電壓是初中物理電學部分重要的基本概念,是學習電學規(guī)律的基礎。跟電流相比,電壓的概念要更加抽象,學生常常認識不到兩點之間才有電壓,所以在使用電壓表時會把電壓表串聯(lián)到電路中。在探究串并聯(lián)電路電壓特點時,學生不知道要探究哪部分電壓的關系;在表達的時候,不理解為什么要說明是兩點間的電壓。這是因為電壓是看不見也摸不著的,學生的思維缺少具體事物的支持,并且在以往的學習中難以找到相似的經(jīng)驗。蘇科版教材的處理方法是,把電壓和水壓進行類比,這種方法的優(yōu)點是能夠讓學生認識到電壓是形成電流的原因,但是學生會把電壓誤認為是一種力,同時也難以認識到電壓是“相對”意義上的量。筆者通過身邊的物品如電蚊拍等,依托問題情境,在原有的類比活動的基礎上增加了電蚊拍相關的活動,取得了較好的教學效果。
傳統(tǒng)教學觀念認為,概括化的知識是學習的核心內容,這些知識可以從具體情境中抽象出來,讓學生脫離具體物理情境和社會實踐情境進行學習,且所習得的概括化知識可以自然地遷移到各種具體情境中。但實際上,學生常常難以靈活應用從書本上獲得的知識,難以有效地參與社會實踐活動。建構主義提出,知識存在于具體的、情境性的、可感知的活動中,它不是一套獨立于情境的知識符號(即名詞術語),不可能脫離活動情境而抽象地存在,它只有通過實際情境中的應用活動才能真正被人理解。
本文以筆者執(zhí)教的一節(jié)公開課“電壓和電壓表的使用”為例,淺談初中物理概念教學設計的三個方面。
問題情境是指蘊含問題的情境,主要包括真實情境、實驗情境、活動情境,其具有指向性、情境性、聯(lián)系性、交互性、預設與生成性等特點。問題情境中的“問題”,旨在引起學生的認識沖突,讓學生的已有知識結構不能解決這個問題,從而產(chǎn)生消除這種“沖突”和“不平衡”的愿望;問題情境中的“情境”,旨在讓“問題”具體化,并具有一定的復雜性和真實性。課堂教學的設計體現(xiàn)在真實的問題情境的創(chuàng)設中,如果能創(chuàng)設可以引發(fā)認知沖突的問題情境,可以幫助學生深化認識。
(一)通過真實情境引入電壓,激發(fā)興趣
時值初秋,蚊子依然猖獗,筆者設計了電蚊拍打蚊子的情景,教師首先播放蚊子煩人的叫聲,并展示電蚊拍,將螺絲刀伸進電蚊拍的電網(wǎng)中,制造“啪啪”的電擊聲,讓學生了解到被電蚊拍掃到的蚊蟲幾乎沒有生還的可能,感受電蚊拍的“巨大威力”,而且和要學習的電壓有關,學生的學習興趣即刻被激活。
(二)通過實驗情境體驗水壓,類比電壓
介紹水流裝置,通過類比,讓學生知道要想形成水流,就需要在左右液面形成水壓差(如圖1),要想形成電流,電路中也要有電壓(如圖2)。要形成持續(xù)的水壓需要水泵,要形成持續(xù)電壓可以使用干電池。
(三)通過活動情境研究電蚊拍,感受電勢之差
在了解了電壓的常用單位之后,介紹身邊的一些常見的電壓,補充小知識:當電壓達到3000V,可以擊穿1mm的空氣。教師演示尖端放電現(xiàn)象(如圖3),聽到實驗中的電擊聲想到了電蚊拍工作的聲音。此時教師介紹電蚊拍的結構:電蚊拍有三層電網(wǎng),兩側的外網(wǎng)是負極,中間的內網(wǎng)是正極(如圖4)。內網(wǎng)和外網(wǎng)之間的電壓約3000 V。
思考1:電蚊拍是怎樣工作的?當蚊蟲進入到內網(wǎng)和外網(wǎng)之間,哪怕是沒有接觸到電網(wǎng),因為電壓足夠大,也能擊穿空氣把蚊蟲擊斃。
思考2:電蚊拍的電壓很高,用手輕輕觸碰電蚊拍的外網(wǎng),會不會被電到?
教師現(xiàn)場演示,發(fā)現(xiàn)不會被電到。教師介紹,外網(wǎng)和人手之間的電壓為0,所以人不會被電到;但是外網(wǎng)和內網(wǎng)之間的電壓為3000 V ,所以蚊蟲會被電擊。
思考3:我們在表達電壓大小的時候,能不能說外網(wǎng)的電壓是3000 V?
學生了解到,必須要說某兩點間的電壓是3000 V。進一步介紹我國的1000 kV以上的輸電電壓,學生意識到生活中遇到高壓物體應當遠離,否則就有被電擊的危險。
設計意圖:此問題情境通過了解電蚊拍的結構和使用,讓學生感受到電壓和其他物理量的不同,電蚊拍的外網(wǎng)相對于人手電壓為0,相對于內網(wǎng)電壓為3 000 V,使學生認識到電壓是一個“相對”意義上的量。同時,通過特高壓輸電線的介紹,學生認識到應該遠離高壓物體,這也為后續(xù)安全用電的學習做了鋪墊。
學習遷移能力是培養(yǎng)學生終身學習理念的根本。早在1972年,聯(lián)合國教科文組織就指出,教育過程必須把重點放在教育與學習過程的“自學”原則。有意義的自學是學習遷移能力的目標指向——讓學生學會學習,在從學校教育走向社會時,能在新情境中通過有意義的“自學”去解決遇到的現(xiàn)實問題,秉持終身學習的理念,滿足終身發(fā)展的需求。
(一)對比電流表,學習電壓表的使用
學生在學習“電壓和電壓表的使用”這一節(jié)的知識之前,學生已經(jīng)學習了“電流和電流表的使用”,這兩節(jié)課從結構上到內容、實驗探究上都有很多共通之處。筆者通過對兩部分內容進行對比的方式,引導學生閱讀課本自學,培養(yǎng)學生遷移能力。筆者設計了如下幾個問題。思考1:對比電流表,你認為電壓表的外觀有何不同之處?思考2:電壓表和電流表在使用上有什么相同與不同?學生閱讀課本,進行自學,并進行總結(如表1)。再讓學生分別測量一節(jié)干電池的電壓和多節(jié)干電池串聯(lián)而成的電池組的電壓,了解電壓的特點和實際應用。
(二)對比探究電流特點,學習怎樣探究電壓特點
建構主義強調,學生并不是空著腦袋走進教室的。在以往的學習中,學生已經(jīng)形成了豐富的經(jīng)驗。當問題呈現(xiàn)在面前時,他們往往也可以基于相關的經(jīng)驗,依靠個人認知能力,形成對問題的某種解釋。在教學中不能無視這些經(jīng)驗,而是要把學生現(xiàn)有的知識經(jīng)驗作為新知識的生長點,引導學生從原有的知識經(jīng)驗中“生長”出新的知識經(jīng)驗。正所謂“教學不是知識的傳遞,而是知識的處理和轉換”。
對于串聯(lián)、并聯(lián)電路的電流特點學生在腦海里早就有自己的認識,筆者設計了如下幾個問題:
思考1:你認為應該測量哪些部分的電壓?思考2:為了使結論更具有普遍性,你打算怎么做?
在上課前已經(jīng)為大家隨機準備了不同規(guī)格的小燈泡,每個小組測量1組數(shù)據(jù),全班進行匯總,要做到多次測量。經(jīng)過課堂討論之后,學生利用準備好的器材進行實驗。
科學思維層面的質疑,是指學生能夠根據(jù)所學對疑難問題或對某一既定結論重新思考,并開展科學推理和論證,最終形成新觀點的一種思維方式。在教學中學生能夠基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結論進行質疑和批判,并進行推理、檢驗和修正,從而形成自己新觀點的能力稱為質疑能力。在探究串聯(lián)、并聯(lián)電路電壓特點實驗中,因為干電池有內阻,所以在接入電路后實測的電路兩端的總電壓會減小,然而學生不知道這一點,經(jīng)常會產(chǎn)生一些疑慮。部分教師往往模糊化處理,或直接告訴學生測量總電壓時要閉合開關。學生心里總有一個結無法解開,或直接把原因歸結為電壓表的測量誤差。筆者的處理方式是:鼓勵學生質疑,展示現(xiàn)象,并且討論可能的原因。雖然不能解釋清楚本質原因,但是對于初中生而言,這么做的目的是培養(yǎng)學生的質疑精神和實事求是的科學態(tài)度,并且為后續(xù)的學習做鋪墊。
在實驗過程中,有細心的學生發(fā)現(xiàn)了問題:當開關斷開時,測量電源電壓是3 V,但是開關閉合之后,電源電壓變成了2.5 V,不解地問:難道電源電壓被偷走了0.5 V嗎?應該以哪個電壓值為準呢?教師引導學生思考:會不會是因為測量的誤差導致的呢?學生:在測量電池、電池組的電壓時,測量結果也是3 V。電壓減小的現(xiàn)象只是在把干電池接入電路中才出現(xiàn),所以應該不是測量的誤差。此時向學生說明:電源內部也是有電阻的,在閉合開關之后,它會把大部分電壓提供給電路,還有一部分電壓留給自己,要等到高中我們再繼續(xù)了解。但是我們在測量電路兩端電壓時,一定要閉合開關進行測量。最后教師組織全班數(shù)據(jù)匯總,并得出串聯(lián)、并聯(lián)電路的電壓特點。
學生的思維活動真正地發(fā)生,才能促使學習真正地發(fā)生。學生的學習,不是知識的復制粘貼,而是學生自身知識體系的建構和完善。這就需要我們依托問題情境,引起認識沖突,在情境體驗中加深認識。在已經(jīng)有一定知識和經(jīng)驗的基礎上,開展自主學習,培養(yǎng)知識的遷移能力和自主學習能力,提升學生的核心素養(yǎng)。