单元视域下基于科学探究模式的电阻教学

摘" 要：电阻概念较为抽象。学生对电阻的定义、单位、测量和影响因素等有一定的认知障碍。本文基于科学探究的教学模式，在单元教学统领下重组电阻教学的内容与实施，依靠承上启下衔接电路和欧姆定律的电阻单元进行教学设计，尝试在核心素养理念下解决当前电阻教学的疑难。

关键词：电阻；科学探究；核心素养；课程标准；单元教学

当前电阻教学包含物质的导电性能、电阻的概念和单位、电阻大小的影响因素、变阻器等内容；教学时依靠转换法将电阻大小转换为电流大小进行定性比较，然后得到定性的电阻规律（如图1所示）。由于缺乏对电阻定义的学习和建构，以及实验中需要提前了解欧姆定律方能进行解释论证，导致学生无法正确理解电阻单位以及电流、电压和电阻之间的真正关系，为后续欧姆定律的学习造成了很大障碍。

《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称课程标准）物理学科核心素养的理念下，概念建构和思维发展需要以学生的已有认知为基础，要注重科学探究、突出问题导向，要创设真实的问题情境。［1］因此，结合电阻教学中对实验的高要求和单元教学的统领导向作用，笔者重新整合了电阻教学，拆分了欧姆定律内容并增加了电阻定义内容，尝试以定量化的科学探究实施电阻教学。

1" 课程标准的要求

课程标准在电磁能部分，要求学生能从能量转化的角度认识电源和用电器的作用；知道电压、电流和电阻，探究电流与电压、电阻的关系，理解欧姆定律；

会使用电流表和电压表；会看、会画简单的电路图，会连接简单的串联电路和并联电路。基于教学内容，课程标准也在核心素养的四个维度提出了具体的学业质量要求（如表1所示）。

2" 科学探究模式

科学探究的具体形式是多样的，科学探究在美国的《国家科学教育标准》中解释为“科学家们用来研究自然界并根据研究所获事实证据作出解释的各种不同途径”；科学探究在过程中并没有固定的模式；研究者基于研究活动的进行过程，提出了观察现象、提出问题、查阅资料、设计方案、进行实验、获取及分析数据、解释交流等环节。［2］课程标准也明确提出科学探究一般包括提出问题、猜想与假设、设计实验与制定方案、获取与处理信息、基于证据得出结论并作出解释、交流评估反思等环节。

在教学中使用科学探究这一表述时，更多的是基于科学实践的理念，强调在科学研究中去发现问题、思考问题、解决问题，并完成认知的建构，其依据仍然是认知建构主义和认知结构理论。［3］课程标准所倡导的科学探究，既是一种物理学科素养，也是一种教学实施方略，既培养学生的研究意识和能力，也借此组织教学的操作和实施，最终让学生在实践中建构新概念。因此，以科学探究的模式进行电阻教学，具有牢固的理论依据和操作可行性。

3" 电阻教学设计

当前的电阻教学包括物质的导电性能、电阻的概念和单位、电阻的影响因素、变阻器等，电阻的测量安排在了欧姆定律章节。这种设计淡化了电阻自身的概念建构，遗留了很多教学问题，比如电阻单位、欧姆定律探究过程中的循环论证等。因此在单元教学的统摄下，笔者在电阻部分增加了电阻定义、探究电流与电压关系、测量电阻等内容，设计了电阻教学设计表（如表2所示）。

整个教学过程始终以实验情境贯穿，融合了“探究电流与电压的关系”“测量导体电阻”“测量小灯泡

电阻”“探究电阻大小的影响因素”“导体和绝缘体的转化”等5个重要实验，以实验探究驱动学习进程，以知识规律强化学科体系，以实践应用巩固学习认知，做到了“做”与“学”的平衡。

4" 教学环节简述

4.1" 探究电流与电压的关系

这部分的探究实验通常作为欧姆定律教学的一部分，但在单元教学的统领下，特意将这一探究实验提前，力图有效帮助学生实现电阻概念的建构和应用。

4.1.1" 问题与猜想

图2

该环节承接电压教学的一个演示实验（如图2所示）。AB是一段镍铬合金丝，电源两端电压可以调节。改变电源电压让学生观察实验现象，从而引出探究主题，并猜想电流与电压的关系。学生看到改变电源电压时，电流表示数发生变化，于是基于这一实验现象，很容易提出“在电阻一定时，电流随着电压的变化而变化”的猜想。

4.1.2" 方案与实施

图3

学生基于猜想，自己思考并明确探究实验需要测量的物理量，包括如何改变电压、如何测量电压和电流等，然后根据已有的器材（包括电流表、电压表、各种镍铬合金丝）设计并连接电路，绘制数据记录表，最后完成实验，获取数据。为了避免陷入欧姆定律的循环论证，此处不使用滑动变阻器，而是通过改变电源电压来实现改变合金丝两端的电压。实验电路图如图3所示，实验数据记录表如表3所示。

4.1.3" 数据与处理

学生根据实验的数据，计算分析电流与电压的定量关系，并通过绘制电流与电压的关系的图像，进一步显化实验数据，最终得到“同一段导体，通过导体的电流与导体两端的电压成正比”的探究结果。

4.1.4" 解释与交流

图4

教师汇总不同小组的数据并展示给学生（如图4所示），学生会发现用不同的合金丝进行实验，电流与电压成正比的比例系数不同，或者说不同导体两端的电压与电流之比不同。此时引导学生思考电压与电流之比的意义，引导学生发现该比值与物体自身有关，就像密度一样，代表了物体本身的某种性质。

根据以上分析，引导学生用物体两端的电压U与通过物体的电流I相比来定义物理量电阻R，即R＝UI，其单位为V/A。为了纪念科学家欧姆，物理中将电阻的单位称为欧姆（Ω），即1Ω＝1V/A。由公式可知，电压一定时，若物体的电阻越大，即导体对电流的阻碍作用越大，那么通过物体的电流便会越小。电阻的物理意义不言自明。

不同物体的电阻不同，其对电流的阻碍作用也不同，那些容易导电的物体被称为导体，不容易导电的物体被称为绝缘体。导体和绝缘体并没有严格的界限，只是电阻大小存在很大差异而已。教师通过烧红玻璃的实验展示导体与绝缘体的相互转化（如图5所示），并补充介绍导电性能的微观含义，即其自由电荷数量越多，导电性能越强。

4.1.5" 应用与实践

在建构了电阻概念以后，利用电压表和电流表测量导体的电阻就顺理成章了。实验中给各组学生提供不同规格的导体，让学生测量导体两端的电压和通过导体的电流，并计算出导体的电阻，从而完成测量阻值实验。然后再给每小组提供一个小灯泡和电压可调节的电源，让学生测量不同电压下灯泡的电阻（如图6所示），分析灯丝电阻的变化规律，并思考为什么灯丝电阻会变化，引出下一个探究活动。

4.2" 探究电阻大小的影响因素

这部分的探究实验通常是利用转换法，即通过电流大小定性反映电阻大小，因为此时还没有电阻的计算公式。在进行单元教学设计时重组教学内容，电阻大小的影响因素实验也得以进行量化研究。

4.2.1" 问题与猜想

图7

该环节承接主题一的环节五，教师连接如图7所示的电路，测量常温下灯丝的电阻，然后用酒精灯加热灯丝直至其发红发光，测量此时灯丝的电阻，让学生借此验证自己之前的猜想是否正确，完成“温度是电阻的影响因素”的教学。实验中仍然利用两端电压可调的电源，避免提前引入滑动变阻器，给学生学习带来困扰。

学生分组讨论温度对电阻大小的影响，同时教师引导学生尝试列举出更多的电阻的影响因素，并辅以相应的素材进行佐证，以培养学生的证据意识和论证能力。示例：不同材料制成的相同形状的导体的导电能力不同，因此电阻与材料种类有关。最终除了温度之外，学生再猜想并确定出材料、长度、横截面积等影响电阻大小的因素以备探究。

4.2.2" 方案与实施

由于教学时间有限，让学生以小组为单位选择一种因素进行实验方案的设计（如表4所示）。方案中要求学生明确控制了什么变量，改变了什么物理量，测量了什么物理量，需要什么器材。该实验方案与测量电阻的实验是一致的，电源两端的电压仍然可以调节，只是增加了控制变量的思考设计环节。学生按照自己所在小组的设计方案进行实验，并记录数据。

4.2.3" 数据与处理

小组的同学需要计算出每一次测量的电阻值，并分析电阻的变化与所探究的因素之间的关系。对于探究长度和横截面积影响因素的小组，还需要得出电阻与自变量的定量的关系。

4.2.4" 解释与交流

学生通过对实验数据的分析归纳，得到导体电阻与导体材料有关，与温度有关，并且还得到电阻与导体长度成正比，与横截面积成反比的量化结论。教师借此帮助学生归纳电阻定律，即R＝ρLS。虽然此时归纳电阻定律水到渠成，但并不要求学生掌握电阻定律，教学中可以酌情定性化处理。

此处教师还需要帮助学生区分R＝UI和R＝ρLS两公式。前者是电阻的定义公式，但是电阻大小显然与电压和电流无关，而是与导体的材料、长度、横截面积、温度等因素有关。现有教学中的电阻影响因素的理论理解困难迎刃而解。

4.2.5" 应用与实践

在明确了电阻大小的影响因素之后，便可以据此设计电阻值可以量化改变的仪器，即变阻器。教学中让学生自己从电阻的影响因素中，寻找实际可用的改变电阻的方法。由于增加导体横截面积、更换导体材料、改变导体温度等都不方便实现，学生最终选择通过改变连入的电阻丝长度来改变电阻（如图8所示），这正是滑动变阻器的原理。

图8

此时教师可以视学生的层次和教学时间，选择不同的教学方法，将滑动变阻器的原理设计、接线使用、电路符号等融入课堂教学。比如教师引导学生利用长电阻丝自己设计滑动变阻器，过程中用缠绕解决电阻丝过长、用绝缘漆解决导线接触导通、用刮去绝缘漆解决滑片与电阻丝无法导通等一系列问题，最终成功设计滑动变阻器。如果学生能力不足以支撑设计变阻器的任务，则可以选择拆解滑动变阻器，给学生演示组装一架滑动变阻器，从而引导学生经历设计的过程（如图9所示），完成有深度的学习，避免机械的记忆。

5" 结束语

科学探究教学模式需要有明确的探究任务，然后在既定的探究环节中逐步推进，让学生在完成探究活动的过程中应用所学的知识和技能，建构新的认知。其本质与任务驱动模式相似，只不过科学探究将环节和情境更加教学化，让学生获取信息的途径更加实验化，［4］相较一般的任务驱动模式而言更加侧重实验能力素养的培养。

基于建构主义理论的特点，科学探究的教学模式一定要注重最后的课程落实。首先，在解释交流环节，教师一定要引导和帮助学生完成物理课程的内容深化，要基于实验的数据支撑概念规律的教学，要将理论和实验相互交织，从而真正将实验纳入到课程中来，解决当前教学中重理论轻实验的现状。然后，在探究活动中，一定要注意环节的衔接，尤其是学生的思维发展，保证学生顺畅地完成认知建构。［5，6］最后，在探究结束时一定要增加应用和实践环节，让学生在将实验和理论融合以后，有机会进一步联系实际，在运用中强化和巩固认知结构，完成学科核心素养的升华。

参考文献

［1］中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版）［M］. 北京：北京师范大学出版社，2022：2-3.

［2］姜涛. 物理探究课有效教学评价指标体系构建研究［D］.重庆：西南大学，2013：11-12.

［3］莱斯利·P.斯特弗，杰里·盖尔.教育中的建构主义［M］. 高文，等译. 上海：华东师范大学出版社，2002：9.

［4］蒋炜波，赵坚.新修订“义务教育物理课程标准”的特点探讨与实施建议［J］.中学物理，2022，40（10）：2-6.

［5］蒋炜波.物理教学中科学思维发展层级模型的构建初探［J］.物理教学，2021，43（10）：5-9.

［6］蒋炜波，王宏.物理实验的设计如何指向学生科学思维的培养［J］.物理教学，2019，41（12）：10-12，9.