渗透技术教育的高中物理综合实践活动开发

2022年5月23日07:24:00渗透技术教育的高中物理综合实践活动开发已关闭评论
摘要

郭本刚摘? ?要:文章首先对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书中“多用电表”章节编排的变化,然后将新版教材中“拓展学习——欧姆表的原理”这一节开发成技术改装与理论分析

    郭本刚

    

    

    

    摘? ?要:文章首先对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书中“多用电表”章节编排的变化,然后将新版教材中“拓展学习——欧姆表的原理”这一节开发成技术改装与理论分析相结合的综合实践活动,并以此为例阐述了如何在高中物理教学中渗透技术教育,从而实现初高中物理教学在学科核心素养提升上的衔接。

    关键词:欧姆表的原理;综合实践活动;技术教育

    中图分类号:G633.7 文献标识码:A ? ? 文章编号:1003-6148(2021)2-0069-4

    2019年人教版普通高中物理教科书合理确定了内容的难度和广度,体现了学生核心素养发展水平的层次性和成长性,在注重基础的同时兼顾差异,为满足不同水平学生的学习需求,设置了“拓展学习”版块供学有余力的学生选学[1]。“欧姆表的原理”安排在必修三第12章第2节“闭合电路的欧姆定律”后的“拓展学习”部分,而“实验:练习使用多用电表”则安排在前一章第5节。而2010年人教版普通高中物理选修3-1中,“多用电表的原理”则安排在第2章第8节,即在“实验:练习使用多用电表”之前,“闭合电路的欧姆定律”之后。由此可以看出,新、旧版教材对“多用电表”章节的编排有以下四点变化:(1)新版教材中仪器原理的分析从原来编排在仪器使用之前改到仪器使用之后;(2)新版教材只介绍欧姆表的原理而不再介绍多用电表的原理;(3)新版教材中仪器原理介绍放在了章节知识后的“拓展学习”版块,而不再单独设置为一节;(4)新版教材将“多用电表的使用”提前到 “闭合电路的欧姆定律”之前。上述编排变化显示出新版教材对多用电表原理重视程度的降低,这更符合学生认知规律的发展水平,也给教师在教学过程中更多的选择和空间。笔者根据本班学生的实际情况,对新版教材进行了二次开发,将“欧姆表的原理”改造成先了解原理,然后改装,最后再理论总结的综合实践活动,并在此过程中渗透技术教育。

    1? ? 新版教材中“多用电表”编排顺序变化的深层次分析

    旧版教材中“多用电表的原理”为一个单独的章节,教学过程中常存在以下问题:(1)知识难度大,课堂教学容量也大,超过了大部分学生的实际接受能力。这一节课既要在探究欧姆表原理的过程中强化闭合电路欧姆定律的应用,又要让学生掌握电流的方向、欧姆挡调零的目的、刻度的特点和换挡原理等知识,还要让学生认识多用电表的外表,并了解多用电表的内部结构。教学内容实在太多,大部分学生很难在一节课里全部理解和掌握以上教学内容,更无从谈及学生学科核心素养的提升。教学实践表明,在一节课里能够让学生理解欧姆表的原理并掌握测电阻的主要步骤,就已经算是比较成功的一堂课了。(2)教师进行教学设计和教学组织的难度较大,很难兼顾实践操作和理论分析。综合各期刊发表的关于这节课教学设计的相关文章可以发现,这节课的教学环节主要包括欧姆表原理的课题引入、理论设计、改装实践(标定刻度)和总结归纳,然后在此基础上升级到多用电表的设计。部分教师还引导学生进行了多倍率欧姆表的设计和改装。但同时,教师们也反馈了教学过程中存在的一系列问题:如理论分析难度较大(特别是调零的必要性和换挡的原理);理论标定刻度与实验定标间存在较大误差;实验定标较困难(电阻箱阻值不准确,需精确测定);随堂实验耗时太长,课堂中无法让学生展示成果、相互进行交流评价等问题。(3)在学生没有实际使用经验的情况下过早引入多用电表的原理,不符合一般认知规律。人们对新鲜事物的认知总是从直观感受开始,对多用电表的认知也类似。然而,旧版教材在学生没有接触和使用多用电表的情况下先引入仪器原理的探究,让学生直接从原理上建构多用电表的概念,学生接受的难度较大。

    新版教材将多用电表欧姆挡的原理放在了“闭合电路的欧姆定律”章节后的“拓展学习”版块,这样的编排就有效避免了旧版教材中“多用电表的原理”这一章节教学过程中遇到的以上问题。新版教材让学生在已有使用多用电表的实践经验基础上,带着在使用欧姆表测电阻的过程中产生的若干疑问,集中针对欧姆表的原理进行学习和探究,而不贪求学生掌握完整的多用电表原理,是有的放矢和切合教学实际的编排。这样的教学编排在加深学生理解闭合电路欧姆定律的同时,让学生先直观感受再抽象学习,先操作仪器再学习原理,更符合学生的认知规律。这样的教学编排,使得学生的探究行为成为直观感受和亲身体验后自发的学习需求,学生的积极性和主动性得到充分的调动,从而更好地实现了应用闭合电路欧姆定律分析实际问题的教学目标。另一方面,学生进行探究学习的教学容量也符合高中生的实际接受能力,课堂教学更具张力,师生互动更加从容,而不再是节奏紧张的快餐式课堂。

    2? ? 高中物理綜合实践活动开发的必要性

    刘炳昇教授指出:“从现实意义来看,为了拓宽物理课程的视野、发展学生的个性特长和优化物理课程的探究性学习结构,有必要在教材中设置物理综合实践活动,为学生提供更加开放的学习平台。”[2]刘教授还指出:“对技术的兴趣、评价,一般的技术设计方法和解决技术问题的思维和行动方式等,都是技术素养的组成部分。现代社会的公民应当具有一定的技术素养,技术教育应当渗透在科学课程中,因此应当关注物理课程中的技术教育问题。”[3]苏科版初中物理教材设置了九个以“综合实践活动”为载体的技术教育课,为学生创造了在动手实践过程中更新观念、提升思维的机会,有助于提升学生科学探究的意识与能力,有利于学生建立“理论与实践相结合”和“实事求是”的科学态度,可以说是全方面综合发展学生的物理核心素养。

    然而,在高中物理教学中涉及的技术教育却相对显得较少。《普通高中物理课程标准(2017年版)》[4]指出“高中物理课程是普通高中自然科学领域的一门基础课程,旨在落实立德树人根本任务,进一步提升学生的物理学科核心素养……高中物理课程在义务教育的基础上,帮助学生从物理学的视角认识自然,理解自然……”所以,有必要将初中物理“综合实践活动”的课型延续到高中物理教学中,让初、高中物理教学在方式方法上实现更好的衔接,以求更好地延续和发展学生的学科核心素养。

    为了更好地体现技术教育的重要性和教材编者的初衷,笔者将“拓展学习——欧姆表的原理”改造成“设计和改装欧姆表”的综合实践活动。苏霍姆林斯基说:“在人的心灵深处,都有一种根深蒂固的需要,这就是希望自己是一个探究者、发现者、研究者,而在儿童的精神世界中,这种需要特别强烈。”但是,这种探究、发现和研究要有充分的理论准备,要有比较明确的目标,要有计划性,要有反思和总结。

    3? ? 综合实践活动“设计和改装单倍率欧姆表”的开发过程

    3.1? ? 技术设计的问题清单

    学生通过练习使用多用电表,已经知道了利用欧姆挡测电阻的基本步骤:选挡—(欧姆)调零—测量。另一方面,学生已学会将小量程的电流表(表头)改装成安培表和伏特表,现在又有了闭合电路欧姆定律的知识储备。所以,将表头改装成欧姆表已经具有了直观目标、参考经验和理论基础三方面条件。改装的目标是让电流表的电流值与欧姆表的电阻值一一对应,然后将电流表表盘刻度转换成电阻刻度,从而可以直接快速地读出待测电阻值。笔者设计了欧姆表测电阻过程中遇到的问题与解答表(见表1),旨在让学生在反思问题的意识驱动下,在技术设计过程中整合相关物理知识。

    3.2? ? 技术设计的可行性(理论设计)

    引导学生阅读“拓展学习”相关内容,理解并掌握欧姆表基本原理和标定刻度的方法。如图1所示,欧姆表测电阻的基本原理如下:选择合适的欧姆挡后需先进行欧姆调零,此时有Ig=■=■,即R■=■,其中Rg为电流表的电阻,R1为滑动变阻器的电阻,r为电源内阻。测量时,有I=■,所以R=■-R■。

    可见:R改变,I随着改变,R与I一一对应,如果借助阻值已知的电阻在刻度盘上标出与电流值对应的电阻值,以后就能直接读出电阻阻值了。接下来,将学生分成若干个小组,制定活动的具体目标和方案,并列出所需器材规格和用途(可先列出清单,供学生选择),见表2。

    3.3? ? 综合实践活动的过程记录

    首先,学生在教师启发下自主反思提出并回答下列问题,理解欧姆表零刻度位置为何在满偏电流处,以及电流零刻度对应电阻值为何是无穷大。

    问题1:欧姆表的零刻度标在哪个位置?为什么这样标?

    问题2:将两表笔短接,发现指针并未指在满偏电流处,为什么会出现这种情况?怎么办?

    问题3:欧姆表测电阻时,为什么需要欧姆调零这一步骤?

    问题4:当I= 0时,对应的外接电阻值多大?

    教师总结:以表头电流满偏处作为欧姆表的零刻度线,从右向左标上刻度,可以充分利用原有刻度线,看上去比较美观,且符合阅读习惯。两表笔短接时指针未指到满偏电流处,是因为欧姆表内阻偏小或者偏大,需要调节其内阻中的R1。只有在确定内阻的情况下,才能准确计算外接电阻值。电流为零意味着电阻无穷大,即红、黑表笔断开。

    接下来,让学生连接电路,并完成表盘刻度的理论计算和技术转换。

    自主活动1(理论计算):根据器材规格计算出欧姆表的内阻,然后求出各预设电流值对应的外接电阻理论值,填写完成表3的第1和第2行。

    自主活动2(技术改装):让学生先填写完成第1列和最后1列,并思考:若两表笔断开时指针不指在电流零刻度处,怎么办?——机械调零;若两表笔短接时指针不指在满偏电流处,怎么办?——欧姆调零。由于电流表刻度并不是严格均匀准确,存在一定的误差,所以有必要以电阻箱作为待测电阻,用实际测量的方法先得到各预设电流值所对应的外接电阻实验值,然后在刻度盘上完成从电流值到电阻值的数值转换。此处需要提醒学生,电阻箱的阻值也不一定准确,需

    要利用电流、电压传感器或者其他精密仪器精确确定。

    自主活动3(交流评价):各组同学对比理论值和实验值后交流讨论,并互测互试(用其他小组制作的欧姆表测量阻值已知的电阻),检验他组改装的欧姆表,并作出评价。交流评价环节让学生体验到了改装成功的喜悦,很好地激发了学生学习物理的兴趣。

    3.4? ? 技术设计的理论总结和观念升华

    至此,学生已初步理解和掌握了欧姆表的原理,从而有了进一步深入探讨的可能,如欧姆表的刻度特点、换挡的原理等。接下来,可趁热打铁引导学生自主探究下列几个问题,帮助学生进一步提升物理观念,发展物理思维。

    问题1:欧姆表的中值电阻阻值有何物理意义?

    问题2:欧姆表刻度为何越往左越密?

    问题3:欧姆表测电阻时,指针指在哪个区域读数比较精确?

    问题4:既然欧姆表的量程是无穷大,为何还要设置四个挡位呢?

    问题5:为何每次换挡后必须要重新欧姆调零后才能进行测量?

    问题6:换挡是在调节欧姆表的内阻吗?如果不是,那调节的是什么?

    最后,教师进行总结:

    电流值为满偏电流一半时,整个回路的总电阻是欧姆调零时的两倍,外电阻等于欧姆表内阻。电阻值随着电流值的减小增加得越来越快,趋向于无穷大,满偏电流的1/2、1/4、1/8…对应的电阻分别是R■、3R■、7R■…指针指在中值电阻附近,指针偏转与待测电阻的关系更接近线性,刻度更均匀,读数更加准确[5]。不同挡位对应的中值电阻不一样,适合测量的电阻范围不一样。不同挡位对应的内阻不同,所以需要调整欧姆表内阻,即欧姆调零。欧姆表内阻是由电源电动势和表头的满偏电流共同决定的,换挡改变的是两者中的一个,从而导致接下来也必须调整欧姆表内阻。而从技术层面看,换挡时调整表头更加简便可行。

    4? ? 结? 语

    通过对比理论定标和实验定标的结果,学生体会到利用技术手段标定刻度的必要性和现实意义,这有助于改变学生重科学轻技术、重理论轻实践的观念。除此之外,还可以引导学生设计多倍率欧姆表或者研究实际多用电表的电路图,以检验理论探讨的技术可行性。这种“直观印象—原理了解—技术设计—理论探究—观念升华”的教学过程,突出了“技术教育”在整个教学过程中承上启下的重要作用。技术设计环节在加深理解测量步骤和基本原理的同时,也为理论探讨操作的深层次原因作了铺垫。高中物理教材中有不少可改造成“综合实践活动”的素材,可以让学生体会实际生产生活中从技术层面解决问题的手段,如将表头改造成安培表和伏特表,就可以讓学生先直接利用校对手段完成改装,然后再测量,计算,最后进行理论检验,处理误差时应以技术手段得到的结果为准。

    这样的教学过程,打破了“先理论后实践”的传统观念,更好地融合了科学教育和技术教育,

    做到了知识建构与能力提升的同步。教学进程的规划组织是在潜移默化地培养学生重视技术手段的意识,提升学生应用技术手段的能力,从而达成课程实施过程中育人的目标,必将有助于学生学科核心素养这棵小苗在初中物理学习基础上吸收养分而茁壮成长。技术教育的过程伴随着劳动教育,引导学生通过劳动实现制造、创造、甚至创新,通过有教育意义的劳动实践去检验学习成果,得到实践锻炼,是培养学生“辛勤劳动、诚实劳动、创造性劳动”的重要途径[6]。综上所述,在高中物理教学实施过程中通过综合实践活动渗透技术教育是非常有意义的,同时也是可行的。

    参考文献:

    [1]彭前程.聚焦核心素养? 体现时代要求——高中物理教科书修订说明[J].中学物理,2018,36(10):2-8.

    [2]刘炳昇.再论“物理综合实践活动”设置的意义与实施策略[J].物理之友,2019,35(01):1-5+9.

    [3]刘炳昇.增强“技术教育”意识? 挖掘创新教育潜能——谈“把电流表改装成电压表”的课堂教学设计[J].物理之友,2016,32(01):1-3.

    [4]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2018:1.

    [5]宁文文,李振文.基于项目式教学的高中物理教学实践——以“制作欧姆表”为例[J].教育,2019(01):60-65.

    [6]檀传宝.何谓“教育与生产劳动相结合”——经典论述的时代诠释[J].课程·教材·教法,2020,40(01):4-10.

    (栏目编辑? ? 邱晓燕)