基于SOLO分類理論的物理單元大概念教學路徑

【教學路徑整體設計】《義務教育物理課程標準（2022年版）》在課程理念部分提出：“以主題為線索，構建課程結構?！倍鴮W生從學習簡單的物理知識、物理規(guī)律，到應用物理知識解決實際問題，該過程與利用SOLO分類理論的進階式教學有相似之處，以下探析利用SOLO分類理論進行單元大概念教學的路徑。大概念具有單元統(tǒng)攝作用，在實際教學時還要考慮到學生的前概念，已有知識儲備。因此，借助SOLO分類理論進行進階式教學設計時，分為單元大概念的確定、學生前概念分析和章節(jié)SOLO層次分析三步，如圖1。一、單元大概念的確定電功率是電學中非常重要的物理量，聯系著電流、電壓和電阻相關概念規(guī)律，同時又和本章電功、電熱、能量等重難點有緊密聯系，具有承上啟下及章節(jié)統(tǒng)攝作用，因此本單元教學選擇“電功率”作為大概念，并圍繞它展開各項教學活動。二、學生前概念分析學生在學習本章之前已經學習電學相關的基礎知識，從SOLO分類理論角度來看，該部分都是孤立的知識點，屬于單點結構或多點結構層次。之后在此基礎上學習了歐姆定律，知道了電流、電壓、電阻三者之間的關系，將單個的物理知識點聯系起來，屬于關聯層次。在八年級學過機械功、功率相關概念，知道功率與功之間的聯系，因此在教學時教師可以將電功率與機械功率聯系起來，啟發(fā)學生引入概念，便于學生理解和知識遷移。三、章節(jié)SOLO層次進階分析學習本章之前學生已有電學相關基本概念的知識儲備，根據SOLO分類理論即知識點多少和關聯程度進行單元教學設計。整體教學進階路徑如圖2。第1節(jié)是電能和電功，定位是多點結構層次（M），結合身邊的家用電器建立對電能的認識。第2節(jié)是電功率，本節(jié)需要知道電功率相關概念，因此該部分屬于SOLO分類理論中單點結構層次（U），此時學生已經對電能、電功有一定了解，同時在機械能部分學習了功率是表示做功快慢的物理量，實現知識遷移。第3節(jié)是測量小燈泡的電功率，是對電功率的應用，有了利用歐姆定律測量電阻的基礎，利用公式可以計算出小燈泡的電功率，屬于關聯結構層次（R）。第4節(jié)是焦耳定律，是大概念電功率的拓展及應用，同時從能量視角來看，焦耳定律也是歐姆定律的引申和發(fā)展，是在電學中能量轉化的具體體現，因此本節(jié)屬于拓展抽象結構層次（E）。【第四節(jié)“焦耳定律”教學案例】教師：大家來看講臺上的電熱水壺，現在我打開開關后加熱，如果摸一下水壺和電源線會有什么感覺？學生：水壺熱，但是電源線不熱。教師：為什么通電后電熱水壺發(fā)熱，但是電源線不熱，產生熱量與什么因素有關呢？帶著這樣的問題進入我們今天的學習——“焦耳定律”。（設計意圖：從學生熟悉的生活電器入手，創(chuàng)設物理情境，實驗現象讓學生產生認知沖突，激發(fā)學生的學習興趣。）一、電流的熱效應教師：請同學們思考一下，生活中我們身邊有哪些電器，像剛才的熱水壺一樣通電后會發(fā)熱？學生：暖寶寶、電飯鍋、電烤箱……教師：像這樣的電器存在什么能量轉化呢？學生：電能轉化為內能。教師：當電流通過導體時，將電能轉化為內能，這種現象就叫作電流的熱效應。教師板書：一、電流的熱效應：當電流通過導體時，將電能轉化為內能，這種現象就叫作電流的熱效應。（設計意圖：學生之前對電能轉化為內能有一定了解，并能夠通過生活實例認識、解釋相關的轉化過程，利用前概念和實例，讓學生切身體會到電流的熱效應，僅學習一個新的概念屬于單點結構層次教學。）二、探究電阻產生的熱量與哪些因素有關教師：現在大家連接一個燈泡的簡單電路，閉合開關后用手快速輕輕摸一下燈泡和導線有什么感覺？為什么？學生（分組實驗并討論）：燈泡發(fā)熱，導線比較涼。但是串聯電流相等，通電時間相同，而電阻不一樣，說明導體產生的熱量與電阻有關。教師：除了電阻還有什么原因呢？學生：燈泡剛開始不熱，過了一會，越來越熱，說明和通電的時間有關?？赡芘c電流大小也有關系。教師：那么要想知道某個因素的具體影響，需要用到什么方法？學生：控制變量法。教師：電流產生的熱量我們用肉眼看不到，怎么辦？學生：用轉換法。教師（展示焦耳定律實驗器材）：這個器材就是利用電阻加熱空氣，使U型管中液面發(fā)生變化，如果左右液面高度差越大，說明產生的熱量越多。教師：現在，先來探究電熱與電阻的關系，思考并連接電路，探究影響電熱的因素。學生：10Ω對應的液面高度差大，產生的熱量多。說明當通電時間、電流相等時，電阻越大，產生的熱量越多。教師板書：當通電時間、電流相等時，電阻越大，產生的熱量越多。教師：現在我們嘗試探究電熱與電流的關系，這里有三個5Ω的電阻，思考一下應當怎樣連接電路？學生：改變電流，一個電流大，一個電流小，利用并聯電路分流。學生（分組實驗）：單獨5Ω電阻的液面高度差大，說明產生熱量多。它在干路上，電流大。當導體電阻、通電時間一定時，電流越大產生的熱量越多。教師板書：當導體電阻、通電時間一定時，電流越大，產生熱量越多。教師：那關于通電時間怎么判定？學生：隨著通電時間增加，U型管左右液面高度差變大，說明通電時間越長，產生熱量越多。教師板書：當電阻、電流一定時，通電時間越長，產生熱量越多。教師：科學家對此也進行了大量的實驗。英國物理學家焦耳，于1840年最先精確地確定了電流產生的熱量與電流、電阻和通電時間的關系。根據焦耳定律的內容，Q表示電熱，I表示電流，R表示電阻，t表示通電時間，那么焦耳定律的公式就是Q=I2Rt。（設計意圖：引導學生利用控制變量法、轉化法進行思考和設計實驗，橫向貫穿多節(jié)內容，用已有知識解決新的問題，進行實驗得到的結論屬于SOLO分類理論教學的拓展抽象結構，教學具有啟發(fā)性。）三、純電阻電路和非純電阻電路教師：是不是所有用電器使用時所消耗的電能都轉化為電熱呢？學生：不是，如風扇，電能主要轉化為機械能。教師：老師這里有一個可以連入電路的小風扇，比較它消耗的電能和產生的電熱有什么關系。已知風扇的電阻R=1.0Ω。①（演示）先夾住電動機軸，閉合開關，電機不轉。調整滑動變阻器的阻值，使電壓表的示數為0.50V，記下電流表的示數，通電時間10s，算出小電機消耗的電能和產生的內能，并加以比較。②再松開夾子，使小電機轉動，調整滑動變阻器的阻值，使電壓表的示數為2.0V（此電壓為小電機的額定電壓），記下電流表的示數，通電時間10s，算出小電機消耗的電能和內能，并加以比較。（如圖4）學生（分組實驗測量并計算）：①小風扇不轉時，U=0.50V，I=0.50A，W=UIt=0.50V×0.50A×10s=2.5J，Q=I2Rt=（0.50A）2×1.0Ω×10s=2.5J，W=Q。②小風扇轉動時，U=2.0V，I=0.40A，W=UIt=2.0V×0.40A×10s=8J，Q=I2Rt=（0.40A）2×1.0Ω×10s=1.6J，W>Q。教師（總結）：當風扇不轉時，消耗的電能和產生的電熱相等，這種電路就是純電阻電路。但是當風扇轉動時，消耗的電能中有一部分轉化為電熱，剩余大部分轉化為機械能，這種電路就是非純電阻電路。（設計意圖：通過實驗及計算，讓學生體會到純電阻電路和非純電阻電路的區(qū)別，創(chuàng)設物理情境，解決新的問題。利用焦耳定律公式和之前學過的電能計算公式進行計算對比，解決新的物理問題，屬于SOLO分類理論的拓展抽象結構層次教學。）四、電熱的利用和防止教師：生活中有哪些例子利用了電熱？學生：用電熨斗熨衣服、用電熱水壺燒水……教師：和燃燒煤炭、木柴相比，它們都有什么優(yōu)點？學生：清潔無污染。學生：便于控制溫度和加熱時間。教師：那電熱有哪些危害？有哪些用電器需要減少電熱的產生？學生：手機充電或者使用久了會發(fā)燙，會燙傷皮膚。學生：電腦有風扇。教師：很多情況下我們不希望用電器過熱，像顯像管的電視后蓋有很多散熱孔、電腦有風扇，這些都是減少電熱帶來的危害。所以，我們可以從增大散熱面積、加快空氣流速這些方面使用電器降溫。（設計意圖：通過生活實例解釋電熱的利用和防止方法，利于學生理解，是單一知識點的學習，因此屬于SOLO分類理論中單電結構層次教學。）【反思和結語】立足大概念教學，利用SOLO分類理論構建知識框架，對小節(jié)內容進行定位分析，通過分析