基于“问题解决模式”的高中物理大单元教学设计——以“电路及其应用”单元为例

许永生 习会勇

(巢湖市第二中学 安徽合肥 238000)

高中物理学科具有知识容量大、逻辑性强、抽象难理解三大特点。为了上好一节物理课，需要在课前认真地、充分地、刻苦地进行备课，即进行充分的课堂教学设计，做足课前准备工作。在新课程背景下，为有效构建各知识点和能力点的逻辑关系，更加注重从单元高度开展大单元教学设计。

本案例是2019版人教社高中物理必修三第十一章“电路及其应用”的教学活动设计，体现了物理学习的逻辑性和整体性。结合自己本章的授课经历，笔者从以下几个方面进行回顾。

一、从单元高度审视教学内容，突出电路基本规律的核心地位

通过上一章“静电场中的能量”的学习，学生已对电场力做功、电势能的变化有了深刻的认识。本章先引入恒定电场，符合知识递进关系。教材中关于串、并联的内容，电压关系，电流关系和电阻关系有明确的推导过程。本章在电学知识体系中具有承上启下的作用，是电场力做功和电势能在电路中的应用以及下一章电路中的能量问题的必备基础。本单元的知识结构如下图所示。

二、认真研读课程标准，明确核心素养目标

课程标准要求教师结合教学的实际情况，创造性地开展教学工作，将物理学科核心素养的培养贯穿于物理教学活动的全过程。学生在物理学习后要达到什么素养目标，教师心中要有明确考虑。对本章来说,主要达成以下四个维度的核心素养目标。

核心素养单元学习目标物理观念1.了解电流形成条件,知道三块表(电流表、电压表、多用电表)的结构、使用方法;2.知道电阻及定义方法,理解电阻概念的物理意义;3.了解串、并联电路的特点并用来分析电路科学思维1.会建构物理模型,理解恒定电场的产生及电流微观表达式;2.利用电路基本规律进行电压表和电流表的改装,提高分析问题的能力;3.掌握用图像方法研究导体的电阻特性科学探究1.通过实验,探究导体对电流的阻碍作用,会设计实验探究影响导体电阻的因素;2.通过实验掌握运用多用电表测电流、电阻和电压的方法;3.掌握游标卡尺、螺旋测微器的原理和使用方法,理解滑动变阻器的两种接入方法科学态度与责任1.通过分析电流的形成条件,认识电源在电路中的作用,建立恒定电场模型;2.通过观察游标卡尺、螺旋测微器、滑动变阻器及多用电表,形成认真严谨的科学态度;3.通过实验探究,体会导体对电流的阻碍作用,在探究导体电阻的决定因素实验中,进行电表的改装和校准等操作的有益尝试,在分析电路故障的实践中,进一步提高排查电路故障的能力

三、依据课堂教学任务，确定教学实施方案

(一)本章教学设计

第一模块：第1节，电源和电流。这部分是在初中学习的基础上，从电场的层面来重新审视电源的作用，帮助学生从“场”和“路”两个角度认识电流的形成机制，并尝试从微观视角去理解电流的含义。

第二模块：第2、3节，这部分以电阻率的测量为中心内容，是全章的重点与难点，其内容涉及基本仪器的使用、电路的设计与误差分析等核心能力的教学，对学生利用电路基本规律解决问题提出了很高的要求。

第三模块：第4、5节，在初中的基础上，从电场的角度梳理出串、并联电路的基本规律，并帮助学生初步掌握多用电表的使用规则。

(二)部分主要教学环节的设计

任务一：巧用类比方法，形成核心概念

在电源的作用教学中，可以将电源比喻为水泵，帮助学生理解电源这个装置在电路中的重要作用，但这个点在后续的电动势的教学中可进一步地探究，在此不再赘述。

任务二：运用控制变量法，探究导体电阻的影响因素

在设计电路时，不必纠结电路中滑动变阻器的接法，如果可以，尽量采用限流接法，不要涉及滑动变阻器的分压接法。在测量上，利用串联电路中导体两端的电压与电阻成正比的特点，将电阻的比较转换成电压这一直观的比较方式。这种处理更符合学生的实际情况，也更有利于达成实验目的。

任务三：金属丝直径的测量

1.游标卡尺的原理及使用

(1)情境引入：日常生活中，测量长度的工具常有米尺等，但因为精度问题，不能用来直接测量细金属丝直径等细小的尺寸。下面我们介绍两种新的测量工具。

(2)任务分解

子任务1:说明游标卡尺的构造

教师多媒体展示游标卡尺，学生三人一组共同观察游标卡尺。

子任务2：说明游标卡尺的原理

教科书对游标卡尺的原理讲解得非常清楚，主要讲清10分度游标卡尺，多媒体放大游标卡尺实物图，先让学生观察游标卡尺刻度与主尺刻度的区别，然后说明游标卡尺是怎样将估计问题转化为对齐刻度线的读数来提高测量精度的。

子任务3：游标卡尺的使用和读数

为了让学生正确使用游标卡尺，并掌握读数方法，可以让学生测量手里的金属丝的直径，并叫学生上讲台演示测量过程。教师根据学生的测量和读数，进一步总结游标卡尺的读数规则。

总结读数规则：测量值=主尺上的整毫米刻度(游标尺零刻度线之前的整数部分)+游标尺对应格子数×精确度。

说明：游标卡尺不需要估读。

设计意图：游标卡尺的教学要通过仔细观察、多次测量使学生掌握其原理、使用和读数，同时让学生认识到使用游标卡尺的优越性。

2.螺旋测微器的原理和使用

子任务1：观察螺旋测微器结构

展示模型，在教师的带领下，学生试着将螺母在螺杆上转动一周，会发现向前或向后移动一个螺距，让学生切身感受到螺旋测微器的可移动部分就是这样前后移动的。

子任务2：螺旋测微器的原理

螺旋测微器的一个螺距是0.5 mm，每旋转一周，旋钮移动0.5 mm。可动刻度圆周上一圈有50个等分刻度，旋转一小格，就会带来0.01 mm的移动效果，因此用螺旋测微器测长度可精确到0.01 mm。螺旋测微器还可以估读到0.001 mm，即千分之一毫米，因此螺旋测微器也称为千分尺。

子任务3：螺旋测微器的使用和读数

用螺旋测微器测量金属丝的直径。该活动可以让学生动手测量，由学生读出数据。教师再投影总结螺旋测微器的读数规则。教师还可以投影若干张图片，让学生在实际读数中掌握螺旋测微器的读数方法。

任务四：金属丝电阻率的测量

1.实验目的

理解测量金属电阻率的实验思路，正确进行实验连线和操作，测出给定合金丝的电阻率，并能对实验方案进行误差分析。

2.实验电路的确定

子任务1：控制电路的确定

要求尽可能地测量多组数据，滑动变阻器的规格和接法是否可以优化？请结合串、并联的规律做进一步探讨。

利用串、并联的知识，介绍滑动变阻器在电路中的限流接法和分压接法，让学生对滑动变阻器的接法有个初步的认识。

当滑动变阻器最大阻值跟待测电阻差别不大时，若选用初中所学的限流式接法，可以提供的电压调节范围为2～3 V，若选择分压式接法，可以在0～3 V范围内进行电压调节，已达到实现多组数据测量的效果，而且测量数据可以更分散些。

设计意图：在学生已有的串、并联知识的基础上，初步认识到滑动变阻器的两种接法的不同和各自应用情境，培养学生用已知的科学知识思考并解决负载问题的良好科学品质。

子任务2：电流表和电压表量程的选择

电源电压约为3 V；考虑待测合金丝的电阻大约为10 Ω，电流表选择0～0.6 A量程，电压表选择0～3 V量程为宜。

子任务3：电流表的接法

电流表应该接在电路的哪个位置？在本实验中，为什么倾向于采用电流表外接法呢？

可以先介绍电流表内接法和外接法电路的特点，然后利用学生已有的串、并联电路初步知识，进一步体会误差的来源。

(1)阻值比较法：“大内偏大，小外偏小”。

(3)试触法：让电压表的一个接线端先后与电流表的左右两侧碰触一下，若电压的示数有较大变化，而电流表的示数变化不大，则采用电流表外接法；若电流表的示数有较大变化，而电压表的示数变化不大，则采用电流表内接法。

设计意图：通过电流表内外接法的判断，形成严密的学科思维习惯，提高实验操作能力，形成尊重实际的物理学科核心素养。

子任务4：关于实物图连接

(1)原则：先控制电路，后测量电路；先考虑串联部分，后考虑并联部分，注意电表量程的选择和正负接线柱的位置。

(2)对滑动变阻器的限流接入方式：先用导线从电源正极开始顺路往下接，把电源、开关、滑动变阻器、测量电路部分等依次串联接入电路即可。滑动变阻器的滑动片初始位置要注意保证滑动变阻器调到了阻值最大处。

(3)对于滑动变阻器的分压接法：应该先把控制电路中的电源、开关和滑动变阻器的全部电阻丝三个部分用导线先顺次接起来，接着在滑动变阻器电阻丝两端之中任选一个接头，再比较该接头和滑片处电势高低，结合测量电路中电表正负接线柱的情况，将测量电路部分接入该两点之间。滑动变阻器滑动片的初始位置应调到使测量电路部分所接两点间阻值最小处，即初始电压为零的位置处，以确保测量电路的安全。

设计意图：通过对实验电路的实操连接，让学生在任务规划和解决问题的过程中多动脑筋，充分锻炼，达到手脑并用的效果，帮助学生形成科学探究学科核心素养。

子任务5：实验测量和数据处理

分组进行实验测量，让各小组测量多组数据，并结合数据测算出金属丝的电阻率，各小组完成后将结果在黑板上展示。

任务五：串联电路和并联电路

子任务1：串、并联电路的电流、电压和电阻规律

通过复习初中知识，帮助学生回忆串、并联电路基本规律，并能从电场的视角推导相关规律。

设计意图：强化“场”和“路”的联系，帮助学生全面深刻地认识电路的基本规律。

子任务2：电压表和电流表的内部电路结构

先介绍小量程的电流表(表头)的内部结构和工作原理，即指针偏转角度与电流大小成正比，再介绍电流表的三个重要电学参数，即内阻、满偏电压和满偏电流，以及三者之间的重要关系。

在介绍完电流表基本构造和工作方式后，尝试从电路基本规律的基础上，对电表的改装进一步学习和研究。

设计意图：电表改装实际上是串、并联电路规律的实际应用，帮助学生在电表改装的实践中意识到电压表和电流表的电阻本质属性，引导学生形成科学探究能力和实践应用能力。

任务六：练习使用多用电表

课堂上每个小组的学生共同观察多用电表的表盘及测量功能，形成对多用电表的初步认识。在多用电表的使用教学环节，我们更加要注重对电阻粗测的教学环节的教学设计。让学生在反复操练中，实现对使用步骤的完全掌握。

多用电表的内部结构可以淡化处理，不宜在此处过深涉及，只在测电阻的时候说明内部实际有电源和内阻即可，让学生有初步的了解，也更符合将难点内容分散处理的教材编写初衷。

拓展任务一：实验测量电路的变化

如果测量电阻丝的电阻较大，本实验也可以采用滑动变阻器的限流接法进行电路控制。这样设计的优势是电路结构较简单，测量方便，缺点是不利于较大范围地测量多组数据。

拓展任务二：电路黑盒子问题

在教学中，教师可以根据学生的能力水平，适当设置用多用电表判断黑盒子内电学元器件的机会，让学生在实践中摸索出判断电路元器件的方法，在学以致用中形成科学素养。

四、本章教学环节实施后的反思

通过“电路及其应用”单元的教学，不难发现，电路基本框架和规律的教学是基础性环节，对学生后续规律的掌握影响深远，决不能以为学生已经熟练掌握了基本的电路规律，而忽视了这一部分的教学。

电路实验仍然是串、并联电路的基本规律的具体应用与拓展。在教学中，一定要反复突出和强调串、并联规律在电路问题中的基础和核心地位。此外，教师要相信学生的主动性，让学生在解决问题中形成自己的学科素养和能力。在电学实验的教学准备中，实验原理的学习、实验方案的探讨、实验数据的测量均要有全方位的教学设计。教学中要根据教学任务、在“问题解决模式”的引领下，逐步设计行之有效的教学设计，以实现严密的课堂逻辑体系和组织架构。

关于电路的故障分析，在本章的教学中，针对学生现有的能力水平，没有必要过度强化教学，要努力地创造机会，帮助学生在实践中分析和处理电路故障问题，促使学生逐步养成独立自主解决问题的习惯。