基于物理学科核心素养的单元设计——以苏科版“初识家用电器和电路”目标和活动设计为例

吉临荣

(无锡市太湖格致中学，江苏 无锡 214125)

为了贯彻落实《江苏省乡村教师支持计划实施办法(2015—2020年)》和《江苏省教育厅省财政厅关于做好“十三·五”中小学教师培训工作的意见》精神，无锡市乡村初中物理骨干教师培育站于2018年8月21日正式启动研修活动,培育站的主持人是江苏省人民教育家培养对象、江苏省特级教师许帮正老师,培育站研修的主题是“指向物理学科核心素养的单元设计”．8月22日上午无锡市各县(区)8名优秀教师围绕研修主题以苏科版9年级上册教材“初识家用电器和电路”为课例进行微课教学．笔者作为培育站的导师,从“物理学科核心素养的单元设计”角度,结合教师们的微课,谈谈“初识家用电器和电路”的目标和活动设计思路．

1 从单元出发设计教学目标

教学目标是指教学活动后预期达到的结果,是教育目的和课程目标的具体化．教学目标具有导向功能,是课堂教学的出发点和回归点．教学目标的体系有3个层次:“单元目标—课时目标—活动目标”;目标设计的依据有5个方面:“核心素养—课程标准—教材教参—学情分析—中考评价”．设计不同层次的目标,依据各有所侧重,具体对应关系如图1所示.

1.1 基于核心素养和课程标准的单元目标设计

核心素养是单元目标设计的“魂”,课程标准是单元设计的“纲”．

义务教育物理课程标准(下简称“课标”)是国家基于中长期教育规划而制定出的具有指导教育教学活动的纲领性的标准,是对学生某阶段学习结果的期望,也是确定单元目标的主要依据．“课标”中的“课程内容”规定了物理课程的基本学习内容和应达到的基本要求．“课程内容”由“科学内容”和“科学探究”两部分组成．

苏科版9年级上册“初识家用电器和电路”是“课标”(2011版)“科学内容”的一级主题“3. 能量”下的二级主题“3.4 电磁能”的内容,内容要求是“3.4.1 从能量转化的角度认识电源和用电器的作用”．

“科学探究”的内容渗透在教材内容之中,其要求也往往容易被物理教师忽略．“课标”(2011版)“科学探究”的一级主题“科学探究要素”下的二级主题“科学探究能力的基本要求”中与本节课内容相关的有:“会阅读简单仪器的说明书,能按要求进行操作”、“会使用简单仪器进行实验”、“具有安全操作的意识”、“能对收集的信息进行简单归类及比较”．我们可采用提取、组合的策略,设计“能按规范要求连接简单的电路,具有安全操作的意识,能对收集的实验现象比较归类出3种电路状态”作为本节课的科学探究目标．

多年来,初中物理一线教师往往根据自己的经验进行教学设计,忽视教学目标的设计;更满足于“课时主义”的设计和教学,并不了解和理会“单元设计”．钟启泉教授认为“单元设计”将是撬动课堂转型的一个支点,脱离了单元设计,课堂教学往往聚焦于碎片化的“知识点教学”．本节课设计中,凸显单元设计的有两个方面．

一是为什么要“从能量转化的角度认识电源和用电器”,本节课中“能量转化”需要教到什么程度? 这是因为“课标”中的“科学内容”体系是“物质”、“运动和相互作用”、“能量”,可见能量是3大主题之一．从苏科版初中物理教材整体来看,对于“能量”主题的教学安排是先分后总．先结合相关知识,渗透能量的具体形式,如声能、光能、动能、重力势能、弹性势能、电能、化学能等;最后在9年级下册第18章集中研究各种能量转化和转移的规律．从单元设计的“大框架”角度来看,“能量转化”既是前一阶段各种能量的巩固,又为后续第15章学习电功和电能、第18章学习能量的转化和转移打下坚实的基础．所以,本节课中“能量转化”的教学起承上启下的作用,从能量转化的角度认识电源和用电器,是本节课的教学重点和难点．

二是本节课中“短路”需要教到什么深度? “课标”中没有具体要求,苏科版教材中安排了教学内容,教参中明确了具体要求“了解电源短路的危害”．短路是电路的3种状态中最重要、学生最难理解的一种状态．我们从单元设计的角度来看,短路教学也应是一个循序渐进、螺旋式上升的过程.笔者认为初中阶段的短路教学不要急于求成,不要求一步到位,至少要经过4个层次．

(1) 学习13.1“初识家用电器和电路”后,初步认识电源短路的危害．

(2) 学习13.2“电路两种基本连接方式”后,能区别电源短路和用电器短路．

(3) 学习14.4“欧姆定律的应用”后,能认识电源短路和用电器短路的电流变化．

(4) 学习15.4“安全用电”后,进一步认识电源短路的危害和防护措施．

所以,本节课的单元目标可设计为:(1) 从能量转化的角度认识电源和用电器的作用．(2) 能按规范要求连接简单的电路,具有安全操作的意识,能对收集的实验现象比较归类出3种电路状态．

1.2 基于单元目标和教材、教参的课时目标设计

在单元目标设计的基础上,分析教材、阅读教参,设计课时目标．

本节课教材的主要知识点有:电路的组成及作用,电路的3种状态,电路元件符号和电路图．共安排了3个学生活动:初步调查家用电器,观察手电筒,怎样使一个小灯泡亮起来．

本节课教参(苏科版配套的《教师教学用书》)中叙述的教学目标为:(1) 知道电路的基本组成及其作用．(2) 知道电路的通路、断路和短路状态,了解电源短路的危害．(3) 知道常用电路器件的符号,会用这些符号画出简单的电路图．

“课标”是面向全体学生学习的基本要求,遵循“一纲多本”的原则,结合苏科版教材、教参和本地区学生生源现状,依照“课标”附录《行为动词说明》,本节课的课时目标可设计为:(1) 通过观察实物或图片,能从能量转化的角度认识电源和用电器,进一步知道电路组成及作用．(2) 尝试对电源和用电器进行分类,知道电源可分为直流电源和交流电源．(3) 通过阅读“信息快递”和实验操作,学会按规范要求连接简单的电路．(4) 能对收集的实验现象比较归类出通路、断路和短路3种电路状态,初步认识电源短路的危害,具有安全操作的意识．(5) 通过阅读课本,会画常见电路元件符号,会画简单的电路图．

在设计课时目标时,一般采用替代、分解、补充的策略．如在上述课时目标中,目标(1)补充了“知道电路组成及作用”; 目标(2)是根据教材的补充目标;目标(3)(4)是由单元目标(2)分解而来,突出“通路、断路和短路”3种状态教学,并结合短路教学让学生“具有安全操作的意识”,使“三维目标”一体化;目标(5)是根据教材的补充目标．

1.3 基于课时目标和学情、评价的活动目标设计

课堂会“因活而动”,课堂也会“因动而活”．所以,一堂好课首先要精心设计好课堂活动．活动是有目标的,活动目标的设计,一要依据课时目标,二要依据学情,三要结合中考评价．所教学生的基础状态和学习情态是设计教学活动的重要依据;中考评价的反馈是我们容易忽视、必须重视的方面．如由下面两道中考题,说明什么?

图2

例1.(泰州中考题)在连接电路时,常要将金属导线绕到接线柱上,再旋紧螺丝．观察下图2中甲和乙,金属线在接线上绕向正确的是________;旋紧螺丝时,应当________(选填“顺时针”或“逆时钟”)旋转．

例2.(安徽中考题)按电路图连接完电路,闭合开关快速试触的瞬间,电流表和电压表出现了如图3所示的情况,经检查,所有仪器、元件完好.请分析下面3个电表接线时出现的问题.① 电压表甲:____________.② 电压表乙:____________.③ 电流表丙:____________.

图3

上述两例,说明教材中提出的连接电路的规范要求还可以补充．第一道题目,学生错误率相当高,错误的原因是由于我们在平时实验中,为了节省实验时间,导线两端都用插片焊接好,有的甚至用夹子焊接好,导致学生不知道导线如何连接在接线柱上,弱化了学生在电学实验中动手绕线的实际操作技能．第二道题目说明连接电路复查后,闭合开关时要进行“试触”,即闭合开关迅速观察电表示数后,要再立即断开开关．

本节课中3个活动目标可设计如下(表1).

表1 活动及活动目标

2 从目标出发优化活动设计

在活动目标的导向下,可发挥自身创新设计的才智,适当整合教材内容的顺序,设计“系列问题”和“资源载体”,提升学生的物理学科核心素养．现提供如下活动设计供参考.

活动1:灯泡为什么能发光?

师: (1) 出示一只LED灯,将插头插入插座,灯泡发光;(2) 拔出插头,灯泡不亮,用手捏住插头两端,灯泡发光;(3) 从灯座中取下灯泡,让学生看到手中只有灯泡,用手握住灯泡的螺旋和顶端锡块,灯泡也能发光．

师:你想知道这只“神奇的灯泡”为什么能发光吗?

活动解读:利用一只“神奇的灯泡”引入新课,激发学生的求知欲．

活动2:你能让这些用电器工作吗?

师:现有电吹风、手摇发电机、充电宝,你能让这些用电器工作吗?

生:(3名学生到讲台上实验)将电吹风插入移动插座吹冷风,手摇发电机使灯泡发光,将充电宝插入插座充电．

师:你能分别说出这些用电器工作时,能量转化的主要形式吗?

生:电吹风工作时将电能转化为机械能和内能,灯泡发光时将电能转化为内能和光能,充电宝充电时将电能转化为化学能．

师:从能量转化角度来看,用电器工作时有什么共同特点?

生:电能转化为其它形式的能．

归纳:用电器是利用电能进行工作的装置．它与电源连接后,可将电能转化为我们所需要的其它形式的能．

师:刚才电吹风、灯泡工作时,分别用什么电源提供电能的?

生:家庭电路、手摇发电机．

师:若用充电宝给手机充电,太阳能电池使计算器工作,电源又是什么呢?

生:锂电池、太阳能电池．

师:你能分别说出手摇发电机、锂电池、太阳能电池供电时,能量转化的主要形式吗?

生:手摇发电机是机械能转化为电能,锂电池是化学能转化为电能,太阳能电池是太阳能转化为电能．

师:从能量转化角度来看,电源供电时有什么共同特点?

生:其它形式的能转化为电能．

归纳:从能量转化的观点来看,电源是把其它形式的能转化为电能的装置．

师:对的,电源是一种能持续供电的装置．常见的电源可分为直流电源和交流电源．像干电池、蓄电池、太阳能电池就是直流电源．它有正、负两极,正极用“+”表示,负极用“-”表示．当直流电源对用电器供电时,电流的方向是由电源的正极经用电器到负极．像手摇发电机,使灯泡间断发光,这种电源叫交流电源．家庭电路也是交流电源．

生:观察干电池,找出正、负极符号“+”、“-”位置．

师:你还能利用给定的器材,让这些用电器工作和控制它不工作吗?

(1) 手电筒甲(电池已被取出); (2) 手电筒乙(灯泡已被取出); (3) 手电筒丙(开关短接,不起作用); (4) 干电池、灯泡、开关各1只(没有导线)．

生:(4名学生到讲台上实验)都没有成功．

师:上述实验说明什么?

生:一个完整的电路必须要有电源、用电器、开关、导线．

生:(提问)上课开始时的灯泡,没有电源,怎么会发光的?

师:请大家阅读《LED应急灯》说明书(媒体显示)．

生:(学生恍然大悟)原来灯泡内部有电源．当停电时,灯泡内部的电源提供电能,手充当了导线的连接作用．

归纳:电路就是用导线把电源、用电器、开关等元件连接起来组成的电流路径．

活动解读:教育家夸美纽斯认为“一切知识,都是从感官知觉开始的”．此活动更多地用观察实物和动手实验,让学生“做中学”．首先教师提供的实验资源都是精心选择的,具有一定的开放性和代表性．电吹风贴近学生生活,而且是两种的能量转化,还可以布置“电吹风为什么还能吹热风?”课后作业,为下节课电路的两种基本连接方式埋下伏笔;充电宝既是用电器、又是电源;手摇发电机既说明机械能可以转化为电能,又让学生对交变电流形成直观印象．让学生“水到渠成”地从能量转化角度认识电源和用电器．最后,将课本中活动2观察手电筒不发光的原因,预设成4种情境,使学生清晰地认识到简单电路由电源、用电器、开关、导线组成,从而对“路”形成初步概念．再回到引入新课的“神奇的灯泡”,前后呼应．

活动3:你能让一只灯泡亮起来吗?

师:谁能用给定的电池、灯泡、开关、导线,让灯泡亮起来?

生:(请一学生连接电路)．

师:在连接电路过程中,我们不但要能使用电器工作,还要遵守一些规则．

阅读:课本第64页“信息快递”．

师:为什么“绝不允许以任何方式用导线将电池的两极直接相连”呢?

演示:短路实验．将包装口香糖的锡箔纸中间部分剪成2 mm左右的中间狭窄的长条,直接接在2节5号电池两极．

师:你看到什么现象?

生:锡纸条立即燃烧出现明火．

师:实验说明什么?

生:短路时会烧坏导线．

师:实验过程中,我们要遵守一些规范,养成良好的实验习惯．(媒体呈现)连接电路的要求(根据中考评价,在课本中3个要求基础上进行了补充)．

(1) 连接电路过程中,开关要断开．

(2) 先顺好器件,从电源正极或负极开始连接电路．

(3) 接线时先将导线顺时针拧成一股,再顺时针绕在接线柱上,最后顺时针旋紧螺帽．

(4) 绝不允许以任何方式用导线将电池的两极直接相连,以免损坏电源．

(5) 连接电路后,要认真检查．闭合开关时要进行试触．

(6) 实验结束整理器材时,要先断开开关,再拆除电源两极的导线．

师:下面,请大家连接电路,使一只灯泡发光(给出的导线是两端裸露线头的)．

生:分组实验．

师:闭合开关后,能使灯泡发光的实验小组的组长请举手．

归纳:闭合开关,灯泡发光,电路中有电流通过,这样的电路叫通路．

师:有哪些实验小组的灯泡不亮,你能找出电路的故障吗?如果能,请说出故障的原因;如果不能,可以提供出来,我们一起来找故障．

师:利用手机软件,将存在故障的电路拍成图片传输到多媒体屏幕上分析．(事先在某实验小组的灯座背面连通两接线柱,形成短路故障,为防止干电池短路时间过长,教师要把握短路时间,择机将此实验小组的故障“收集”起来分析)．

师:当只有一个用电器工作时,用电器两端用导线连接起来,此时电流也是从电源正极直接流向电源负极,属于电源短路．

师:请摸一下被短路的干电池,你有什么感觉?

生:发烫．

归纳:电源短路时,会损坏电源和导线．

生:(学生陆续提供故障电路分析,这些故障都是教师在课前预设的)．有灯泡灯丝断开的,有导线断开的,有灯座或开关连接处接触不良的,有灯泡未旋紧的．

归纳:电路中只要有一处断开,电路中就没有电流,灯泡不亮,这种电路叫断路．

活动解读:“按规范要求进行实验,具有安全实验的意识”是学生进行电学实验必须养成的良好习惯,实验过程遵守的是“小规则”,将来学生走上社会就会遵守“大规则”．根据一些中考评价的反馈,结合学生实际还增加了一些规范要求．关于短路的教学,此处采用了沪科版教材对短路的表述:“不经过用电器而直接将电源两极用导线连通的电路．短路时,电流很大,会烧坏电源和导线”,所以,增加了“用锡箔纸短路干电池使锡箔纸着火”的实验说明短路损坏导线;预设电源短路使电源发烫的实验说明短路损坏电源．增强学生安全操作意识．活动的关键是教师在课前有针对性地预设实验情境,并将学生实验过程中出现的故障利用现代媒体技术上传到屏幕上进行分析,自然地得出电路的3种状态．

活动4:你能设计一个电动工具吗?

师:在我们生活中,有大量的电动工具,如电吹风、扫地机器人、电动剃须刀等．你想制作一个电动工具吗?首先,让我们来观察一下手电筒的构造．

生:(拿出老式手电筒)打开电筒后盖,观察手电筒内部结构．

师:你能说出手电筒的电源、用电器、开关,以及连接它们的导线吗?

生:电源是2节干电池,用电器是灯泡,2个金属片做的开关,手电筒的外壳做的导线．

师:生活中的电路有时会很复杂,如我们教室的电路、集成电路．其实这些复杂的电路都是由最简单的电路组成．为了研究电路,我们需要用规定的电路元件符号表示电路连接的图,即画电路图．你能画出手电筒的电路图吗?

生:阅读课本第65页“常见的电路元件及其符号”．

师:画电路图要求是“使用统一符号,连线横平竖直,布局合理美观”．

生:画出手电筒电路图．

师:(出示电动机)将电路图中灯泡换成电动机,就变成了电动机工作的电路,你能连接实物吗?

生:根据电路图连接实物,闭合开关,电动机转动．

生:(指导将叶轮加在电动机转轴上),叶轮转动．

师:电动机转轴上装上叶轮,就成了电风扇．我们还可以在转轴上加什么呢?

生:加刷子,就成了扫地机器人．

生:加刀片,就成了电动剃须刀．

生:加钻头,就成了电钻．

师:电动工具电路的组成特点是什么?

生:“电动机+……”

师:你能设计一个新型的电动工具吗?

作业设计:

(1) 你能对下列家用电器进行分类吗?你的分类标准是什么?

(2) 你能设计一个新型的电动工具吗?

(3) 电吹风为什么还能吹热风?

活动解读:“课标”中提出物理教学必须“从生活走向物理,再从物理走向社会”,也就是遵循“感—知—用”教学原则．“用”的最高境界是达到“创”．将课本中的活动2“观察手电筒”移到此环节,创新地设计了一个活动:“你能设计出一种电动用具吗?”．并从下面3个层次开展教学,让学生的思维拾级而上．

(1) 实践经验．观察手电筒的构造,会组装干电池,使灯泡发光．

(2) 理论学习．学画电路元件符号,会画手电筒电路图,并会改为电动机电路图．

(3) 模仿借鉴．观察一些电动工具,归纳其共性特征为“电动机+”,设计一种电动用具．