滲透技術(shù)教育的高中物理綜合實(shí)踐活動(dòng)開(kāi)發(fā)

郭本剛

摘? ?要：文章首先對(duì)比分析了人民教育出版社2019年和2010年出版的普通高中物理教科書(shū)中“多用電表”章節(jié)編排的變化，然后將新版教材中“拓展學(xué)習(xí)——?dú)W姆表的原理”這一節(jié)開(kāi)發(fā)成技術(shù)改裝與理論分析相結(jié)合的綜合實(shí)踐活動(dòng)，并以此為例闡述了如何在高中物理教學(xué)中滲透技術(shù)教育，從而實(shí)現(xiàn)初高中物理教學(xué)在學(xué)科核心素養(yǎng)提升上的銜接。

關(guān)鍵詞：歐姆表的原理;綜合實(shí)踐活動(dòng);技術(shù)教育

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）2-0069-4

2019年人教版普通高中物理教科書(shū)合理確定了內(nèi)容的難度和廣度，體現(xiàn)了學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展水平的層次性和成長(zhǎng)性，在注重基礎(chǔ)的同時(shí)兼顧差異，為滿足不同水平學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，設(shè)置了“拓展學(xué)習(xí)”版塊供學(xué)有余力的學(xué)生選學(xué)[1]?！皻W姆表的原理”安排在必修三第12章第2節(jié)“閉合電路的歐姆定律”后的“拓展學(xué)習(xí)”部分，而“實(shí)驗(yàn)：練習(xí)使用多用電表”則安排在前一章第5節(jié)。而2010年人教版普通高中物理選修3-1中，“多用電表的原理”則安排在第2章第8節(jié)，即在“實(shí)驗(yàn)：練習(xí)使用多用電表”之前，“閉合電路的歐姆定律”之后。由此可以看出，新、舊版教材對(duì)“多用電表”章節(jié)的編排有以下四點(diǎn)變化：（1）新版教材中儀器原理的分析從原來(lái)編排在儀器使用之前改到儀器使用之后;（2）新版教材只介紹歐姆表的原理而不再介紹多用電表的原理;（3）新版教材中儀器原理介紹放在了章節(jié)知識(shí)后的“拓展學(xué)習(xí)”版塊，而不再單獨(dú)設(shè)置為一節(jié);（4）新版教材將“多用電表的使用”提前到 “閉合電路的歐姆定律”之前。上述編排變化顯示出新版教材對(duì)多用電表原理重視程度的降低，這更符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的發(fā)展水平，也給教師在教學(xué)過(guò)程中更多的選擇和空間。筆者根據(jù)本班學(xué)生的實(shí)際情況，對(duì)新版教材進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，將“歐姆表的原理”改造成先了解原理，然后改裝，最后再理論總結(jié)的綜合實(shí)踐活動(dòng)，并在此過(guò)程中滲透技術(shù)教育。

1? ? 新版教材中“多用電表”編排順序變化的深層次分析

舊版教材中“多用電表的原理”為一個(gè)單獨(dú)的章節(jié)，教學(xué)過(guò)程中常存在以下問(wèn)題：（1）知識(shí)難度大，課堂教學(xué)容量也大，超過(guò)了大部分學(xué)生的實(shí)際接受能力。這一節(jié)課既要在探究歐姆表原理的過(guò)程中強(qiáng)化閉合電路歐姆定律的應(yīng)用，又要讓學(xué)生掌握電流的方向、歐姆擋調(diào)零的目的、刻度的特點(diǎn)和換擋原理等知識(shí)，還要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)多用電表的外表，并了解多用電表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。教學(xué)內(nèi)容實(shí)在太多，大部分學(xué)生很難在一節(jié)課里全部理解和掌握以上教學(xué)內(nèi)容，更無(wú)從談及學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。教學(xué)實(shí)踐表明，在一節(jié)課里能夠讓學(xué)生理解歐姆表的原理并掌握測(cè)電阻的主要步驟，就已經(jīng)算是比較成功的一堂課了。（2）教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)組織的難度較大，很難兼顧實(shí)踐操作和理論分析。綜合各期刊發(fā)表的關(guān)于這節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)的相關(guān)文章可以發(fā)現(xiàn)，這節(jié)課的教學(xué)環(huán)節(jié)主要包括歐姆表原理的課題引入、理論設(shè)計(jì)、改裝實(shí)踐（標(biāo)定刻度）和總結(jié)歸納，然后在此基礎(chǔ)上升級(jí)到多用電表的設(shè)計(jì)。部分教師還引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了多倍率歐姆表的設(shè)計(jì)和改裝。但同時(shí)，教師們也反饋了教學(xué)過(guò)程中存在的一系列問(wèn)題：如理論分析難度較大（特別是調(diào)零的必要性和換擋的原理）;理論標(biāo)定刻度與實(shí)驗(yàn)定標(biāo)間存在較大誤差;實(shí)驗(yàn)定標(biāo)較困難（電阻箱阻值不準(zhǔn)確，需精確測(cè)定）;隨堂實(shí)驗(yàn)耗時(shí)太長(zhǎng)，課堂中無(wú)法讓學(xué)生展示成果、相互進(jìn)行交流評(píng)價(jià)等問(wèn)題。（3）在學(xué)生沒(méi)有實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)的情況下過(guò)早引入多用電表的原理，不符合一般認(rèn)知規(guī)律。人們對(duì)新鮮事物的認(rèn)知總是從直觀感受開(kāi)始，對(duì)多用電表的認(rèn)知也類似。然而，舊版教材在學(xué)生沒(méi)有接觸和使用多用電表的情況下先引入儀器原理的探究，讓學(xué)生直接從原理上建構(gòu)多用電表的概念，學(xué)生接受的難度較大。

新版教材將多用電表歐姆擋的原理放在了“閉合電路的歐姆定律”章節(jié)后的“拓展學(xué)習(xí)”版塊，這樣的編排就有效避免了舊版教材中“多用電表的原理”這一章節(jié)教學(xué)過(guò)程中遇到的以上問(wèn)題。新版教材讓學(xué)生在已有使用多用電表的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，帶著在使用歐姆表測(cè)電阻的過(guò)程中產(chǎn)生的若干疑問(wèn)，集中針對(duì)歐姆表的原理進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究，而不貪求學(xué)生掌握完整的多用電表原理，是有的放矢和切合教學(xué)實(shí)際的編排。這樣的教學(xué)編排在加深學(xué)生理解閉合電路歐姆定律的同時(shí)，讓學(xué)生先直觀感受再抽象學(xué)習(xí)，先操作儀器再學(xué)習(xí)原理，更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。這樣的教學(xué)編排，使得學(xué)生的探究行為成為直觀感受和親身體驗(yàn)后自發(fā)的學(xué)習(xí)需求，學(xué)生的積極性和主動(dòng)性得到充分的調(diào)動(dòng)，從而更好地實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用閉合電路歐姆定律分析實(shí)際問(wèn)題的教學(xué)目標(biāo)。另一方面，學(xué)生進(jìn)行探究學(xué)習(xí)的教學(xué)容量也符合高中生的實(shí)際接受能力，課堂教學(xué)更具張力，師生互動(dòng)更加從容，而不再是節(jié)奏緊張的快餐式課堂。

2? ? 高中物理綜合實(shí)踐活動(dòng)開(kāi)發(fā)的必要性

劉炳昇教授指出：“從現(xiàn)實(shí)意義來(lái)看，為了拓寬物理課程的視野、發(fā)展學(xué)生的個(gè)性特長(zhǎng)和優(yōu)化物理課程的探究性學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，有必要在教材中設(shè)置物理綜合實(shí)踐活動(dòng)，為學(xué)生提供更加開(kāi)放的學(xué)習(xí)平臺(tái)?！盵2]劉教授還指出：“對(duì)技術(shù)的興趣、評(píng)價(jià)，一般的技術(shù)設(shè)計(jì)方法和解決技術(shù)問(wèn)題的思維和行動(dòng)方式等，都是技術(shù)素養(yǎng)的組成部分?，F(xiàn)代社會(huì)的公民應(yīng)當(dāng)具有一定的技術(shù)素養(yǎng)，技術(shù)教育應(yīng)當(dāng)滲透在科學(xué)課程中，因此應(yīng)當(dāng)關(guān)注物理課程中的技術(shù)教育問(wèn)題。”[3]蘇科版初中物理教材設(shè)置了九個(gè)以“綜合實(shí)踐活動(dòng)”為載體的技術(shù)教育課，為學(xué)生創(chuàng)造了在動(dòng)手實(shí)踐過(guò)程中更新觀念、提升思維的機(jī)會(huì)，有助于提升學(xué)生科學(xué)探究的意識(shí)與能力，有利于學(xué)生建立“理論與實(shí)踐相結(jié)合”和“實(shí)事求是”的科學(xué)態(tài)度，可以說(shuō)是全方面綜合發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

然而，在高中物理教學(xué)中涉及的技術(shù)教育卻相對(duì)顯得較少?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》[4]指出“高中物理課程是普通高中自然科學(xué)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)課程，旨在落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)，進(jìn)一步提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)……高中物理課程在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上，幫助學(xué)生從物理學(xué)的視角認(rèn)識(shí)自然，理解自然……”所以，有必要將初中物理“綜合實(shí)踐活動(dòng)”的課型延續(xù)到高中物理教學(xué)中，讓初、高中物理教學(xué)在方式方法上實(shí)現(xiàn)更好的銜接，以求更好地延續(xù)和發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

為了更好地體現(xiàn)技術(shù)教育的重要性和教材編者的初衷，筆者將“拓展學(xué)習(xí)——?dú)W姆表的原理”改造成“設(shè)計(jì)和改裝歐姆表”的綜合實(shí)踐活動(dòng)。蘇霍姆林斯基說(shuō)：“在人的心靈深處，都有一種根深蒂固的需要，這就是希望自己是一個(gè)探究者、發(fā)現(xiàn)者、研究者，而在兒童的精神世界中，這種需要特別強(qiáng)烈?！钡?，這種探究、發(fā)現(xiàn)和研究要有充分的理論準(zhǔn)備，要有比較明確的目標(biāo)，要有計(jì)劃性，要有反思和總結(jié)。

3? ? 綜合實(shí)踐活動(dòng)“設(shè)計(jì)和改裝單倍率歐姆表”的開(kāi)發(fā)過(guò)程

3.1? ? 技術(shù)設(shè)計(jì)的問(wèn)題清單

學(xué)生通過(guò)練習(xí)使用多用電表，已經(jīng)知道了利用歐姆擋測(cè)電阻的基本步驟：選擋—（歐姆）調(diào)零—測(cè)量。另一方面，學(xué)生已學(xué)會(huì)將小量程的電流表（表頭）改裝成安培表和伏特表，現(xiàn)在又有了閉合電路歐姆定律的知識(shí)儲(chǔ)備。所以，將表頭改裝成歐姆表已經(jīng)具有了直觀目標(biāo)、參考經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)三方面條件。改裝的目標(biāo)是讓電流表的電流值與歐姆表的電阻值一一對(duì)應(yīng)，然后將電流表表盤刻度轉(zhuǎn)換成電阻刻度，從而可以直接快速地讀出待測(cè)電阻值。筆者設(shè)計(jì)了歐姆表測(cè)電阻過(guò)程中遇到的問(wèn)題與解答表（見(jiàn)表1），旨在讓學(xué)生在反思問(wèn)題的意識(shí)驅(qū)動(dòng)下，在技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中整合相關(guān)物理知識(shí)。

3.2? ? 技術(shù)設(shè)計(jì)的可行性（理論設(shè)計(jì)）

引導(dǎo)學(xué)生閱讀“拓展學(xué)習(xí)”相關(guān)內(nèi)容，理解并掌握歐姆表基本原理和標(biāo)定刻度的方法。如圖1所示，歐姆表測(cè)電阻的基本原理如下：選擇合適的歐姆擋后需先進(jìn)行歐姆調(diào)零，此時(shí)有Ig=■=■，即R■=■，其中Rg為電流表的電阻，R1為滑動(dòng)變阻器的電阻，r為電源內(nèi)阻。測(cè)量時(shí)，有I=■，所以R=■-R■。

可見(jiàn)：R改變，I隨著改變，R與I一一對(duì)應(yīng)，如果借助阻值已知的電阻在刻度盤上標(biāo)出與電流值對(duì)應(yīng)的電阻值，以后就能直接讀出電阻阻值了。接下來(lái)，將學(xué)生分成若干個(gè)小組，制定活動(dòng)的具體目標(biāo)和方案，并列出所需器材規(guī)格和用途（可先列出清單，供學(xué)生選擇），見(jiàn)表2。

3.3? ? 綜合實(shí)踐活動(dòng)的過(guò)程記錄

首先，學(xué)生在教師啟發(fā)下自主反思提出并回答下列問(wèn)題，理解歐姆表零刻度位置為何在滿偏電流處，以及電流零刻度對(duì)應(yīng)電阻值為何是無(wú)窮大。

問(wèn)題1：歐姆表的零刻度標(biāo)在哪個(gè)位置？為什么這樣標(biāo)？

問(wèn)題2：將兩表筆短接，發(fā)現(xiàn)指針并未指在滿偏電流處，為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？怎么辦？

問(wèn)題3：歐姆表測(cè)電阻時(shí)，為什么需要?dú)W姆調(diào)零這一步驟？

問(wèn)題4：當(dāng)I= 0時(shí)，對(duì)應(yīng)的外接電阻值多大？

教師總結(jié)：以表頭電流滿偏處作為歐姆表的零刻度線，從右向左標(biāo)上刻度，可以充分利用原有刻度線，看上去比較美觀，且符合閱讀習(xí)慣。兩表筆短接時(shí)指針未指到滿偏電流處，是因?yàn)闅W姆表內(nèi)阻偏小或者偏大，需要調(diào)節(jié)其內(nèi)阻中的R1。只有在確定內(nèi)阻的情況下，才能準(zhǔn)確計(jì)算外接電阻值。電流為零意味著電阻無(wú)窮大，即紅、黑表筆斷開(kāi)。

接下來(lái)，讓學(xué)生連接電路，并完成表盤刻度的理論計(jì)算和技術(shù)轉(zhuǎn)換。

自主活動(dòng)1（理論計(jì)算）：根據(jù)器材規(guī)格計(jì)算出歐姆表的內(nèi)阻，然后求出各預(yù)設(shè)電流值對(duì)應(yīng)的外接電阻理論值，填寫完成表3的第1和第2行。

自主活動(dòng)2（技術(shù)改裝）：讓學(xué)生先填寫完成第1列和最后1列，并思考：若兩表筆斷開(kāi)時(shí)指針不指在電流零刻度處，怎么辦？——機(jī)械調(diào)零;若兩表筆短接時(shí)指針不指在滿偏電流處，怎么辦？——?dú)W姆調(diào)零。由于電流表刻度并不是嚴(yán)格均勻準(zhǔn)確，存在一定的誤差，所以有必要以電阻箱作為待測(cè)電阻，用實(shí)際測(cè)量的方法先得到各預(yù)設(shè)電流值所對(duì)應(yīng)的外接電阻實(shí)驗(yàn)值，然后在刻度盤上完成從電流值到電阻值的數(shù)值轉(zhuǎn)換。此處需要提醒學(xué)生，電阻箱的阻值也不一定準(zhǔn)確，需

要利用電流、電壓傳感器或者其他精密儀器精確確定。

自主活動(dòng)3（交流評(píng)價(jià)）：各組同學(xué)對(duì)比理論值和實(shí)驗(yàn)值后交流討論，并互測(cè)互試（用其他小組制作的歐姆表測(cè)量阻值已知的電阻），檢驗(yàn)他組改裝的歐姆表，并作出評(píng)價(jià)。交流評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)讓學(xué)生體驗(yàn)到了改裝成功的喜悅，很好地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

3.4? ? 技術(shù)設(shè)計(jì)的理論總結(jié)和觀念升華

至此，學(xué)生已初步理解和掌握了歐姆表的原理，從而有了進(jìn)一步深入探討的可能，如歐姆表的刻度特點(diǎn)、換擋的原理等。接下來(lái)，可趁熱打鐵引導(dǎo)學(xué)生自主探究下列幾個(gè)問(wèn)題，幫助學(xué)生進(jìn)一步提升物理觀念，發(fā)展物理思維。

問(wèn)題1：歐姆表的中值電阻阻值有何物理意義？

問(wèn)題2：歐姆表刻度為何越往左越密？

問(wèn)題3：歐姆表測(cè)電阻時(shí)，指針指在哪個(gè)區(qū)域讀數(shù)比較精確？

問(wèn)題4：既然歐姆表的量程是無(wú)窮大，為何還要設(shè)置四個(gè)擋位呢？

問(wèn)題5：為何每次換擋后必須要重新歐姆調(diào)零后才能進(jìn)行測(cè)量？

問(wèn)題6：換擋是在調(diào)節(jié)歐姆表的內(nèi)阻嗎？如果不是，那調(diào)節(jié)的是什么？

最后，教師進(jìn)行總結(jié)：

電流值為滿偏電流一半時(shí)，整個(gè)回路的總電阻是歐姆調(diào)零時(shí)的兩倍，外電阻等于歐姆表內(nèi)阻。電阻值隨著電流值的減小增加得越來(lái)越快，趨向于無(wú)窮大，滿偏電流的1/2、1/4、1/8…對(duì)應(yīng)的電阻分別是R■、3R■、7R■…指針指在中值電阻附近，指針偏轉(zhuǎn)與待測(cè)電阻的關(guān)系更接近線性，刻度更均勻，讀數(shù)更加準(zhǔn)確[5]。不同擋位對(duì)應(yīng)的中值電阻不一樣，適合測(cè)量的電阻范圍不一樣。不同擋位對(duì)應(yīng)的內(nèi)阻不同，所以需要調(diào)整歐姆表內(nèi)阻，即歐姆調(diào)零。歐姆表內(nèi)阻是由電源電動(dòng)勢(shì)和表頭的滿偏電流共同決定的，換擋改變的是兩者中的一個(gè)，從而導(dǎo)致接下來(lái)也必須調(diào)整歐姆表內(nèi)阻。而從技術(shù)層面看，換擋時(shí)調(diào)整表頭更加簡(jiǎn)便可行。

4? ? 結(jié)? 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比理論定標(biāo)和實(shí)驗(yàn)定標(biāo)的結(jié)果，學(xué)生體會(huì)到利用技術(shù)手段標(biāo)定刻度的必要性和現(xiàn)實(shí)意義，這有助于改變學(xué)生重科學(xué)輕技術(shù)、重理論輕實(shí)踐的觀念。除此之外，還可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)多倍率歐姆表或者研究實(shí)際多用電表的電路圖，以檢驗(yàn)理論探討的技術(shù)可行性。這種“直觀印象—原理了解—技術(shù)設(shè)計(jì)—理論探究—觀念升華”的教學(xué)過(guò)程，突出了“技術(shù)教育”在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中承上啟下的重要作用。技術(shù)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)在加深理解測(cè)量步驟和基本原理的同時(shí)，也為理論探討操作的深層次原因作了鋪墊。高中物理教材中有不少可改造成“綜合實(shí)踐活動(dòng)”的素材，可以讓學(xué)生體會(huì)實(shí)際生產(chǎn)生活中從技術(shù)層面解決問(wèn)題的手段，如將表頭改造成安培表和伏特表，就可以讓學(xué)生先直接利用校對(duì)手段完成改裝，然后再測(cè)量，計(jì)算，最后進(jìn)行理論檢驗(yàn)，處理誤差時(shí)應(yīng)以技術(shù)手段得到的結(jié)果為準(zhǔn)。

這樣的教學(xué)過(guò)程，打破了“先理論后實(shí)踐”的傳統(tǒng)觀念，更好地融合了科學(xué)教育和技術(shù)教育，

做到了知識(shí)建構(gòu)與能力提升的同步。教學(xué)進(jìn)程的規(guī)劃組織是在潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生重視技術(shù)手段的意識(shí)，提升學(xué)生應(yīng)用技術(shù)手段的能力，從而達(dá)成課程實(shí)施過(guò)程中育人的目標(biāo)，必將有助于學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)這棵小苗在初中物理學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上吸收養(yǎng)分而茁壯成長(zhǎng)。技術(shù)教育的過(guò)程伴隨著勞動(dòng)教育，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)勞動(dòng)實(shí)現(xiàn)制造、創(chuàng)造、甚至創(chuàng)新，通過(guò)有教育意義的勞動(dòng)實(shí)踐去檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果，得到實(shí)踐鍛煉，是培養(yǎng)學(xué)生“辛勤勞動(dòng)、誠(chéng)實(shí)勞動(dòng)、創(chuàng)造性勞動(dòng)”的重要途徑[6]。綜上所述，在高中物理教學(xué)實(shí)施過(guò)程中通過(guò)綜合實(shí)踐活動(dòng)滲透技術(shù)教育是非常有意義的，同時(shí)也是可行的。

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（欄目編輯? ? 邱曉燕）