基于學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的教學(xué)設(shè)計(jì)探討①
——以“變阻器”教學(xué)為例

(江蘇省南京市第27中學(xué),江蘇 南京 210022)

1 引言

科學(xué)思維是具有意識(shí)的人腦對(duì)科學(xué)事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及事物間的相互聯(lián)系和關(guān)系的間接與概括的反映，是物理核心素養(yǎng)的要素之一。筆者在準(zhǔn)備蘇科版物理第十四章第二節(jié)“變阻器”教學(xué)時(shí)，思考如何發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的問(wèn)題。一是將教學(xué)目標(biāo)定位在“一個(gè)器材，三個(gè)方面”，以原理為根本、使用為關(guān)鍵，而這些與變阻器結(jié)構(gòu)緊密相連；二是有意識(shí)地為學(xué)生創(chuàng)設(shè)實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 創(chuàng)設(shè)新奇情境，構(gòu)建“變阻”模型

圖1

師：在生活中，人們喜歡用變幻的燈光來(lái)營(yíng)造氣氛。今天，老師給大家現(xiàn)場(chǎng)演示調(diào)光燈魔盒，不過(guò)我是用這根神奇的“魔法棒”(金屬棒)在紅紙里面向左移動(dòng)、向右移動(dòng)(如圖1)，此時(shí)亮出問(wèn)題1：你看到了什么現(xiàn)象？“魔法棒”的移動(dòng)改變了電路中的什么物理量？

在這個(gè)環(huán)節(jié)中，演示的重點(diǎn)放在“變”上面，燈的亮度發(fā)生了變化，原因何在？學(xué)生能很快說(shuō)出電阻改變了，進(jìn)入主題——變阻器。

有真實(shí)的演示情境為鋪墊，亮出問(wèn)題2：從具有可操作性的角度去思考，要改變電阻大小，只要改變影響電阻大小的哪個(gè)因素(材料、長(zhǎng)度、橫截面積、溫度)？

說(shuō)明：4個(gè)因素以選擇的方式呈現(xiàn)，有助于學(xué)生快而準(zhǔn)地選出最具有可操作性的方案。從而為“活動(dòng)一：用鉛筆芯改變電路中的電流”做好鋪墊，通過(guò)改變接入電路中鉛筆芯的長(zhǎng)度來(lái)改變電阻。

2.2 巧設(shè)實(shí)踐活動(dòng)，構(gòu)建變阻器結(jié)構(gòu)模型

2.2.1 活動(dòng)一：用鉛筆芯改變電路中的電流

在匯報(bào)中，關(guān)注學(xué)生活動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，如鱷魚夾在鉛筆芯上滑動(dòng)時(shí)會(huì)卡、鉛筆芯容易斷、燈泡的亮度變化不明顯等，亮出問(wèn)題3：若要使得電阻的變化范圍更大一些，操作更方便些，你認(rèn)為應(yīng)當(dāng)怎樣改進(jìn)？

(1) 關(guān)注電阻的“變化范圍”。如一根鉛筆芯，全部長(zhǎng)度接入電路中時(shí)，電阻是最大的，而鉛筆芯容易斷，在使用中的最大電阻值不一定能得到保證，而更長(zhǎng)的鉛筆芯不方便獲得，在此基礎(chǔ)上，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，能夠提出新穎的和有價(jià)值的想法并付諸行動(dòng)。如學(xué)生會(huì)提議換成金屬絲，那是不是隨便什么金屬絲都可以呢？可以現(xiàn)場(chǎng)用一根鐵絲接在電路中試試，發(fā)現(xiàn)燈泡亮度幾乎沒(méi)有變化。老師再提供材料信息，學(xué)生優(yōu)選出電阻率比較大的鎳鉻合金絲。這時(shí)明確變阻器的原理：改變接入電路中電阻絲的長(zhǎng)度，以改變電阻。

(2) 關(guān)注“操作”。給出一根3米左右的鎳鉻合金線，方便操作嗎？從節(jié)約空間的角度引導(dǎo)采用化直為曲的方法來(lái)解決。而如何由一根電阻絲到兩根的轉(zhuǎn)變，可以引導(dǎo)學(xué)生觀察窗簾的導(dǎo)軌，引出能不能給鱷魚夾一個(gè)移動(dòng)的軌道，由此引出金屬桿，如鐵絲對(duì)電路幾乎沒(méi)有影響。

在討論的基礎(chǔ)上揭秘魔箱：掀開障礙物，展示老師自制的如圖2所示的滑動(dòng)變阻器。

圖2

圖3

2.2.2 活動(dòng)二：自制滑動(dòng)變阻器

學(xué)生參照老師的制作，自己利用器材制作滑動(dòng)變阻器(如圖3)。

教師自制的器材示范在先，提供常見(jiàn)的泡沫塊、鐵絲、回形針等材料，再讓學(xué)生自己動(dòng)手組裝，要容易一些。學(xué)生在活動(dòng)中，認(rèn)清裝置中電阻絲、金屬桿、滑片等組成要素，當(dāng)發(fā)現(xiàn)可以把鐵絲、木棒插入泡沫中從而解放雙手時(shí)，感到非常興奮，而在實(shí)踐檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：在電路中應(yīng)用自己制作的變阻器，真能方便改變電路中的電流，更是有滿滿的成就感。

此時(shí)，對(duì)照學(xué)生自制的改進(jìn)版滑動(dòng)變阻器(如圖4)，亮出問(wèn)題4：你能為你組裝的裝置畫一個(gè)結(jié)構(gòu)示意圖嗎？試一試！

圖4

在這個(gè)環(huán)節(jié)中，由直觀的裝置到抽象的示意圖，建構(gòu)的過(guò)程水到渠成，不少學(xué)生很快就畫出來(lái)了(如圖5)。一學(xué)生解釋道：“因?yàn)槔@制的電阻絲很長(zhǎng)，我選用波浪線來(lái)表示；而鐵絲就是個(gè)軌道，就用直線表示；回形針是圓的，我就用個(gè)圓圈來(lái)表示；泡沫是支架，就用最穩(wěn)定的三角形來(lái)表示。”學(xué)生關(guān)于滑動(dòng)變阻器的結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)已然到位，當(dāng)學(xué)生看到物理教材中采用的如圖6所示的更簡(jiǎn)潔的示意圖時(shí)，一方面為自己很接近的構(gòu)圖而感到高興，一方面又感受到了物理的簡(jiǎn)潔美。

圖5

圖6

2.3 增設(shè)理論探討，發(fā)展邏輯思維

這時(shí)請(qǐng)學(xué)生拿出事先放在抽屜中的實(shí)驗(yàn)室用滑動(dòng)變阻器成品。在快速認(rèn)識(shí)各部分名稱后亮出問(wèn)題5：你認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室用的滑動(dòng)變阻器，其銘牌為我們提供了哪些信息？

滑動(dòng)變阻器的銘牌上有“20/2”字樣(如圖7)，給學(xué)生的思維留有空間。一學(xué)生在課堂上回答為電阻的變化范圍為“2Ω—20Ω”，“這樣的答案你們認(rèn)同嗎？”老師將這樣的問(wèn)題拋給學(xué)生，馬上就有學(xué)生站起來(lái)，“最大阻值為20Ω沒(méi)問(wèn)題，但最小值可以更小，當(dāng)接入電路中電阻絲的長(zhǎng)度為0時(shí)，不就是0Ω嘛。”其他同學(xué)給出了會(huì)心的掌聲。那“2”表示的是什么呢？大部分的同學(xué)都認(rèn)同是2A，認(rèn)為告知的是最大電流為2A，超過(guò)了會(huì)損壞電阻絲。

圖7

圖8

再亮出問(wèn)題6：你能根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，選擇正確的接線柱接入電路中嗎？安排活動(dòng)三：練習(xí)使用滑動(dòng)變阻器，要求：閉合開關(guān)后，滑片向右移動(dòng)時(shí)，燈泡變亮。

在理論探究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，檢查學(xué)生能否按照實(shí)驗(yàn)的要求，正確選擇滑動(dòng)變阻器的接線柱，很好地解決滑動(dòng)變阻器的使用。這一切，都是在對(duì)滑動(dòng)變阻器結(jié)構(gòu)相當(dāng)熟悉的基礎(chǔ)上得以實(shí)現(xiàn)的。

2.4 演示創(chuàng)新器材，實(shí)驗(yàn)畫龍點(diǎn)睛

最后做演示實(shí)驗(yàn)：會(huì)“反饋”的滑動(dòng)變阻器。利用涂刷33℃黑色的變色油墨的滑動(dòng)變阻器，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)滑動(dòng)變阻器使用的掌握情況。原理是，當(dāng)接通電路時(shí)，由于電流的熱效應(yīng)，實(shí)際接入電路中的電阻絲發(fā)熱，當(dāng)溫度高于33℃時(shí)，原先黑色的變色油墨會(huì)變?yōu)榘咨鴽](méi)有接入電路中的電阻絲還是保持原來(lái)的黑色(如圖8)。會(huì)“反饋”的滑動(dòng)變阻器讓學(xué)生印象深刻，會(huì)進(jìn)一步地助力學(xué)生科學(xué)思維能力的提升。

3 結(jié)語(yǔ)

筆者通過(guò)建構(gòu)滑動(dòng)變阻器的“結(jié)構(gòu)”模型為突破點(diǎn)，以動(dòng)手實(shí)驗(yàn)為抓手，利用6個(gè)引領(lǐng)學(xué)生思維的問(wèn)題為載體進(jìn)行教學(xué)，以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡衛(wèi)平.物理學(xué)科核心素養(yǎng)的建構(gòu)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2017,48(7).

[2] 張洪明，謝昕羽.自制變色滑動(dòng)變阻器[J].物理實(shí)驗(yàn)，2015，35(1).