借自制教具践行初中物理深度学习教学

摘要

在“深度学习走向核心素养”理念指导下，以沪粤版物理九年级教材中的“怎样用电才安全”教学为案例，依托自制低压模拟家庭电路演示教具，围绕教学目标物理学科核心知识“安全用电”展开教学。在挑战性任务驱动下，以问题为导向，探讨初中物理深度学习的教学策略，以期培养学生在生活情境中解决真实问题的能力，进而发展其物理学科核心素养。

Graphical abstract

关键词

自制教具 / 家庭电路 / 安全用电 / 初中物理 / 深度学习 / 核心素养

《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《新课标》）明确提出，以立德树人为导向，依据物理学科核心素养确定课程目标，培养学生适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力^［1］。初中物理的学习过程，不仅是学习物理学科知识，更应以知识为载体，让学生能够参与知识的发现、发展过程，提升其物理学科核心素养。为了更好地说明问题，笔者以“怎样用电才安全”为例，说明初中物理深度学习是培养物理学科核心素养的有效手段。

1 初中物理深度学习概述

初中物理深度学习，是指在教师引领下，学生围绕具有挑战性的物理学习主题，全身心地参与以生活实际情境和物理实验为主的多种探究活动及情境互动。具体而言，从形成物理观念的视角看，它是运用模型建构与推理论证等科学思维方式，帮助学生解决真实问题，体验成功，获得物理学科核心知识，理解物理学习的过程，把握物理学科的本质及思想方法，促其形成积极的内在学习动机、高级的社会性情感、积极的态度和正确的价值观，最终在物理学科核心素养方面获得全面发展，成为具有创新精神和实践能力、基础扎实的优秀的学习者^［2］。

初中物理深度学习，不是一种新的教学模式，它是一种理念导向，是教学规律在教学实践中的具体化，其核心特征是“活动与体验”。一切知识，唯有成为学生探究与实践对象之时，其学习过程才有可能成为素养发展过程^［2］。因此，在情境化的挑战性任务驱动下进行科学探究活动，理应成为初中物理深度学习的重要着力点。笔者借助自制低压模拟家庭电路演示教具，结合深度学习特征，围绕沪粤版物理九年级“怎样用电才安全”这一具体教学课例，探讨利用自制教具开展科学探究活动，实施初中物理深度学习活动的可能性和效果，以期推动学生核心素养的持续性发展。

2 低压模拟家庭电路演示教具的设计

“怎样用电才安全”是将所学电学知识融入日常生活中的典型课例，既是对电学知识的深度探索，更是对生活智慧的全面提升。《新课标》对家庭用电提出“了解家庭电路的组成，有安全用电和节约用电的意识”的要求。九年级学生正处于具体的形象思维向抽象的逻辑思维过渡阶段，其学习过程仍以具体的形象思维为主，故教师在实际教学中仍然离不开具体实物的引导。笔者认为，设计一款既安全又可操控的家庭电路演示教具尤为关键。

2.1 技术背景

家庭电路环境具有复杂性、隐蔽性和安全性等特征，这直接导致学生难以在真实的家庭电路环境中进行观察。通常，常规家庭电路演示装置若直接接入220 V家庭电路中，则有触电风险。出于安全考虑，其元件大多固定封装，不能重复安装，学生难以获得直观的操作体验；该演示装置直接呈现整个家庭电路成品，造成学生缺乏家庭电路模型的建构生成过程；利用其演示短路、过载和地线作用时，可能会产生教学楼电箱跳闸的现象，从而影响到学校的教学秩序。因此，安全保障成为设计家庭电路演示教具的首要考虑因素。

2.2 设计思路

（1） 低压电源保安全。

采用12 V直流开关电源供电，一方面低压安全，没有触电风险，另一方面学生可以克服对电的恐惧心理，便于安全演示和体验。该电源具备短路、过负载和过温度等保护功能，不会造成学校电箱跳闸。

（2） 改装元件，实现现象的可视化。

市面上采购的家庭电路元件，包括电能表、电灯泡、电炉、电风扇及测电笔等，其额定电压都是220 V，当采用12 V直流电源供电时，这些元件将无法正常工作，需要改装、替换或自制，才能使这些元件正常工作于直流12 V电压下，且外形与真实家庭电路元件相同或相似，能够直观地模拟家庭电路的实际布局，实验现象可视化。

电能表由多功能直流电表改装而成，不仅能够显示电路消耗的电能，还能同屏显示零火线电压、电路中的电流和电功率。因为不能演示人在220 V家庭电路电压下触电，且人在12 V安全电压下也不会触电，所以为了模拟演示触电以及地线的作用，可利用一块金属板来模拟“大地”，同时在假人身上安装LED灯带，当有电流通过假人时，LED灯带就会亮起，直观地显示了电流走向，从而让触电这一现象实现了可视化（图1）。

（3） 磁吸结构促互动。

元件安装磁铁柱以具备磁性，基板覆盖镀锌铁皮用以吸引磁铁柱，这样的磁吸结构使得各个元件可以在基板上随意拆卸和移动。学生自己动手组装和操作，在此过程中教师引导学生以模块化方式生成家庭电路模型（图2），既增强其学习的参与感和体验感，又为其深度学习创造条件。

3 利用自制教具实施初中物理深度学习

深度学习强调以任务和问题解决为依托组织教学内容，以学生为主体开展教学活动^［2］。本节课依托自制演示教具来创设真实的问题情境和实践情境，采取任务驱动型、问题驱动型和实验演示型等多种教学方式，组织实施初中物理深度学习。

3.1 创设情境，布置任务

基于学生的最近发展区，创设合理的生活情境，设置富有挑战性的任务，能帮助学生亲历知识的发现和建构过程，实现经验与知识的相互转化。教材通过展示家庭电路实物图和电路图进行对照，形象直观，便于学生一目了然地认识家庭电路的组成和连接。为强化教学效果，笔者又对教材内容进行整合和加工，实现了自主操作，促使学生进行深度学习。

教学设计1：引入新课。

【情境设计】小桂家正在装修，需要对家庭电路进行布线。请你为小桂家设计家庭电路布线电路图。

学生已学习了电路的相关知识，对家庭用电也有丰富的经验。因此，创设“家庭电路布线”这一真实情境，就能将物理知识与日常生活紧密地联系起来。接着，布置“设计家庭电路布线电路图”的任务，学生对该任务充满兴趣，期待运用所学的电学知识解决生活实际问题。但家庭电路布线隐蔽性的特点，决定了学生对家庭电路模型缺乏直观认识，所以这个任务具有挑战性，能够唤起学生持续探究的兴趣，促进学生深度学习。

3.2 问题导向，实地调查

在初中物理深度学习活动中，问题导向的深度学习是一种重要的学习形式，其核心为“提出问题、解决问题”^［2］。这就要求设计的问题要有深度，给予学生足够的时间进行思考、讨论和交流，如此才有利于学生物理思维的提升，有利于学生进行深度学习。

教学设计2：初识家庭电路的组成及连接。

【课前调查】请家长协助学生调查自己家里的家庭电路（注意安全）。

【问题链设计】①你在家里找到家庭电路的电源了吗？进户电线有几根？②配电箱里安装有哪些元件？家庭电路还有哪些组成部分？③电能表与空气开关接在电路的什么地方？安装顺序如何？思考原因。④家里有哪些用电器？它们通过什么元件连接到电线上？它们是串联还是并联？⑤开关与电灯是串联还是并联？

【活动设计】设计家庭电路布线电路图初稿并连接实物。

教师基于前面的任务设计问题链，让学生带着问题回家进行实地调查，结合已有电学知识设计出家庭电路布线电路初稿（图3），并利用演示教具连接实物，通过模拟实验证实猜想，体验成功的喜悦。

3.3 模拟演示，解决问题

家庭电路电压为220 V，这一数值远远高于36 V的安全电压，这就决定了家庭电路设计应考虑其可靠性和安全性。前面的电路设计显然未考虑用电安全，因此，教师应基于电路设计任务，根据学生已有的前概念，精心设计驱动问题，引发学生的认知冲突，再借助模拟演示实验，促使学生的前概念向科学概念转变，推动学生进行深度学习。

教学设计3：避免触电。

问题1：家庭电路触电事故，是人体接触火线造成的还是人体接触零线造成的？

演示1：模拟单线触电。

问题2：人体接触火线一定会触电吗？人体接触零线一定不会触电吗？

演示2：模拟开关接零线上引发的触电事故。

问题3：在家庭电路中，电线基本铺设在墙里，并没有直接接触的机会，可为什么会发生触电事故？

学生思考并回答：在更换灯泡、拔插头或使用漏电的用电器时，若不小心触碰裸露的金属部位，则会发生触电事故。

问题4：如何设计合理的家庭电路，以避免触电事故的发生？

学生一致认为，家庭电路设计应符合国家规定的技术要求。

演示3：模拟演示地线的作用。

学生潜意识里认为火线是危险的，教师通过模拟演示证实学生的前概念，接着提出“人接触零线会触电吗？”的问题，使学生的认知发生冲突，引发深入思考。同时，模拟演示开关接零线上造成的触电事故，从而否定了学生原有的认知，促使其全面思考触电的情形并亲自动手探究进行验证。学生经历深度思维的科学探究活动，自然认识到应按国家规定的技术要求来设计家庭电路，从而将隐患抹杀在萌芽状态，切实保障了人身安全。毕竟，家庭电路设计既要保障人身安全（避免触电），也要确保电路本身的安全（防止过载和短路）。

教学设计4：防止过载和短路。

演示1：模拟演示短路的危害。

问题1：在家庭电路发生短路时，如何才能迅速切断电源以保护设备和人员的安全？

演示2：空气开关的作用（模拟短路并跳闸）。

问题2：当电流过大时，空气开关一定会跳闸吗？

演示3：模拟演示过载的危害（选用额定电流稍大些的空气开关）。

学生观察到：细导线发热明显，绝缘皮变软并有破损现象，但空气开关未跳闸。

问题3：当家庭电路发生过载时，如何才能让空气开关及时跳闸以切断电源？

演示4：空气开关的作用（模拟过载跳闸：改用额定电流稍小的空气开关）

问题4：在设计家庭电路时，你还有什么措施来防止家庭电路过载？

在教学中，巧妙设计演示实验引出问题，激发学生思考，再以问题引领实验演示，就为学生发生认知冲突提供了机会；在交流讨论中，主动帮助学生解决疑惑，助推学生进行深度学习。至此，学生对家庭电路设计有了成熟的见解，再经过不断完善，最终设计出安全可靠的家庭电路布线电路图（图4）。

3.4 知识迁移，拓展应用

“迁移”是知识的扩展与提升，“应用”是知识活化的标志。在实施深度学习时，教师应重视“迁移与应用”，助力学生将所学知识转化为问题解决能力^［2］。

教学设计5：排查家庭电路故障。

【情境设计】小桂正在做作业，电灯忽然不亮了。

【活动设计】排查家庭电路故障。

【活动过程】观察到空气开关没有跳闸，可排除短路故障；更换灯泡，闭合开关，灯泡不亮，可排除灯丝断路故障；触电假人站在地上触碰导线，灯带亮起，说明该处的导线与火线连通，断点应在该处与零线之间。

【问题设计】在真实的家庭电路环境中，不可能让人发生触电来排查故障，那么还有其他途径吗？

学生在活动过程中不断获取信息、选择信息和处理信息，最终从假人模拟触电的实验中获得灵感，用测电笔检查导线断点，使故障得以排除。这种深度运用新技巧并开拓新思路的学习方法，能够提升学生解决实际问题的能力，进而达到深度学习的目标^［2］。

4 结语

创新设计低压模拟家庭电路演示教具，非但提升了物理教学的安全性和直观性，更增强了学习的互动性和趣味性，促进了学生对家庭电路的深度学习，培养了学生的关键能力和必备品格，发展了学生的物理学科核心素养，为践行初中物理深度学习教学提供了新的有效工具。

压强”直接采用液体压强公式将更方便。另外，无论何种容器，将其放在桌面上，再采用压强的定义公式进行计算，都是较为容易的。其实，压强的定义公式才是普适性公式，即液体压强公式也可由压强定义公式推导而来，同时液体压强公式适用于液体和均匀柱状固体中，如典例1中的推导过程。在典例3第2小题中，针对水对不规则容器底部的压力，学生只能先算出压强后再算出压力，而容器对于桌面的压力，则可以把整个容器看成一个整体，即对水平桌面的压力等于其总重力。的确，把课堂交给学生，学生之间的思维碰撞会将知识垒得更加牢固。

4　结语

在“双减”背景下，不是反对刷题，而是反对机械刷题。不可否认，采取问题驱动式的复习教学策略，确实值得推荐。课堂例题的选择，务必有意义但又不太复杂。为了在实际情境中突破知识应用的难点，其问题设置应由浅入深、层层递进。在解决各种问题（包括现象问题、概念问题，判断问题、推理问题和应用问题）的过程中，启发学生的思维方向，引导其思考问题本质；以学生为主体，鼓励学生之间产生思维摩擦。显然，这样的教学模式能够促进学生深度学习，符合《新课标》培养学科素养的要求。客观上，问题能驱动学生思维能力发展，提升其思维品质，真正促进其能力的提高与素养的全面发展。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 李春密.深度学习：走向核心素养（学科教学指南·初中物理）［M］.北京：教育科学出版社，2020. （上接第36页）

基金资助

广西教育科学“十四五”规划2023年度专项课题“走向核心素养——县域内开展初中物理‘深度学习’的教学实践研究”(2023ZJY760)