基于项目化学习的初中物理教学案例分析①

鲁佩用

(南京育英第二外国语学校,江苏 南京 210044)

《义务教育物理课程标准(2022年版)》在“跨学科实践”二级主题“物理学与日常生活”中提出了“能发现日常生活中有关问题,提出解决方案”的内容要求。[1]在初中物理跨学科实践中,可以借助生活现象创设情境,引导学生发现问题,从物理学角度提出解决问题的方法,并付诸实践,项目化学习就是实施“跨学科实践”的一种有效途径。

1 项目化学习简介

项目化学习强调以下要素:(1) 运用真实的驱动型问题;(2) 在情境中对问题展开探究;(3) 用项目化小组的方式进行学习;(4) 运用各种工具和资源促进问题解决;(5) 产出可以公开发表的成果。[2]由此可见,项目化学习的关键是明确学习目标,重视学生对核心知识的理解和科学思维能力的培养,进而提升学生的核心素养。

在初中物理教学中运用“等效替代法”测电阻,涉及电路基本特点、欧姆定律等知识,对学生的科学思维、运用数学知识等能力的要求较高。“等效替代法”是近几年初中物理学业评价的热点,且学生的得分率偏低。

笔者将“等效替代法”测电阻的教学设计成一个可操作的项目,学生共同参与,经历项目化学习的过程,让学生在项目化学习中促进知识的迁移,找到解决问题的方法,以促进其思维品质和实践能力的发展。

2 项目化教学设计

在物理教学中开展项目化学习的基本要素可以简化为情境、目标、探究、模型和实践,以项目为载体,以培养学生的科学思维和科学探究能力为核心。基于项目化学习的“等效替代法”测电阻的教学流程设计如图1所示。

图1

2.1 再现“曹冲称象”

以“曹冲称象”的再现引入项目。

(1) 情境创设

在大水槽中倒入适量的红墨水,将一个大象玩具放入玻璃容器中,使其漂浮在水面,用记号笔标出玻璃容器与水面相平的位置(图2)。

图2

(2) 场景再现

取出大象玩具,在玻璃容器中放入小石块,直到水面再次与标记线相平,然后将石块和大象玩具分别放入调好的天平左、右两盘,发现天平平衡。

(3) 问题解决

分析“曹冲称象”的物理原理和方法,学生归纳、了解“等效替代法”,并且进行举例佐证。

(4) 项目任务

提出用“等效替代法”测电阻的项目。

(5) 案例分析

在项目化学习开始前,教师依据教学目标创设项目情境,通过驱动型问题,将学生的学习动机与实际问题紧密联系起来。对于“曹冲称象”的故事大家耳熟能详,课堂上让学生先了解它的物理原理,为后面“等效替代法”测电阻项目的设计和实施做准备。

2.2 设计运用“等效替代法”测电阻的实验方案

2.2.1 运用“单一替代法”测电阻

(1) 项目任务

测量如图3所示电路中的未知电阻Rx的阻值,其中R为电阻箱,S为单刀双掷开关,R0为定值电阻。

图3

(2) 驱动问题

为什么电阻箱的阻值等于Rx的阻值?能否先接入电阻箱?

(3) 任务解读

该项目任务源自苏科版初中物理教材第十四章第二节“变阻器”课后“WWW”,由于实验原理和操作都相对简单,直接用电阻箱接入电路的阻值替代待测电阻的阻值。虽然学生凭直觉能很容易得到未知电阻的阻值大小,但由于“替代法”测电阻是基于欧姆定律的测量性实验,因此,要引导学生通过欧姆定律,利用总电压和总电流大小不变,确定电路中总电阻不变,从而推导出待测电阻阻值与电阻箱阻值之间的关系,在此基础上使学生明白“等效”是“替代”的前提条件以及“谁替代谁”。

项目任务中没有涉及电压表和滑动变阻器等其它元件,如果教师只是进行“操作手册”式的讲解,学生学到的仅仅是相关实验的操作步骤,而不能真正理解隐藏在每一步操作背后的物理原理,那么,绝大部分同学不会真正理解“替代”测量的含义和方法本质。因此,教师可以展示图4甲和乙,设计如下问题串。

图4

问题1：如图4甲和乙所示,能否将图3中的R0换成灯泡或滑动变阻器?灯泡和滑动变阻器在电路中的作用是什么?

排砂冷采不进行防砂，所以单井出砂量很大。排砂冷采完全依靠天然能量进行开采，初期产量很高，但是持续时间比较短，采收率较低。由于地层形成了“蚯蚓洞”所以若后期转注水和注汽措施容易发生气窜水窜，另一方面“蚯蚓洞”一旦遭遇边底水入侵开采效果将会剧降。

问题2：在使用滑动变阻器的过程中要注意什么?

问题3：能否改用电压表?若可行,请画出电压表的位置。如图4丙所示,也可以把电压表并联在c、d两点,如何用等效替代法测量Rx的阻值?

(4) 案例分析

将图3电路中的定值电阻R0换成滑动变阻器或灯泡、电阻箱等,都只是形式上的变化,作用是一样的,都是为了保护电路,测量原理没有发生改变。把电流表换成电压表,也就是把“电流”相等改为“电压”相等,测量原理仍然相同。当然,在待测电阻Rx接入前、后,由于电路总电阻不变,为了使电阻箱显示的阻值等于待测电阻的阻值,就必须保持滑动变阻器接入电路的阻值不变,这是“等效替代法”的核心思想所在。

2.2.2 运用“组合替代法”测电阻

(1) 项目任务

用如图5所示的电路测R2的阻值,其中R为电阻箱,R0为定值电阻,且阻值未知,要求仅利用电阻箱的读数表达R2的阻值。

图5

(2) 驱动问题

(3) 任务解读

由于电阻箱的位置由支路上变到干路上,导致电阻箱的作用发生了变化,由替代者变成了既是替代者也是被替代者,往往会导致学生束手无策。如果学生能通过两次电流相等,确定电路总电阻不变,即可顺利解决问题。也有学生提出:当开关由a改接到b时,相当于在电路中增加一个电阻R2,要保持电路的总电阻不变,只要调节电阻箱使其阻值减小R2即可,因此,电阻箱前后两次的差值即为R2的阻值。

(4) 案例分析

项目设计过程就是学生在教师的指导下,根据任务的需要,对学习进行规划的过程。在教学中围绕“等效替代法”测电阻这一目标进行项目设计,精心设计问题串,通过方案对比,激发学生的创造性思维,深化学生对“等效替代法”和欧姆定律的理解。

2.3 运用“等效替代法”实测人体电阻

(1) 项目任务

提供的实验器材为电阻箱、干电池、灵敏电流计、导线等,要求测出两只手之间的电阻。

(2) 项目实施

如图6甲所示,通电前,调节灵敏电流计的指针指向中间零刻度线,将两只手接入电路,灵敏电流计的指针向右偏转了5格。如图6乙所示,将电阻箱接入电路,调节电阻箱,使灵敏电流计的指针再次向右偏转5格,读出此时电阻箱的阻值为125 kΩ,即为两只手之间的电阻。接着,让另一位同学两只手的手指接入电路,发现灵敏电流计的指针偏转角度不同,说明不同学生两只手之间的电阻不相同。

图6

(3) 案例分析

“等效替代法”测电阻属于测量类的综合实践项目,项目实施过程就是学生学习体验的过程。学生根据制定的计划进行项目化学习,完成知识构建。在用“等效替代法”测量人体电阻的活动中,学生经过亲身体验,又学会了一种测量电阻的方法。此外,在项目化学习过程中,学生自己尝试解决问题,提升了他们的综合实践能力。

2.4 总结“等效替代法”测电阻的策略

根据前面的学习,师生共同总结“等效替代法”测电阻的策略:根据电流表或电压表两次测得的电学量相等和电源电压不变,运用欧姆定律推导出电路总电阻不变,并由此确定待测电阻和电阻箱阻值之间的数量关系。

案例分析:在运用“等效替代法”测电阻的项目化学习中,只有建构了物理模型,才能将繁杂的现象简单化,才能帮助学生建构复杂和抽象的概念,以利于开展问题探究,切实提升物理学习的效率。学生在前面的学习中已经明确了“等效替代法”测电阻的策略,不管“电流”等效还是“电压”等效,也不管是“谁替代谁”,电路的总电阻总是保持不变。

2.5 “多次替代”测电阻

(1) 例题呈现

利用如图7所示的实验电路来测量电阻的阻值。

图7

① 将电阻箱接入a、b之间,闭合开关。适当调节滑动变阻器R′后保持其阻值不变。

改变电阻箱的阻值R,得到一组电压表的示数U和R的数据(表1),请根据表1中实验数据画出U-R图像。

表1

② 用待测电阻Rx替换电阻箱,此时电压表的示数为2.00 V,由U-R图像可得Rx=Ω。

(2) 例题解答

① 根据表1中实验数据画出U-R关系图像如图8所示。

图8

② 由U-R图像可得Rx=20 Ω。

(3) 案例分析

在项目化学习“等效替代法”测电阻的模型建构的基础上,通过进一步拓展应用,促进学生科学思维能力的提高和物理观念的形成。该例题出自高考题,由于电压表的示数随电阻箱接入电路的阻值的改变而改变,所以,当待测电阻接入电路后,根据电压表的示数和图像可直观求得待测电阻的阻值,即用电阻箱的阻值来替代待测电阻的阻值,并且可以多次替代。采用“多次替代”测电阻的方案不仅测量准确,还可以培养学生利用图像处理实验结果的能力。

3 结语

教师在尊重学生的认知发展规律的基础上创设情境,引导学生开展项目化学习,能促进学生深刻认识物理规律的本质,提升他们的思维能力和综合实践能力。采用项目化学习方式开展物理教学是发展学生核心素养的重要途径,值得我们进行更多的实践研究。