基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的教學(xué)設(shè)計

呂薇　王詩嘉　劉立華

摘要：“閉合電路歐姆定律”作為“恒定電流”這一章教學(xué)的重難點，同時也是整個電流與電路板塊的核心內(nèi)容。在教學(xué)實踐時，學(xué)生往往無法掌握定律的應(yīng)用，課堂效果無法達(dá)到預(yù)期結(jié)果，學(xué)習(xí)進(jìn)階理論可幫助解決這一問題，使課堂設(shè)計清晰簡潔，為教師提供了一條高效備課的路徑。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進(jìn)階;教學(xué)設(shè)計;閉合電路歐姆定律

中圖分類號：G642.42? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1674-9324（2020）13-0171-03

一、引言

初中階段學(xué)生已對歐姆定律有了初步認(rèn)識，高中階段學(xué)生于此基礎(chǔ)上在“恒定電流”第三節(jié)繼續(xù)學(xué)習(xí)了歐姆定律。但教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)學(xué)生仍舊會知識混淆，如電源兩端電壓與電源電動勢就經(jīng)常認(rèn)為是一個物理量，對兩者之間的實質(zhì)沒有做具體劃分，導(dǎo)致學(xué)生難以理解，在閉合電路歐姆定律的習(xí)題中就會感到困難。學(xué)習(xí)進(jìn)階理論可幫助我們提供解決問題的思路，在“閉合電路歐姆定律”的教學(xué)設(shè)計中，以學(xué)習(xí)進(jìn)階理論為線索，按照說明指引尋找進(jìn)階目標(biāo)、進(jìn)階起點、進(jìn)階策略和途徑，進(jìn)階目標(biāo)從新課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)生對于物理學(xué)科知識汲取需求程度來設(shè)定，進(jìn)階起點從學(xué)生已有的知識水平和教師授課經(jīng)驗角度設(shè)計，進(jìn)階策略和途徑從學(xué)生的認(rèn)知與思維轉(zhuǎn)換能力和身心特征情況選取。最終，將線索聯(lián)系為清晰脈絡(luò)構(gòu)建完整課堂，以此來解決課堂效果達(dá)不到預(yù)期的問題。

二、學(xué)習(xí)進(jìn)階理論概述

美國國家研究理事會（NRC）將學(xué)習(xí)進(jìn)階定義為：“學(xué)習(xí)進(jìn)階是對學(xué)生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述，在一個適當(dāng)?shù)臅r間跨度下，學(xué)生學(xué)習(xí)和探究某一重要的知識或者實踐領(lǐng)域時，其思維方式逐漸進(jìn)階?！盵1]

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論常常描述學(xué)習(xí)者在習(xí)得某一模塊內(nèi)容時，需要分階段學(xué)習(xí)這一內(nèi)容，相鄰兩個階段之間存在物理邏輯關(guān)系，通過不斷深化對于前一階段內(nèi)容的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，促進(jìn)對核心概念的理解，后一階段對該概念的學(xué)習(xí)都是以拓展前一階段的內(nèi)容為線索，最終目的是促進(jìn)學(xué)科素養(yǎng)發(fā)展。學(xué)習(xí)進(jìn)階主要探究如何提供適合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的學(xué)習(xí)路線，這條學(xué)習(xí)路線是學(xué)生在學(xué)習(xí)某一模塊的核心概念時，思維所遵循心理與生理相互適應(yīng)的路線。如一些基本知識呈前進(jìn)式與螺旋式排列，通過內(nèi)在的邏輯關(guān)系隱形的線索，組成了一條簡潔路線。

三、基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的“閉合電路歐姆定律”教學(xué)設(shè)計

我國學(xué)者王較過等人認(rèn)為由于年齡和認(rèn)知能力發(fā)展水平的限制，中學(xué)生對核心概念的學(xué)習(xí)不可能一步到位，必須經(jīng)歷一個循序漸進(jìn)，逐步深化的過程。[2]高中階段學(xué)生已對歐姆定律形成一定的認(rèn)識水平，并且電路部分的學(xué)習(xí)是在之前內(nèi)容上的深度拓展。

（一）教材分析

本節(jié)課位于教材中的第二章第七節(jié)，而關(guān)于電源電動勢、歐姆定律以及焦耳定律等基本概念在前六節(jié)已一一呈現(xiàn)，從本節(jié)課開始綜合電學(xué)基本知識，以閉合電路歐姆定律為核心內(nèi)容進(jìn)行電學(xué)實際運用，所以這節(jié)課教師要引導(dǎo)學(xué)生從功能關(guān)系角度得出閉合電路歐姆定律，然后研究路端電壓與負(fù)載之間存在什么關(guān)系，從而為物理走向社會的核心理念儲備知識基礎(chǔ)。

（二）學(xué)情分析

高二學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，通過對“恒定電流”前三節(jié)的學(xué)習(xí)，掌握了部分電路歐姆定律、電源電動勢、內(nèi)阻等方面的知識?，F(xiàn)階段的學(xué)生已可以在教師輔助下，獨立進(jìn)行科學(xué)探究過程，且對頭腦中的事物認(rèn)知發(fā)展可進(jìn)行繁雜抽象活動。

（三）進(jìn)階目標(biāo)

學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課后需掌握閉合電路歐姆定律的推導(dǎo)過程，通過基本電學(xué)實驗深入理解路端電壓與負(fù)載的關(guān)系，并且在實驗基礎(chǔ)上，與數(shù)學(xué)相結(jié)合描繪出路端電壓與電流的U-I圖像，了解圖像的物理意義，在領(lǐng)會定律基礎(chǔ)上進(jìn)行靈活運用。

（四）進(jìn)階起點

從教材編排以及學(xué)習(xí)順序可知，學(xué)生在本章第二節(jié)已學(xué)習(xí)了電源電動勢的定義及其物理意義，給出一些基本電學(xué)元件，能夠?qū)⑵湟来芜B接，原理為部分電路歐姆定律。在此基礎(chǔ)上，利用功能關(guān)系推導(dǎo)出閉合電路歐姆定律。

（五）進(jìn)階層次劃分與主要教學(xué)活動設(shè)計

1.進(jìn)階第一層次：認(rèn)識閉合電路及電路中電勢變化情況

問題1：如圖1所示，請同學(xué)們概括出閉合電路的組成。

學(xué)生回答：導(dǎo)線、用電器、開關(guān)和電源。

教師給出內(nèi)外電路的定義：內(nèi)電路為電源內(nèi)部，包括電源內(nèi)阻;外電路為除了電源內(nèi)部的部分。

問題2：請同學(xué)們思考閉合回路的電流方向和電勢是如何變化的？

學(xué)生回答：在外電路中，電流方向由正極流向負(fù)極，在內(nèi)電路中，由負(fù)極流向正極。

關(guān)于電勢的變化：在外電路中，靜電力把正電荷從電勢高處移至電勢低處，沿電流方向來看，電勢在降低;在內(nèi)電路中，非靜電力把正電荷從電勢低處移至電勢高處，沿電流方向電勢“躍升”，如圖2所示。

設(shè)計思路：通過本部分內(nèi)容的討論分析，鞏固了要學(xué)習(xí)內(nèi)容的核心概念，認(rèn)識了解電路的組成部分，與之前學(xué)習(xí)的電路相比，發(fā)現(xiàn)對于電路的理解更加的深入，對于接下來的邏輯推理起到層層遞進(jìn)的作用。從學(xué)生已掌握的知識出發(fā)，是教師在教學(xué)時常選擇的課堂引入途徑，符合學(xué)生現(xiàn)階段的邏輯思維推導(dǎo)過程。

2.進(jìn)階第二層次：討論思考閉合電路中的能量轉(zhuǎn)化

問題3：如圖2所示，同學(xué)們思考討論以下問題：

當(dāng)電路為通路時，若外電路為純電阻電路，電阻為R，求在時間t內(nèi)外電路中有多少電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能？若考慮內(nèi)電路有電阻為r，求有多少電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能？

求電源在通路時，電源內(nèi)部非靜電力做了多少功？以上各能量之間有什么關(guān)系？

學(xué)生可得出結(jié)果為：純電阻電路中，外電路中電能全部用于轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，所以Q1=I2Rt;內(nèi)電路中的電能也全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，所以Q1=I2rt;非靜電力所做功為W=Eq=EIt;根據(jù)能量守恒定律，W=Q1+Q1，即：EIt=I2Rt +I2rt，E=IR+Ir

設(shè)計思路：將電路分段研究能量變化情況，從功能關(guān)系探究電路中的能量變化關(guān)系，可以更宏觀地認(rèn)識能量守恒在電學(xué)中的適用程度。對于電學(xué)部分課堂呈現(xiàn)，可以避免教師獨自一人公式推導(dǎo)，在條件允許時，主張?zhí)岣邔W(xué)生課堂參與度。

3.進(jìn)階第三層次：歸納總結(jié)閉合電路歐姆定律

在一系列的物理知識理論鋪墊下，討論總結(jié)出公式：E=IR+Ir，推導(dǎo)出I=，總結(jié)出閉合電路歐姆定律的內(nèi)容為：閉合電路中的電流跟電源的電動勢成正比，跟內(nèi)、外電路的電阻之和成反比。I=為表達(dá)式，常用表達(dá)式有：E=I（R+r）;E=U1+U1;U1=E-Ir。I= 或E=I（R+r）只適用于外電路為純電阻的閉合電路，E=U1+U1;U1=E-Ir適用于所有的閉合電路。

設(shè)計思路：通過第一、第二層次的階段學(xué)習(xí)，推導(dǎo)出閉合電路歐姆定律。在這一過程中，教師要將知識網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建出清晰的學(xué)習(xí)路徑，最終統(tǒng)籌形成科學(xué)思維，物理觀念也基本形成，為下一階段的學(xué)習(xí)奠基堅實的基礎(chǔ)。

4.進(jìn)階第四層次：探究路端電壓與負(fù)載的關(guān)系

教師先引入外電路兩端的電壓叫路端電壓，也是外電壓。

問題4：若已知電路中E、r均為定值，探究當(dāng)外電阻R變化時，電路中的電流I如何變化？

學(xué)生可根據(jù)上一層次推導(dǎo)出的公式回答：據(jù)I= 可知，R增大時I減小;R減小時I增大。

問題5：若外電阻R減小，路端電壓U1如何變化？

這部分內(nèi)容主要通過實驗操作來探究。演示實驗：學(xué)生小組根據(jù)圖6連接電路圖。連接好電路后，要求同學(xué)改變外電阻的大小，使電阻逐漸減小，至少進(jìn)行五次實驗數(shù)據(jù)的改變。每一小組之間盡量使電阻減小的不同，最后得出的結(jié)論越有說服性。

數(shù)據(jù)整理后，分析實驗數(shù)據(jù)，互相交流，得出結(jié)論。結(jié)論為：當(dāng)外電阻減小時，電流增大，路端電壓減小。再嘗試用閉合電路歐姆定律解釋：由I=可知，E=I（R+r），U1=E-Ir。

接下來討論兩種特殊情況，當(dāng)外電路斷開時，I為0，此時U1=E，當(dāng)電源兩端短路時，外電阻R=0，短路電流I=。

問題6：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，以路端電壓U為縱坐標(biāo)，電流I為橫坐標(biāo)，作出U與I的圖像分析。對數(shù)據(jù)進(jìn)行描點作圖，得出的圖像如圖4所示，趨近于一條直線，需分析的內(nèi)容如下：（1）圖像與縱軸的交點有什么物理意義？

（2）圖像與橫軸的交點有什么物理意義？

（3）圖像的斜率有什么物理意義？

通過討論交流得出結(jié)論：（1）圖像與縱軸的交點為I=0時的情況，此時外電路處于斷開的狀態(tài)，路端電壓為U-I圖像的縱軸截距，此時U1=E。可根據(jù)這個道理測量電源的電動勢。

（2）圖像與橫軸的交點為外電阻R=0時的情況，此時電源兩端短路，電流為短路電流I1，短路電流對應(yīng)U-I圖像的橫軸截距。

（3）斜率為內(nèi)阻r=，此處的圖像分析要與問題5中討論分析得出的結(jié)論一一對應(yīng)。

設(shè)計思路：通過演示實驗探究路端電壓與負(fù)載的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，第四層次的學(xué)習(xí)探究是本節(jié)課的拓展，是接下來的實際應(yīng)用的知識基礎(chǔ)。

5.進(jìn)階第五層次：應(yīng)用閉合電路歐姆定律解決實際問題

問題7：如圖5所示是某電源的外特性曲線，則下列結(jié)論正確的是（? ?）

A.電源電動勢為6.0v? B.電源的內(nèi)阻為12？贅

C.電流為0.5A時的外電阻是0

D.電源的電壓為5.2v時電流為0.5A

A.電源電動勢的大小為U-I圖像與縱軸的交點? 正確

B.U-I圖像的斜率K=r==1.6?錯誤

C.從圖像可以看出，當(dāng)電流為0.5A時，路端電壓為5.2V，則由歐姆定律可知R==10.4？贅 錯誤

D.由圖像可得出橫坐標(biāo)為0.5A，縱坐標(biāo)為5.2v正確

設(shè)計思路：在進(jìn)階第一、第二、第三、第四層次的基礎(chǔ)上，學(xué)生在已掌握閉合電路歐姆定律的基礎(chǔ)上，使用已學(xué)習(xí)的路端電壓與負(fù)載關(guān)系知識點，實驗得出U-I圖像的過程，正是可提供一種解題思路，這說明實驗對于物理課堂的重要性，每一個教學(xué)活動的設(shè)計都是有依據(jù)的。

四、結(jié)語

在學(xué)習(xí)進(jìn)階理論指引下，將“閉合電路歐姆定律”的教學(xué)過程劃分為五個進(jìn)階層次，每一階段的學(xué)習(xí)目標(biāo)更加明確，開拓了學(xué)生的科學(xué)思維。在對一節(jié)物理課進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時，若是教師使用學(xué)習(xí)進(jìn)階理論設(shè)計教學(xué)，不但學(xué)生對于知識的整體性會有更加清晰的認(rèn)識，而且?guī)椭處煾咝湔n，為整節(jié)課的流暢程度提供了保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭玉英;姚建欣.基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計[J].課程.教材.教法，2016，（36），66-72.

[2]王較過，趙萍萍.概念圖在中學(xué)物理核心概念學(xué)習(xí)進(jìn)階中的應(yīng)用[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015，44（21）：2-6.

Teaching Design Based on Learning Advanced Theory

——"The Law of Closed Circuit Ohm"

LV Wei， WANG Shi-jia， LIU Li-hua

（College of physics， Jilin Normal University， Siping， Jilin 136000， China）

Abstract： "Closed circuit Ohm's law" as the "constant current" chapter teaching difficulties， but also the core content of the whole current and circuit board block. In teaching practice， students often can not grasp the application of the law， the classroom effect can not achieve the expected results， learning advanced theory can help solve this problem， make the classroom design clear and concise， for teachers to provide an efficient path to prepare lessons.

Key words：learning advanced ; teaching design ; closed circuit Ohm's Law