基于SOLO分类理论的物理单元大概念教学路径

【教学路径整体设计】《义务教育物理课程标准（2022年版）》在课程理念部分提出：“以主题为线索，构建课程结构。”而学生从学习简单的物理知识、物理规律，到应用物理知识解决实际问题，该过程与利用SOLO分类理论的进阶式教学有相似之处，以下探析利用SOLO分类理论进行单元大概念教学的路径。大概念具有单元统摄作用，在实际教学时还要考虑到学生的前概念，已有知识储备。因此，借助SOLO分类理论进行进阶式教学设计时，分为单元大概念的确定、学生前概念分析和章节SOLO层次分析三步，如图1。一、单元大概念的确定电功率是电学中非常重要的物理量，联系着电流、电压和电阻相关概念规律，同时又和本章电功、电热、能量等重难点有紧密联系，具有承上启下及章节统摄作用，因此本单元教学选择“电功率”作为大概念，并围绕它展开各项教学活动。二、学生前概念分析学生在学习本章之前已经学习电学相关的基础知识，从SOLO分类理论角度来看，该部分都是孤立的知识点，属于单点结构或多点结构层次。之后在此基础上学习了欧姆定律，知道了电流、电压、电阻三者之间的关系，将单个的物理知识点联系起来，属于关联层次。在八年级学过机械功、功率相关概念，知道功率与功之间的联系，因此在教学时教师可以将电功率与机械功率联系起来，启发学生引入概念，便于学生理解和知识迁移。三、章节SOLO层次进阶分析学习本章之前学生已有电学相关基本概念的知识储备，根据SOLO分类理论即知识点多少和关联程度进行单元教学设计。整体教学进阶路径如图2。第1节是电能和电功，定位是多点结构层次（M），结合身边的家用电器建立对电能的认识。第2节是电功率，本节需要知道电功率相关概念，因此该部分属于SOLO分类理论中单点结构层次（U），此时学生已经对电能、电功有一定了解，同时在机械能部分学习了功率是表示做功快慢的物理量，实现知识迁移。第3节是测量小灯泡的电功率，是对电功率的应用，有了利用欧姆定律测量电阻的基础，利用公式可以计算出小灯泡的电功率，属于关联结构层次（R）。第4节是焦耳定律，是大概念电功率的拓展及应用，同时从能量视角来看，焦耳定律也是欧姆定律的引申和发展，是在电学中能量转化的具体体现，因此本节属于拓展抽象结构层次（E）。【第四节“焦耳定律”教学案例】教师：大家来看讲台上的电热水壶，现在我打开开关后加热，如果摸一下水壶和电源线会有什么感觉？学生：水壶热，但是电源线不热。教师：为什么通电后电热水壶发热，但是电源线不热，产生热量与什么因素有关呢？带着这样的问题进入我们今天的学习——“焦耳定律”。（设计意图：从学生熟悉的生活电器入手，创设物理情境，实验现象让学生产生认知冲突，激发学生的学习兴趣。）一、电流的热效应教师：请同学们思考一下，生活中我们身边有哪些电器，像刚才的热水壶一样通电后会发热？学生：暖宝宝、电饭锅、电烤箱……教师：像这样的电器存在什么能量转化呢？学生：电能转化为内能。教师：当电流通过导体时，将电能转化为内能，这种现象就叫作电流的热效应。教师板书：一、电流的热效应：当电流通过导体时，将电能转化为内能，这种现象就叫作电流的热效应。（设计意图：学生之前对电能转化为内能有一定了解，并能够通过生活实例认识、解释相关的转化过程，利用前概念和实例，让学生切身体会到电流的热效应，仅学习一个新的概念属于单点结构层次教学。）二、探究电阻产生的热量与哪些因素有关教师：现在大家连接一个灯泡的简单电路，闭合开关后用手快速轻轻摸一下灯泡和导线有什么感觉？为什么？学生（分组实验并讨论）：灯泡发热，导线比较凉。但是串联电流相等，通电时间相同，而电阻不一样，说明导体产生的热量与电阻有关。教师：除了电阻还有什么原因呢？学生：灯泡刚开始不热，过了一会，越来越热，说明和通电的时间有关。可能与电流大小也有关系。教师：那么要想知道某个因素的具体影响，需要用到什么方法？学生：控制变量法。教师：电流产生的热量我们用肉眼看不到，怎么办？学生：用转换法。教师（展示焦耳定律实验器材）：这个器材就是利用电阻加热空气，使U型管中液面发生变化，如果左右液面高度差越大，说明产生的热量越多。教师：现在，先来探究电热与电阻的关系，思考并连接电路，探究影响电热的因素。学生：10Ω对应的液面高度差大，产生的热量多。说明当通电时间、电流相等时，电阻越大，产生的热量越多。教师板书：当通电时间、电流相等时，电阻越大，产生的热量越多。教师：现在我们尝试探究电热与电流的关系，这里有三个5Ω的电阻，思考一下应当怎样连接电路？学生：改变电流，一个电流大，一个电流小，利用并联电路分流。学生（分组实验）：单独5Ω电阻的液面高度差大，说明产生热量多。它在干路上，电流大。当导体电阻、通电时间一定时，电流越大产生的热量越多。教师板书：当导体电阻、通电时间一定时，电流越大，产生热量越多。教师：那关于通电时间怎么判定？学生：随着通电时间增加，U型管左右液面高度差变大，说明通电时间越长，产生热量越多。教师板书：当电阻、电流一定时，通电时间越长，产生热量越多。教师：科学家对此也进行了大量的实验。英国物理学家焦耳，于1840年最先精确地确定了电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系。根据焦耳定律的内容，Q表示电热，I表示电流，R表示电阻，t表示通电时间，那么焦耳定律的公式就是Q=I2Rt。（设计意图：引导学生利用控制变量法、转化法进行思考和设计实验，横向贯穿多节内容，用已有知识解决新的问题，进行实验得到的结论属于SOLO分类理论教学的拓展抽象结构，教学具有启发性。）三、纯电阻电路和非纯电阻电路教师：是不是所有用电器使用时所消耗的电能都转化为电热呢？学生：不是，如风扇，电能主要转化为机械能。教师：老师这里有一个可以连入电路的小风扇，比较它消耗的电能和产生的电热有什么关系。已知风扇的电阻R=1.0Ω。①（演示）先夹住电动机轴，闭合开关，电机不转。调整滑动变阻器的阻值，使电压表的示数为0.50V，记下电流表的示数，通电时间10s，算出小电机消耗的电能和产生的内能，并加以比较。②再松开夹子，使小电机转动，调整滑动变阻器的阻值，使电压表的示数为2.0V（此电压为小电机的额定电压），记下电流表的示数，通电时间10s，算出小电机消耗的电能和内能，并加以比较。（如图4）学生（分组实验测量并计算）：①小风扇不转时，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小风扇转动时，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。教师（总结）：当风扇不转时，消耗的电能和产生的电热相等，这种电路就是纯电阻电路。但是当风扇转动时，消耗的电能中有一部分转化为电热，剩余大部分转化为机械能，这种电路就是非纯电阻电路。（设计意图：通过实验及计算，让学生体会到纯电阻电路和非纯电阻电路的区别，创设物理情境，解决新的问题。利用焦耳定律公式和之前学过的电能计算公式进行计算对比，解决新的物理问题，属于SOLO分类理论的拓展抽象结构层次教学。）四、电热的利用和防止教师：生活中有哪些例子利用了电热？学生：用电熨斗熨衣服、用电热水壶烧水……教师：和燃烧煤炭、木柴相比，它们都有什么优点？学生：清洁无污染。学生：便于控制温度和加热时间。教师：那电热有哪些危害？有哪些用电器需要减少电热的产生？学生：手机充电或者使用久了会发烫，会烫伤皮肤。学生：电脑有风扇。教师：很多情况下我们不希望用电器过热，像显像管的电视后盖有很多散热孔、电脑有风扇，这些都是减少电热带来的危害。所以，我们可以从增大散热面积、加快空气流速这些方面使用电器降温。（设计意图：通过生活实例解释电热的利用和防止方法，利于学生理解，是单一知识点的学习，因此属于SOLO分类理论中单电结构层次教学。）【反思和结语】立足大概念教学，利用SOLO分类理论构建知识框架，对小节内容进行定位分析，通过分析