初高中衔接视角下的初中电学概念分析——以内阻为例.pdf

55美眉 2023.07 下教研与美育教学研究初高中衔接视角下的初中电学概念分析以内阻为例吴颖（无锡市侨谊实验中学，江苏无锡214000）摘要：电路元件内阻在中考考察范围之内。通过分析人教版高中物理教材和苏科版物理教材中电阻的教学内容、教学目标，发现初中教学存在内容不足、深度不够的问题，并根据问题提出几点衔接的建议。关键词：初中物理；内阻；教学一、问题的提出（一）（无锡市 2018 年中考物理试卷第 26 题，有删减）某小组同学准备探究“通过导体的电流与电压、电阻的关系”。实验器材有：干电池 2 节，滑动变阻器（20，1A）、电流表、电压表、开关各一个，不同阻值的定值电阻及导线若干，图 1是他们连接的实验电路。图 1验证中的规律（“当导体两端电压一定时，导体中的电流与导体的电阻成反比”），该小组的同学选择了 5、10、20 的定值电阻，准备分别接入图甲电路，测量电流进行探究，有同学提议：既然探究时需要保持电阻两端电压不变，图甲中可以不用连接滑动变阻器和电压表。他们按照提议分别将三只电阻由小到大连入电路。闭合开关后，读出电流表示数分别为 0.42A、0.24A、0.13A，发现无法验证中的规律。于是，他们计划仍按图甲进行探究，分析测量数据后，选定准备加在电阻两端的电压值 U。为确保完成验证，则这个电压值 U 的范围为。A.1.5V U 3VB.1.3V U 2.1VC.1.3V U 2.6V D.2.1V U 2.6V对此题解答的过程中发现，当接入电路的定值电阻阻值分别为 5、10、20 时，两端的电压分别为 2.1V、2.4V、2.6V，无法保持导体两端电压一定的前提条件。这是因为干电池电源具有一定的内阻，内电阻的分压导致电源输出的路端电压发生变化。而在初中教学范围内，电源是没有内阻的理想模型，因此想要解答这道题，学生必须要对电源内阻这一“超纲”内容有所了解。（二）（无锡市 2017 年中考物理试卷第 26 题，有删减）小明和小华测量定额电压为 2.5 V 的小灯泡的额定功率，如图2 所示：图 2小明和小华观察电流表和电压表均标有电阻值，请教老师后得知这是电表的电阻，为了在接好的图甲中较准确地测量出小灯泡的电功率，他们对电压表的负接线柱应该接在 C56美眉 2023.07 下教研与美育教学研究处还是 D 处进行了探究，他们将开关闭合，移动滑动变阻器的滑片灯泡便发光，不添加器材。请你说出接下来的操作及判断方法。操作：如何判断：将电压表的负接线柱分别接在 C 处和 D 处，影响的是电流表和电压表对测量灯的电流和电压的分流分压效果。在此题的情境中，电流表和电压表都不是理想模型，它们都是遵从串并联规律的电阻。学生解答本题需要对电流表分压以及电压表分流具有一定的理解，并懂得如何判断到底是电流表分压作用大，还是电压表分流作用大。初中教学范围内，电压表和电流表都是没有电阻的理想模型，也没有分压分流的电路模型，本题对于学生的考查深度超出了考纲的要求。由此引发笔者的思考：中考题中接连出现了内阻问题，超出了一般的中考范围。中考是初中和高中的对接，目的是选拔优秀的学生进入高中，那么在平时的教学中，需要对学生教授多少超出范围的内容，才更好与高中衔接，满足中考的要求？二、初中、高中物理电路元件内阻的衔接概况以及差异无锡地区初中采用苏科版教材，高中采用人教版教材，因此本文选用义务教育教科书 物理（苏科版）（九年级上册）第十四章欧姆定律及普通高中课程标准实验教科书物理 3第十一章电路及其应用作为分析材料，探究如何做好电路内阻教学的衔接。（一）学情分析初中学生平时生活中接触过大量电子产品，但是在学习物理电学之前从未接触过电路的原理，对他们而言，学习电路是在学习全新的概念。通过类比，学生能够理解“导体对于电流具有阻碍作用”，也能够理解“电流为了克服电阻的阻碍做功，导致电阻发热”，在此基础上，实验时让学生关注电源发热的现象，可以让学生迁移理解“电源内部也存在电阻”，由此引出“一切电路元件都具有一定的阻值”，让学生明白电压表、电流表也具有一定阻值，会对电路造成影响。但是初中学生才学习到欧姆定律，吸收尚要一定的时间，并且初中学生能量观念尚未完全形成，对于微观世界了解不够深入，让学生从微观视角、功能转换角度理解电源、电表内阻较为困难。对于高中学生，由于实际情况中内阻不可避免，他们应当在题目或者实验中多次遇到需要把内阻考虑进来的情况，内阻概念对于他们而言呼之欲出。对于内阻，他们应当有一个模糊的概念模型，只需教师加以提炼，点明电路元件都有内阻即可。学生在学习电路之前学习过微观电子，也具备了初步的能量观，能够从多个角度理解电路元件的内阻。（二）教材内容初中物理教材对于电阻的介绍分布于第十四章“欧姆定律”，分别介绍了电阻是什么（概念、性能）、电阻如何影响电路（变阻器）、电阻与电流电压的关系（欧姆定律及应用），从纯电阻电路出发，将电源、电流表、电压表视为理想模型，不考虑其对纯电阻的分流和分压。而对于电源、电流表和电压表，教材于“电路初探”一章内强调其供电、测量的作用，并未提及其内阻。教材有大量图片和实验，贴近生活实际，文字占比较少，让学生通过类比、实验、观察的方法理解电路的概念，总结出理想模型纯电阻电路中的欧姆定律，规律较为浅显，通俗易懂。高中物理教材内容复杂，知识点多。对于电阻的介绍分布于“电路及其应用”“电能 能量守恒定律”两章内，从 U-I图像出发给出电阻的定义，由串并联电路结构引出电流表、电压表的内部结构并给出表头电阻，从内外电路的功能转化角度给出电源内电阻，由此引出闭合电路的欧姆定律。教材从电路构造角度出发，结合微观电子和功能转化两个角度，解释电路元件结构。高中物理教材文字篇幅长，每个知识点都用了长短文字加以叙述解释，描述方式复杂，强调推理探究，更注重物理本质。（三）知识之间的串联结构将初中电路知识点串联，如图 3 所示：图 3可以看出，初中的知识结构体系较为简单，对于电流、电压、电阻之间，也仅仅通过纯电阻电路的欧姆定律串联。将高中电学知识点串联，如图 4 所示：图 4可以看出，高中知识点数量明显增加，知识之间的串联57美眉 2023.07 下教研与美育教学研究结构更加复杂、彼此嵌套。电源内阻牵涉电动势、路端电压和负载的关系，电表内阻牵涉分压电路和限流电路，共同体现在实验电池电动势和内阻的测量上。（四）教学方式初中教学阶段，考虑到大多数学生的逻辑思维能力不足，多采用类比、观察的方法，实验常常使用干电池电源，电动势较小，电流表和电压表的分压分流效果较小，不宜观察得出。高中阶段更多从理论出发，强调探究过程与物理本质，从电路直接推算电源电表内电阻分压、限流情况，对于学生而言较难理解整个电路变化过程。三、从物理学科核心素养角度分析初、高中物理教材中内阻的教学目标（表 1）四、初中物理电路内阻的教学建议（一）简化知识模型对于初中学生，要做到的仅仅是知道电源有内阻，电路接通后要分掉部分电压，外面电阻越大，输出电压越大；知道理想状态下电流表无电阻，相当于导线，电压表电阻极大，几乎没有电流通过，但是事实非理想，实际情况下电流表有一定电阻，会分掉部分电压，电压表会有微小电流通过，导致电流分流，这些都会对定值电阻两端电压和通过电流造成影响，导致了伏安法测电阻时的内接法电阻偏大，外接法电阻偏小。学生不需要知道微观状态下电子定向移动形成电流，不需要知道电路形成的动态过程，不需要知道闭合电路的欧姆定律，这些复杂概念的引入可能会导致初接触电路的学生概念混淆。因此在教学过程中，教师应当注意，只要教授学生电源和电表都具有内阻，从初中电路结构出发解决问题。（二）用问题引发思考对初中学生进行电源、电表内部的内阻教学，往往安排在“欧姆定律的应用”这一节中。此节经常以习题课的形式出现，用习题的方式让学生熟悉欧姆定律的计算与应用。电源、电表内阻若作为新授课教学，可能会加重学生心理负担，因此可以选用包含内阻的实验题作为突破口，用“欧姆表测电阻”“特殊法测电阻”的实验题，引发学生的思考，加以演示实验或者学生动手实验，让学生感受理想模型和实际实验之间的不同，引发认知冲突，从而引出电源、电表内阻的概念。（三）等效替代思想将有内电阻的电源（电流表）等效替代为一个定值电阻和理想电源（电流表）的串联，有内电阻的电压表等效替代为一个定值电阻和理想电压表的并联，可以使有内阻的电路元件拆成理想模型和纯电阻，成为初中生熟悉的串联电路和并联电路模型，有助于学生理解。参考文献：1 吉临荣.电流表外接法和内接法选择的深度分析 J.物理教师,2019,40(01):90-92.2 卢义刚,殷正徐,程万美.基于初高中衔接的初中物理教学案例如何向初中学生解释与“电源内阻”有关的问题 J.物理教师,2016,37(09):32-34.3徐静.初、高中物理教学衔接案例研究以“摩擦力”为例 J.物理教师 2021,42(09):33-35+40.4 唐艳红,赵振宇.浅析核心素养视域下初高中物理教学衔接以初中“探究电流跟电阻、电压的关系”教学设计为例 J.中学物理,2018,36(16):33-34.5 邢海根.初高中物理衔接教学课例伏安法测电阻J.中学物理 2015,33(08):29-30.表 1素养类别初中物理教学目标高中物理教学目标物理观念1.知道什么是电源、电流、电阻；2.知道电流表、电压表的用途；3.理解欧姆定律，会应用欧姆定律进行简单计算。1.知道电源的电动势和内阻；2.理解内、外电路的电势降落，理解闭合电路欧姆定律；3.理解分压电路的基本原理，知道电流表、电压表的基本结构；理解电表的分压分流。科学思维1.经历探究通过导体的电流与电压、电阻的关系，学会通过控制变量探究影响因素的方法。1.经历根据电流、电压关系和欧姆定律推导串、并联电路的电阻关系的过程，理解串、并联电路的电阻关系，迁移到电表表头电阻对电路的影响，体会思维的迁移；2.学会运用等效替代的思想对电源、电流表、电压表内阻进行分析。科学探究1.掌握电学实验的初步技能；2.学会使用控制变量法探究电阻与电流、电压的关系，能够进行动手实验。1.经历探究导体电压和电流的过程，体会通过 U-I 图像处理分析实验数据、总结实验规律的方法，体会实验探究和逻辑推理都是重要的科学探究方法；2.掌握利用分压电路改变电压的基本技能。科学态度与责任1.了解电路内的能量转化，初步形成守恒的能量观；2.形成严谨求知、实事求是的科学态度；3.培养对动手试验的积极态度。1.通过对比理想模型和实际实验之间的差异，培养仔细观察、真实记录的良好习惯，形成实事求是的品质；2.了解电路中能量的转化与守恒，形成严谨的能量观。