基于项目式教学的高中物理教学实践

2019-09-10宁文文李振文

教育·项目学习 2019年1期

宁文文李振文

摘要：基于项目式教学的高中物理教学，以“如何制作欧姆表”为项目驱动问题，让学生经历欧姆表的原理设计、器材选取、成品制作、成果汇报等项目环节，从而达到学生对电路及其应用相关知识深度融合的教学目标。

关键词：项目式教学教学实践制作欧姆表

“项目式教学”是依据课程标准和教学内容，通过项目研究、项目实施的基本方法，由教师创设教学情境，以项目问题的生成、探究、解决、运用来培养学生的创新精神和实践能力，以学生的发展为本，注重核心素养全面提升的一种探究式教学方式。[1]项目式教学如何在物理学科课堂中实施，以促进学生核心素养的发展，是研究者正在关注的问题。[2]项目教学的实施可分为课前制作过程、课堂展示过程两个主要阶段。本文拟以“制作欧姆表”为例，对项目式教学的实践过程进行探索。本项目的目的是促进学生对“电路及其应用”专题知识的深度融合。

一、课前制作过程

为了完成制作欧姆表的项目，学生在课前经历了三个项目任务，首先是设计电路图，然后依据电路图选择所需的器材，最后完成欧姆表的制作。

任务一：设计欧姆表的电路图

学生通过自学、查阅资料的方式，设计欧姆表的电路图。不同的小组有不同的设计方案。有的小组采用理论定标的定标方案，有的小组采用实验定标的定标方式。还有两个小组提出了更换欧姆表倍率的设计方法。教师基于学生的设计方案及实际分组情况，及时调整任务，使每个小组都有侧重点。四个小组的任务分别为：第一小组为理论定标，第二小组为实验定标，第三小组为通过并联电阻改变倍率，第四小组为通过更换电池改变倍率。

任务二：选择器材

学生基于任务一中选取的实验方案，选择合适的器材，并了解各个元件在电路中的作用。主要器材包括电池（1.5 V）、表头（200 μA，1 mA）、可变电阻等。其中可变电阻经历了由滑动变阻器（阻值不够）到电阻箱（阻值不连续、调节不方便）最后到电位器的选择过程。由此，学生深刻体会到实验器材选取的重要性。

任务三：制作欧姆表

学生根据实验原理图连接好实物，然后进行欧姆表定标、误差评定、说明书制作等环节，最终完成欧姆表的制作。

二、课堂展示过程

学生在课前完成欧姆表后，在课堂上对其制作原理、制作过程、误差分析等进行展示交流。考虑到课堂时间的局限，为了能够让学生进行充分的讨论，所有小组都进行详细的展示是不现实的。所以，不同的小组会承担不同的角色，有的小组主要负责展示，有的小组主要负责质疑。教师根据小组制作欧姆表的原理和类型，统筹安排第一、三小组进行详细展示，第二、四小组进行质疑，并同时简要展示自己的项目成果。下面对课堂的实践过程进行详细说明。

1. 交代项目统一标准

首先，教师对项目进行简要介绍，并强调制作欧姆表的电路图中各个元件对应的物理符号，从而统一标准。其中包括电源（电动势E，内阻r）、滑动变阻器（R）、表头（Ig，Rg）、待测电阻（Rx）等。

教师对课堂展示方式进行介绍，课上汇报总共分为四个小组，两个汇报组，两个质疑组。鼓励学生要在交流和质疑中共同进步。同时提醒学生，当某个小组汇报时，其余小组完成“欧姆表成果汇报课堂评价表”，如表1所示。

2. 小组汇报评价交流

（1）第一小组汇报

第一小组重点汇报了欧姆表的制作原理及理论定标的过程。首先，学生展示如何测量欧姆表的内阻。学生通过红黑表笔短接，将表头调为满偏。然后在红黑表笔间接入电阻箱，调节电阻箱使表头达到半偏，读出电阻箱的示数，此即为欧姆表的内阻。由于此时示数在表盘中间，也称为中值电阻。然后，学生展示如何进行理论定标。此阶段学生进行了公式推导。

由于表头上的电流值与满偏电流之间存在倍数关系，因此，令：

代入公式计算出对应的电阻值。之后，小组成员将计算好的电阻值标在1∶1绘制好的表盘上，将表盘固定在表头上，欧姆表制作完成。实物如图1所示。

另外，学生用欧姆表和多用电表测量了多组阻值，从而对欧姆表进行了误差评定，如表2所示。

最后，学生将制作的使用说明书附在仪器上。学生依照自己的使用说明书演示自制欧姆表的使用方法，并进行了测量未知电阻的演示。

（2）第二小组质疑

第二小組学生按照“欧姆表成果汇报课堂评价表”完成对第一小组的优点、缺点的评价，针对自己的疑惑进行提问，同时简要展示自己小组的实验定标方式。

他们通过与第一小组相同的测量中值电阻的方法得到欧姆表的内阻。然后，在红黑表笔调零的前提下，保持电位器不变，依次调节电阻箱阻值，记录指针在电流表表盘的位置与电阻箱读数的关系。学生将所有刻度进行实验标定后，再依据记录的数据1∶1将其绘制在表盘上，从而完成实验定标过程，同时自制使用说明书。他们的成品如图2所示。学生对他们制作的欧姆表也进行了误差评定，如表3所示。

此时，教师引导讨论：第一小组和第二小组的两种定标方式有何不同之处？学生讨论得出，理论定标由于欧姆表内阻的测量存在误差，导线本身的电阻、导线连接位置的电阻都会引起表盘阻值标定时产生系统偏差。实验定标过程主要是电阻箱本身的阻值引起的误差，如果用更加精确的定值电阻来标定，实验定标的误差会非常小。从以上两组的误差评定数据也可以得出，实验定标比理论定标的误差小。因此在实际的定标过程中，都是通过用标准电阻进行实验定标的方式对欧姆表进行定标的。

此时教师将单一量程的欧姆表过渡到可变量程的欧姆表。教师引导学生思考，理论上制作好的欧姆表可以测量任何阻值的电阻，但是由于欧姆表电阻值与电流之间不是线性关系，当待测电阻阻值太大或者太小时，误差都比较大。当Rx≈R中，即接近中间刻度附近时，指针偏转与Rx的关系更接近线性，刻度更均匀，测量值才更加准确。[3]因此要想测量各种电阻，实际的欧姆表都会制作成多倍率。而为了读数方便，一般将相邻的倍率设为10。如何更换欧姆表的倍率成了学生需要继续深入研究的问题。紧接着此问题，第三小组进行汇报。

（3）第三小组汇报

第三小组学生首先对改变欧姆表量程的原理进行介绍。在电源电动势不变的前提下，依据扩大电流表量程的原理，通过并联电阻使流过干路中的电流扩大为电流表满偏电流的10倍，从而使欧姆表倍率降低10倍。同理，使干路电流扩大为满偏电流的100倍，从而使欧姆表倍率降低100倍。

那么需要并联多大的电阻，才能实现倍率降低10倍呢？此时，需要测量表头的满偏电流和内阻。首先，他们组利用精密毫安表测量表头的满偏电流。将表头、滑动变阻器、精密毫安表、电源、开关串联。闭合开关，调节滑动变阻器，使表头达到满偏，读出此时毫安表的读数为1 mA。因此，表头的满偏电流Ig =1 mA。然后，他们组利用伏安法测量表头的内阻，如图3所示。

他们利用图3所示原理，先调节电阻箱使表头达到满偏，记录此时电阻箱读数为1 400 Ω、电压表的示数为1.5 V。然后根据欧姆定律：

学生借助电阻箱，利用实验定标法，对“×1”挡的欧姆表进行定标。“×10”挡直接在“×1”挡的基础上，将其示数乘10即可。欧姆表实物如图5所示。

第三小组对他们制作的欧姆表进行了误差评定，如表4所示。

（4）第四小组质疑

第四小组学生按照“欧姆表成果汇报课堂评价表”完成对第三小组的优点、缺点的评价，针对自己的疑惑进行提问。例如：并联的电阻并非准确数值，这会导致两个倍率之间并非严格的10倍关系。更换倍率后直接用示数乘10会导致较大的误差，建议两个倍率都进行标定，修正误差。同时简要展示自己小组更改倍率的方式。

四组学生的方案是在电表的满偏电流不变的情况下，通过更换电池改变电动势的方法来扩大欧姆表的倍率。第四小组学生设计的欧姆表电路如图6所示。

据此设计的项目成果如图7所示。

学生对他们的欧姆表也进行了误差评定，如表5所示。

在第三小组和第四小组展示与质疑之后，教师引导讨论：两种不同的更换倍率的方式，哪种更好？学生讨论得出，通过并联电阻的方式可以降低欧姆表的倍率，但是却无法扩大欧姆表的倍率。虽然电池的增多会增加欧姆表的体积，但是它却可以实现欧姆表倍率的扩大。因此，减小倍率是通过改变与表头并联阻值的大小来实现，增大倍率是通过改变电源电动势来实现。这两种方法需要配合使用。一般的欧姆表中，“×1”挡、“×10”挡、“×100”挡是通过改变与表头并联电阻的阻值来实现，而“×1k”挡是通过同时改变表头的满偏电流Ig和电源电动势E来实现。[4]

3. 课堂总结概念整合

教师对本节课的展示与交流进行总结。本项目促进了学生观察和识别常见的电路元件，包括滑动变阻器、表头、电位器、电阻箱、表头、微安表等；促进学生理解和使用多用电表；促进学生深入理解闭合回路欧姆定律等内容。从项目中引申出的超出课标要求的知识，包括电表的理论定标和实验定标方式、降低和扩大欧姆表倍率的方法、测量表头的满偏电流和内阻等，这也加深了学生对串并联电路等恒定电流核心概念的理解。

三、小结与反思

项目式教学最终目的是落实核心素养的培养，特别是核心概念的深度学习。通过“制作欧姆表”项目式教学，学生将串并联电路、电表改装、闭合回路欧姆定律、练习使用多用电表等核心知识进行整合。在整个制作过程中也培养了学生的动手操作能力。同时还促使学生逐步形成严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度。总之，项目式教学与新课改下高中物理的模块化、主题化内容相契合，在以项目为研究对象的过程中，有助于提高学生的问题解决能力，锻炼学生的逻辑思维能力。[5]同时，本次项目式教学通过小组互评、质疑的过程，帮助学生认识自我、建立自信。总体上，本次项目学习的教学实践过程，有效促进了学生核心素养的发展。