基于问题情境 显化科学方法教育①——以“电能和电功”教学为例

(1. 北京市海淀区教育科学研究院，北京 100080;2. 北京市西城外国语学校，北京 100044)

基于问题情境显化科学方法教育①
——以“电能和电功”教学为例

王宇航1王志茜2

(1. 北京市海淀区教育科学研究院，北京 100080;2. 北京市西城外国语学校，北京 100044)

针对“电能和电功”教学中对能量转化和守恒关注不多、对电阻的处理很棘手、忽视科学方法显化的现状，本文提出了改进课堂教学的设想，并在教学实践中进行尝试。在这样的教学设计和实践中，不仅巧妙回避了电阻的问题，充分实现了课程标准的要求，并能突出问题情境的创设和显化科学方法的教育。

问题情境;科学方法;电能和电功;教学设计

1 “电能和电功”的教学现状分析

《义务教育物理课程标准(2011年版)》中“电能和电功”的内容出现在一级主题“能量”之下，课程标准明确提出：能量的转化和守恒定律是自然界的基本和普遍规律。它与很多学科都有关联，和生产、生活息息相关。这部分内容对于学生形成可持续发展的意识以及进一步学习其他科学技术，都是十分重要的[1]。但在实际教学之中，由于课时限制和教师对教学重难点的理解不同，在本节内容的教学中，老师们对能量的转化和守恒关注不多。

在教学实践甚至一些优质课比赛中，老师们往往直接请学生猜测：影响电功的因素有哪些？基于此前的知识背景，学生往往会猜测到通电时间、电压、电流、电阻等因素。从科学知识来看，电功公式中并没有出现电阻，所以很多一线老师深感棘手，既不能否定电阻的作用，又不能肯定电阻的作用。为了不影响教学设计的进行，在课堂教学中，许多老师要么直接回避电阻的问题，要么让学生当作课后探究作业来完成[2]。

在课堂教学之中，关于影响电功的因素，老师往往引导学生在实验中关注“控制变量法”的应用，忽视了概念建构过程中其他科学方法的显化教育。

2 对教学现状的思考及改进设想

为了探究影响电功的因素，不同版本的教材分别提供了如下三个实验：观察灯泡明暗程度，观察电动机提升物体的高度，观察电阻丝加热煤油后的体积变化。这三个实验都有各自的优缺点，均突出了能量转化的问题[3]。在实际教学之中，老师们往往从这三个实验中选择一个在课堂教学上使用。如果在教学实践中能整合这几个实验，且尽量多地展示这些实验，学生对能量的转化和守恒认识定会更加深刻。

创设问题的功能不仅仅在于引起学生好奇心，还应该是有助于学生从情境中提出问题，并就此展开思考[4]。关于引导学生猜测影响电功的因素有哪些，笔者认为，这样直接提出问题的做法往往缺乏情境创设。由于缺乏必要的情境创设，学生们自然会猜测到电压、电流、电阻等因素。在教学实践之中可以创设某一个用电器消耗电能的情境，然后让学生们猜测怎样使这个用电器消耗更多的电能，继而通过实验验证他们的猜想。由于只是涉及这样一个用电器，学生们自然可以把思维聚焦于电压、电流、通电时间等因素，巧妙回避电阻R带来的负面迁移。借助对一个用电器适用的结论是否能推广到其他用电器的问题，教师则可引导学生借助不同类型的用电器进行下一个探究实验。

物理科学方法的教育内容主要包括3部分：思维方法、物理方法和科学方法[5]。思维方法是物理智力活动的核心，主导着科学思考，在物理学习中具有较强的逻辑力量，成为组织教学过程和构建物理知识网络的经脉。电功这个概念是抽象的，但学生们却能感知到用电器消耗电能的过程，而用电器消耗电能的过程又是电能转化为其他形式能量的过程。分析这样的研究过程，我们可以感受到转换法的深刻体现[6]。对学生来说，当他们猜测并验证某一个用电器消耗电能多少跟什么因素有关之后，老师应及时引导他们深入思考这样的猜想对另外类型的用电器是否适用。学生将经历一种由此及彼的类比思维过程。类比是由特殊到特殊或者由一般到一般的推理，是根据两个(或两类)对象之间在某些方面的相同或相似，推出它们在其他方面也可能相同或相似的推理方法[6]。在这样的思维过程之中，学生们自然可以直观地感受物理科学方法带给自己的思维冲击和愉悦体验。

3 教学设计与实践

“电能和电功”的教学一共有两课时，从知识获得的角度来说，第一课时的学习任务主要是基于实验明确影响电功的因素和电功的定量表达式；第二课时则是电功的应用和电能表的使用。以下展示的教学设计主要涉及第一课时。

笔者力求展现本节课的教学设计和实践过程，以及个别环节学生现场的反映。以“展示”来展现本环节之中教师借助PPT或者语言展示、讲述的基本内容，以“问题”来展现本环节之中教师借助PPT或者语言展示的核心问题。在每一个问题后面，给学生留有思考时间，要求学生首先自己静心思考，在思考的基础上小组讨论达成一致。

展示1：组装简单电路使一个小灯泡发光。

问题1：这个小灯泡消耗电能吗？

学生一致认可小灯泡消耗电能。

问题2：怎么判断这个小灯泡在消耗电能？

学生说看到了小灯泡发光。他们意识到，借助灯泡发光，能判断出小灯泡在消耗电能。老师明确告诉学生，这就是一种转换的科学方法。

问题3：这个小灯泡发光的时候发生了什么形式的能量转化？

展示2：电能和电功的概念。

问题4：怎样让这个小灯泡消耗更多的电能？

学生首先提出让小灯泡发光时间更长。关于时间因素，他们普遍认为用电器通电时间越长，消耗电能越多。有学生提出给小灯泡加更大的电压，也有学生提出让更大的电流通过小灯泡。

问题5：你怎么判断这个小灯泡消耗的电能更多了？

有学生提出可以看灯泡的明暗程度，但又有学生提出如果灯泡发光不那么亮，但通电时间很长的话，消耗电能也可以很多。在讨论之中，学生们逐渐达成共识，如果通电时间相同，则这个小灯泡越亮，消耗电能就越多。在讨论之中，他们也意识到：结合欧姆定律来考虑，通过小灯泡的电流与加在小灯泡两端的电压是同步变化的，电流和电压因素不能割裂开。

问题6：可设计什么实验，来验证你的猜想？

学生提出可以借助滑动变阻器或者学生电源改变小灯泡两端的电压，用电流表测量通过小灯泡的电流，并观察小灯泡的发光情况。

展示3：借助滑动变阻器改变小灯泡两端的电压，观察小灯泡的发光情况。

展示4：对小灯泡来说，它两端的电压越大、通过的电流越强、通电时间越长，则小灯泡消耗电能越多，换言之电流做功越多。

问题7：这样的结论对其他类型的用电器也适用吗？

展示5：展示电动机停电之后的转动。

问题8：怎么判断电动机消耗电能的多少？

学生提出在相同时间内可以看电动机的转动速度、听电动机转动的声音来判断电动机消耗电能多少。

老师给学生演示电动机在不同电压下的工作情况。他们发现，在不同电压下电动机的转动速度和转动的声音虽然有区别，但不是那么明显。所以不能借助电动机转速和声音来判断电动机消耗电能的多少。

又有学生提出，可以让电动机提升重物，从而判断电流做功多少。老师给学生演示电动机提升重物。

问题9：电动机提升重物的时候发生了什么形式的能量转化？

问题10：怎么判断这个电动机消耗电能更多了？

学生提出，在相同时间的前提下，可以看电动机提起同一个重物的高度。也有学生提出，在相同时间和相同高度的前提下，可以看电动机提起重物的多少。

展示6：在相同时间内，观察电动机在不同电压下提起同一个重物的高度。

展示7：对电动机来说，它两端的电压越大、通过的电流越强、通电时间越长，则电动机消耗电能越多，换言之电流做功越多。

展示8：基于小灯泡和电动机的实验，可以得出一个具有普遍性的结论：对用电器来说，两端的电压越大、通过的电流越强、通电时间越长，则电流做功越多。

问题11：对一个用电器来说，电流做功多少和两端的电压、通过的电流、通电时间有什么样的定量关系？

展示9：阅读教材相关内容。

4 对教学实践的反思

在上述教学设计之中，我们采用了小灯泡发光和电动机提升重物两个实验。两个实验分别涉及电能转化为光能、电能转化为机械能两种不同形式的能量转换。通过这两个实验情境，我们希望学生能从能量转化的角度理解电能和电功。在教学之中，由于我们基于小灯泡发光的问题情境让学生们提出猜想，从而回避了电阻的问题。在明确小灯泡消耗电能和什么因素有关的基础上，我们又提出类比问题：这样的结论对其他类型的用电器还适用吗？怎么判断电动机消耗电能的多少？纵观上述教学设计，我们认为基于问题情境进行探究应该是物理教学的起点，但究竟什么样的问题情境最适合具体科学内容的学习，还需要我们在后期深入研究。

关于科学方法的教育，物理教育研究者和一线教师已经达成共识：物理科学方法的教育，要从隐性教育转变为显性教育。但科学方法的显性教育绝对不是“贴标签”式的知识记忆。由于学习者物理学习的进程与人类研究物理学的进程相似，这就要求我们在教学实践之中关注科学概念的起源和发展，创设条件使学生经历类似物理学家在科学探索中的过程，从而体会物理学家的研究方法[7]。

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(2011年版)[M].北京：北京师范大学出版社，2012：16.

[2] 周亮.面对“好问型”学生——记《电功》一堂有意义的探究式教学[J]．中学物理，2016，(6)：89-90.

[3] 韩国法，桂艾祥.“对探究影响电流做功多少的因素”实验思考[J]．中学物理，2013，(5)：85-86.

[4] 郭玉英.中学物理教学设计[M].北京：高等教育出版社，2016：50.

[5] 邢红军.初中物理科学方法教育[M].北京：中国科学技术出版社，2015：56.

[6] 张宪魁.物理科学方法教育[M].青岛：中国海洋大学出版社，2015：92，80.

[7] 母小勇，马娜.学生与物理学家共同体概念形成过程的相似性[J]．课程·教材·教法，2015，(3)：73-78.

①本文系教育部学校规划建设发展中心2017年立项重点课题“海淀区推进未来学校建设的实践研究”(课题编号：CSDP17FS1106)的阶段性成果。