電路。

（設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)實(shí)驗(yàn)及計(jì)算，讓學(xué)生體會(huì)到純電阻電路和非純電阻電路的區(qū)別，創(chuàng)設(shè)物理情境，解決新的問(wèn)題。利用焦耳定律公式和之前學(xué)過(guò)的電能計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，解決新的物理問(wèn)題，屬于SOLO分類(lèi)理論的拓展抽象結(jié)構(gòu)層次教學(xué)。）

四、電熱的利用和防止

教師：生活中有哪些例子利用了電熱？

學(xué)生：用電熨斗熨衣服、用電熱水壺?zé)?/p>

教師：和燃燒煤炭、木柴相比，它們都有什么優(yōu)點(diǎn)？

學(xué)生：清潔無(wú)污染。

學(xué)生：便于控制溫度和加熱時(shí)間。

教師：那電熱有哪些危害？有哪些用電器需要減少電熱的產(chǎn)生？

學(xué)生：手機(jī)充電或者使用久了會(huì)發(fā)燙，會(huì)燙傷皮膚。

學(xué)生：電腦有風(fēng)扇。

教師：很多情況下我們不希望用電器過(guò)熱，像顯像管的電視后蓋有很多散熱孔、電腦有風(fēng)扇，這些都是減少電熱帶來(lái)的危害。所以，我們可以從增大散熱面積、加快空氣流速這些方面使用電器降溫。

（設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)生活實(shí)例解釋電熱的利用和防止方法，利于學(xué)生理解，是單一知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，因此屬于SOLO分類(lèi)理論中單電結(jié)構(gòu)層次教學(xué)。）

【反思和結(jié)語(yǔ)】

立足大概念教學(xué)，利用SOLO分類(lèi)理論構(gòu)建知識(shí)框架，對(duì)小節(jié)內(nèi)容進(jìn)行定位分析，通過(guò)分析知識(shí)點(diǎn)數(shù)量及知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行SOLO層次劃分，可以發(fā)現(xiàn)該方法使學(xué)生和教師更容易理解相關(guān)概念及知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，教師的引導(dǎo)有利于學(xué)生構(gòu)建以大概念為核心的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。學(xué)生通過(guò)教學(xué)活動(dòng)能夠從物理學(xué)視角解決實(shí)際問(wèn)題，形成相關(guān)的物理觀念和科學(xué)思維，有助于物理核心素養(yǎng)的形成。同時(shí)該教學(xué)方法凸顯了SOLO分類(lèi)理論在教學(xué)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，是很好的一種嘗試。

（作者單位：洛陽(yáng)市東升第二初級(jí)中學(xué)）

編輯：曾彥慧