基于物理核心素养的教学设计和学习情况调查——以“测电动势和内电阻”为例

童 鑫

（深圳市光明区高级中学，广东 深圳 518106）

0 引言

文章以人教版高中必修三的“电池电动势和内阻的测量”为例，进行实验教学设计和学习情况调查。“电池电动势和内阻的测量”这节内容基本涵盖了对学生高中物理素养全方位的考察。对养成学生的物理核心素养能力十分重要[1]。

学生学情分析：学生在学习“测量电源的电动势和内电阻”的时候，已经学习了前面必修三关于电场电路的所有知识，已经建立起了静电场的理解以及静电场与电路之间关系的理解。学生在上这节课之前已经可以根据欧姆定律用两组数据就可以把电动势和内阻求解出来了。但是不能理解和运用数据分析电源电动势和内阻，不能通过分析排除不可靠数据。

该节课的内容涵盖了电路实验大部分内容，对学生的核心素养的各方面能力都有很高的要求[2]，可以看做是对电路分析、电路实验分析“大综合”。

课堂教学设计：教学内容主要分为两个部分，分别是在“电动势和内阻测量中对欧姆定律的理解”（见图1）以及“实验电路设计和误差分析”（见图2）。

图1 “电动势和内阻测量中对欧姆定律的理解”内容的教学流程图

图2 “实验电路设计和误差分析”内容的教学流程图

1 电动势和内阻测量中对欧姆定律的理解

环节1 复习旧知：教师首先让学生复述欧姆定律中电压、电阻和电流的关系；厘清新学的电池电动势E、电池内阻r和路端电压U、电流I的关系。为新知识的讲解进行铺垫。

环节2 新课讲授：学生观察老师演示伏安法测电源电动势和内电阻的实验，养成正确的实验操作和习惯。从实验中体会电动势的内阻的求解不是单纯的解方程，而是通过数据作图对图像进行分析求解而来，并学会对可疑数据进行分析和取舍。

环节3 应用拓展：通过讲授、提问和现场推导、让学生理解欧姆定律是根本，图像分析是方法、需要熟练掌握图像法和欧姆定律分别对物理量和数据进行分析。在知识点总结完成后，给学生介绍伏阻法，安阻法测量电动势和内阻的操作步骤并提出相关问题让学生灵活运用欧姆定律分析特殊电路的电动势和内阻与其他电路参数之间的关系：（1）在伏阻法和安阻法中写出关于电动势和内阻的欧姆定律；（2）伏阻法和安阻法的欧姆定律公式能否直接用来作图分析电动势和内阻；（3）如果要能够通过作图分析电动势和内阻，需要对公式进行怎样的变形。（4）结合例题让学生写出在特定电路下关于电动势和内阻的欧姆定律的表达式。

环节4 课堂小结：（1）欧姆定律在测电源电动势和内阻方法上的应用；（2）对数据进行变量分离和“化曲为直”的意义；（3）回顾学习内容，结合例题进行自我总结。

2 实验电路设计和误差分析

环节1 复习旧知：教师引导学生回顾以前测量电阻的两种电表接法并分析这两种接法的误差来源和影响为新课做铺垫[3]。

环节2 新课讲授：以实验探究为手段，进行电表误差的实验探究，充分利用欧姆定律和之前学习过程中电表误差结论对结果进行分析，将理论与实验进行深度绑定。在教学中通过绘制电路图，类比电流表内揭发和电流表外接法，定义“电流表内接法和电流表外接法”；让学生按照两种电表接法进行实验数据的收集，并用软件进行数据分析；运用电表内接电路和电表外接电路的电表误差来源和结果影响的结论，分析“电流表内接电路法”（见图3）和“电流表外接电路法”（见图4）的误差来源和结果影响；分局两种电表接法的误差来源，找到“0”误差点，分别为图3 中“I=0”和图4中“U=0”的点进行线性拟合；比对两个0 误差点拟合出的理想U-I图线分析两种电表接法对实验造成的测量结果影响。

图3 电流表内接电路法

图4 电流表外接电路法

环节3 应用拓展：引导学生学以致用，举一反三，运用所学知识和结论进行实践分析。在教学中要根据之前伏安法总结出来的结论对安阻法和伏阻法进行误差来源和结果影响分析；思考如何利用非理想电流表和电压表测出真实的电动势和内阻；在不同的实验要求中选择合适的电表设计符合实验要求的电路图。

环节4 课堂小结：（1）电流表内接电路法和电流表外接电路发的误差来源分析和结果影响分析；（2）伏阻法和安阻法中电表误差来源和结果影响分析；（3）对复杂电路图中运用欧姆定律进行分析。

3 素养提升：预期学生通过课堂学习的素养提升方向

3.1 预期进步

通过本节课的学习，预期学生应该在物理核心素养方面有以下进步：

（1）物理观念：首先要知道电动势和内阻指的是什么？其次要了解电源电动势的三种测量方法，然后是知道什么是电流表内接电路什么是电流表外接电路，最后是能够定性分析非理想电压表、电流表对电源电动势和内阻的测量影响。

（2）物理思维：首先是知道欧姆定律。其次是要知道伏安法、伏阻法、安阻法测量电源电动势的闭合电路欧姆定律。然后是能够根据测量方法对欧姆定律进行公式变形并通过数据进行直接分析。最后是能够定量分析非理想电压表和电流表对电源电动势和内阻测量的影响。

（3）物理探究：首先是知道伏安法、安阻法、伏阻法测电源电动势的操作步骤和流程。其次是能够跟同学交流过程并进行实验操作。然后是能够和同学交流讨论实验误差并进行实验数据归纳整理。最后是能够根据交流和讨论的结果对实验进行改进，提高实验结果的准确性。

（4）责任与态度：首先是体会到科学实验理论和实验操作的严谨性和科学性。之后是体会到用图像分析的只管、便利和高效。然后是能够从实验的完成过程中获得成就感并乐于帮助他人完成实验。最后是能够从实验设计和操作中了解不足[4]。

3.2 教学创新点

这份教学设计的创新点在于从实际实验需求目标出发，例如应用欧姆定律来分析电路问题中为什么在伏阻法、安阻法中要进行欧姆定律分析（变量分离），为什么不把电表参数直接画在坐标轴上进行数据分析（化曲为直）。再例如电路中电表误差分析和实验电路设计中为什么要回顾电流表内接和电流表外接测电阻的误差分析，分析电流表内接电路图和电流表外接电路图中的0 误差点的位置，新的连线和之前两种电表接法的数据拟合直线在截距、斜率上面的差异情况。相比于以前的教学方法中的口诀法来记忆电流表内接电路（电动势不变，内阻偏大）和电流表外接电路（电动势偏小，内阻偏小）而言更能体现出物理思维和科学探究在物理学习过程中起到的重要作用。相比于等效电路法来分析电流表内接电路（测量的内阻等效为内电阻和电流表内阻串联，测量的电动势不变）和电流表内接电路（测量的内阻等效为内电阻和电压表内阻并联，测量的电动势等效为电动势减电压表占据的电压），这份教学设计在理解难度上门槛更低，更加适合广大学生学习、理解、掌握和应用。

课堂授课完成之后，本人对高二年级所有学生进行本节课的学习情况调查，通过自制作业批改汇总，得到如下的答题情况和自我评价分析：学生的难点主要集中于欧姆定律在特定电路中的应用以及根据测量方法对对欧姆定律变形从而化曲为直对得到电动势和内阻的数值。这说明学生知道要运用欧姆定律和图像法对数据进行分析，但是不能理解知识的原理并加以灵活运用。另外可以看到对于电表误差分析的掌握要弱于欧姆定律的理解，说明电表误差分析这个作为高中阶段引入的知识，理解起来需要学生不断在应用中理解和掌握。这也说明了高中阶段电表误差分析这一内容具有非常重要的学习意义。

4 结语

文章基于新课标对学生物理核心素养培养[5]，以电动势和内阻的测量进行了理论与实验教学设计和作业结果分析统计，进而进行教学反思和改进。希望能够对物理教学工作有所帮助。