基于物理学科素养的课堂教学设计研究

焦月英

摘   要：以鲁科版选修3-1第四章第一节“闭合电路欧姆定律”为例，研究提升物理学科素养的课堂教学设计。

关键词：学科素养;教学设计;电源;闭合电路欧姆定律

物理学科素养是每个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。在中学阶段，物理学科教学的重点是培养学生个人物理学科素养，使学生在学习物理的过程中逐渐形成物理观念、科学思维、科学探究、科学创新的综合能力。学生对物理知识的学习主要是在物理课堂实现的，在物理课堂教学中，教师要重视过程性教学设计，通过演示实验、探究实验、科学推理等使学生能够经历知识的建构过程，从而让学生学会物理问题的解决思路和物理规律的研究方法。本文以鲁科版选修3-1第四章第一节“闭合电路欧姆定律”为例，研究提升物理学科素养的课堂教学设计。

1  基于物理学科素养的教学设计

1.1  教学目标（表1）

1.2  教学内容与学生分析

本课是鲁科版教材选修3-1第四章第一节的内容，研究的是闭合电路，在初中阶段学生已经学习了部分电路相关知识，但由于知识层次的局限，在初中的教学中没有深入研究电源的作用，这节课是学生第一次较深入地了解电源内部，电动势和内阻是全新的概念，是学习的难点。学生通过高一物理的学习，已经具备力学分析能力和实验探究能力，为通过实验研究电动势和内阻奠定了基础。

闭合电路欧姆定律是研究闭合电路的基本规律，也是分析电学问题的基础，是本章教学的重点。通過前面对电路和电场知识的学习，学生对电路和电场中的功能转化关系也有了一定的了解，具备学习闭合电路欧姆定律的知识基础与认知能力。

1.3  教学过程

（1）物理观念——电源的认识

任务一：通过演示实验，让学生体会并理解电源的作用

演示实验一（放电实验）

实验演示：若用导线将电容器两个极板连接起来

观察实验：电流计指针有偏转吗？会持续偏转吗，为什么？

教师：电子经导线由B运动到A，A电势降低，B电势升高，当AB电势相等时（图3），电流消失。因此导线中只有瞬时电流流过。

思考：怎样才能使导线中有持续的电流呢？

演示实验二（电源实验）

实验演示自制电池实验，如图4，将铜片和锌片插入容器中，接通电路，请同学们观察电流计指针偏转情况;然后向容器中注入一定量的碳酸饮料，请同学们再次观察电流计指针偏转情况。

讨论与交流：学生结合实验结果，试从力学和能量两个角度解释实验现象

教师画出等效电路图，如图5，并小结：从动力学角度看，在容器外部电路中，正电荷受电场力作用，从正极运动到负极，容器内部，两个金属片之间没有导线连接，正电荷是在化学作用下从负极运动到正极的。

从能量角度看，在外部电路中，通过静电力做功，电势能转化为其他形式的能，在容器内部，通过化学作用做功将化学能转化为电能。

列举水电站和太阳能电池，分析其能量转化关系。

师生共同总结电源的概念、电源在电路中的作用。

【设计意图】学生初中阶段虽然接触过电路，但对电源本身没有做过研究，本环节设计两个演示实验，让学生直观感受到电源的作用，学生通过实验一发现“电容器提供的电流是瞬时的”这一事实，并能激发学生思考获得持续稳定电流的方法。然后通过观察实验二，学生发现仅有两个金属片无法获得持续电流，但是当两个金属片之间充入某种化学物质，便可获得持续电流，学生通过实验对比与思考，逐渐认识了电源。

任务二：通过实验对比，引出电动势的概念

演示实验三（电源对比实验）

教师演示：

①将电压表接在自制原电池两端，如图6，观察电压表示数;

②将电压表接在干电池两端，如图7，观察电压表示数。

请学生观察实验，对比实验现象并分析。

学生：电压表示数不同，说明不同电源的能量转化本领是有差异的。

教师就势引导，总结得出电动势的概念和物理意义。

【设计意图】电动势概念比较抽象，单纯的理论解释学生理解起来很困难，本环节再次利用对比实验，让学生切实感受到不同的电源能量转化本领不同，从而巧妙地突破了教学难点。

任务三：通过学生分组实验探究电源内阻

学生活动：4人一组，合作完成以下任务：

①利用电学实验器材，按照图8连接好电路，将数据记录到表2中。

学生分组实验一：

提问：当电阻R逐渐减小时，图中电压表数值将发生变化吗？如何变化？为什么会这样变化呢？

学生：一部分电压被R0分走了。

②利用电学实验器材，按照图9连接好电路，将数据记录到表3中。

学生分组实验二：

提问：随着R的减小，R两端的电压变化吗？如何变化？

学生：当R减小时，电压表示数减小。

追问：少的那部分电压被什么分走了呢？

学生讨论与交流后得出：电源内部也有电阻，分走了一部分电压。

教师小结：电源本身，自己的内部对电荷的运动产生阻碍，这种阻碍就表明电源自身有电阻，我们把它称之为电源内阻，通常用r表示。

【设计意图】实验探究是认识物理现象研究物理规律的重要途径，实验可以调动学生学习的积极性，让学生能够真正地参与课堂。本环节设计分组实验，学生通过亲自动手实验，研究思考，进而得出电源存在内阻的结论，学生经历了知识的建构过程，在此过程中学生学到的不仅仅是简单的“结果”，更重要的是学习了研究物理的方法。另外，通过分组做实验，培养学生记录、统计分析能力的同时，同学们团队协作能力和各自在团队中角色和担当意识也会增强。

（2）物理规律——闭合电路欧姆定律

闭合电路欧姆定律是本节课的重点，通过实验可以分别测得内电压U内和外电压U外的数值，也可以得出内外电压之和在误差允许的范围内是个定值，但是高中阶段电动势E无法通过电压表直接测得，因此，通过实验得出电动势与内外电压之间的关系会存在一定的困难，鑒于此，本环节采用了理论推导的方法，设计一些问题，逐步引导学生推导出闭合电路欧姆定律。问题设计如下：

在图10中，闭合电路的电源电动势为E，外电路电压为U外，内电路电压为U内。通电后，设电路中电流为I，请回答下面几个问题：

问题1：在t时间内，外电路中静电力做功W外为多少？

学生：：W外=qU外=ItU外

问题2：在t时间内，内电路中静电力做功W内为多少？

学生：W内=qU内=ItU内

问题3：在电源内部，t时间内非静电力做得功W非为多少？

学生：W非=qE=ItE

问题4：W外、W内和W非之间的关系是什么？

学生：静电力做的功等于消耗的电能，非静电力做的功等于转化的电能，根据能量守恒可得W非=W外+W内

即   ItE=ItU外+ItU内    E=U外+U内

问题5：若闭合电路为纯电阻电路，电流I、电动势E、内电阻r和外电阻R之间关系是怎样的呢？

学生：E=IR+Ir

即 I=

【设计意图】提问是启发学生思维的关键[ 1 ]。巧设问题可以激发学生思考的热情，严密的理论推导可以培养学生的物理思维能力。本环节通过设计问题串引导学生科学思考、科学推理，最终得出规律，学生亲历了物理规律的建立过程，对规律的理解会更加透彻，同时学生科学思维能力也大大提升。

2  课堂教学设计点评

本课堂教学设计，思路明确、清晰，内容丰富，重在培养学生实验统计分析能力和逻辑思维。从内容上看，本节课的设计主要分为两大块：第一部分是电源，电源内部看不见摸不着，比较抽象，本教学设计通过三次演示实验让学生直观体会到电源与电容器的区别、电源在整个电路中的作用以及电动势引入的意义，有助于学生物理观念的形成，科学思维的提升。在电源内阻的教学中，采取让学生亲自进行分组实验，学生们通过动手搭建电路，观察实验中所发生的现象，记录并分析结果，见证电源中确实存在内阻。这一设计提升了科学探究能力和团结协作能力。第二部分是闭合电路欧姆定律，首先从能量的角度，引导学生推导闭合电路中电动势与内外电压间的关系，进而推导出纯电阻电路的闭合电路欧姆定律，这部分内容的设计重视学生科学推理能力的培养。

本节课堂设计突破了教材的束缚，设计了三个演示实验和一个学生探究实验，在实验的过程中引导学生观察、对比、分析、论证，使学科素养的提升落实到课堂的每一个环节。学生的物理学科素养是在学习知识的过程中逐渐形成的，课堂教学设计不能只是知识的简单罗列或呈现，而更应该重视知识和规律的建构过程，物理教学的目的是让学生学会分析物理现象，学会解决物理问题，学会研究物理规律的方法。

参考文献：

[1] 吉临荣，开发低成本资源构建高效课堂——以苏科版教材“探究树荫下的光斑”为例[J].中学物理教学参考，2019（1-2）.