在初中物理綜合實踐活動中滲透工程教育①——以“設(shè)計簡單電路”為例

(江蘇省蘇州陽山實驗中學(xué)，江蘇 蘇州 215151)

1 問題的提出

工程是將自然科學(xué)理論應(yīng)用到具體問題解決中的過程。在基礎(chǔ)教育中應(yīng)滲透工程教育，可讓學(xué)生感受工程實施的基本環(huán)節(jié)：需求分析、產(chǎn)品設(shè)計、模型制作、測試改進。

蘇科版初中物理教材在部分章的最后設(shè)有綜合實踐活動，針對被目前我國基礎(chǔ)教育過分強調(diào)分科而忽略綜合的現(xiàn)狀，率先引入該項活動。其目的不僅是復(fù)習(xí)本章的知識，更是綜合應(yīng)用跨學(xué)科知識解決實際問題，是在物理教學(xué)中滲透工程教育的良好素材。筆者以“設(shè)計簡單電路”為例，探討滲透工程教育的教學(xué)設(shè)計。

2 在綜合實踐活動中滲透工程教育的教學(xué)設(shè)計與實施

2．1 教學(xué)目標(biāo)

“設(shè)計簡單電路”是《電路初探》一章的綜合實踐活動，可為后面學(xué)習(xí)歐姆定律奠定基礎(chǔ)，主要安排了“病房呼叫系統(tǒng)”“樓梯燈”等項目，其教學(xué)目標(biāo)為：

(1)通過具體項目的實施，了解工程實施的一般環(huán)節(jié)：需求分析、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造、測試改進，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)；

(2)通過工程需求分析，提高學(xué)生的建模能力；

(3)通過工程設(shè)計過程，提高學(xué)生的電路設(shè)計能力；

(4)通過作品測試，提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。

2.2．1 設(shè)計一個病房呼叫模擬系統(tǒng)

(1)需求分析

教師播放醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng)的視頻，提問：病人對該病房呼叫系統(tǒng)的要求是什么？護士對該系統(tǒng)的要求是什么？他們?nèi)绾尾僮鳎?/p>

生：病人按了按鈕后，要求護士站喇叭會響；護士要通過看工作屏上的指示燈，找到正在呼叫的床位。

教師追問：要實現(xiàn)該系統(tǒng)功能，需要哪些電學(xué)元件？

生：按鈕是開關(guān)，一個床位需要一個開關(guān)和對應(yīng)的指示燈，另外還需要電鈴、電源、導(dǎo)線等。

(2)產(chǎn)品設(shè)計

師：如果醫(yī)院里只有一張床位，電路如何設(shè)計？

學(xué)生設(shè)計電路圖，先小組討論，然后師生交流，提出了兩種方案：一是燈泡和電鈴并聯(lián)，開關(guān)在干路上；二是燈泡、電鈴、開關(guān)串聯(lián)。筆者沒有否定任何一種方案，因為它們都符合要求。

師：如果醫(yī)院里有兩張床位，電路應(yīng)如何設(shè)計？

學(xué)生再進行設(shè)計、交流，也提出了兩種方案：一是第一張病床的電路中開關(guān)、燈、鈴串聯(lián)，再與第二張病床的電路并聯(lián)；二是第一張病床的電路中的開關(guān)、燈串聯(lián)，再與第二張病床的電路并聯(lián)，將一只電鈴放在干路中。通過比較分析，大家一致認為第二種方案較好。

(3)生產(chǎn)制造

師：根據(jù)第二種設(shè)計方案，將講臺作為護士站，每組(共6個組)的課桌作為一張病床，講臺上放有電源、蜂鳴器、6個燈泡(3個LED燈，3個普通鎢絲燈泡)，給每組提供開關(guān)、雙芯電線等，請大家將其連好。

學(xué)生都非常投入，但不少小組遇到了技術(shù)問題：活動中會用到雙芯電線、開關(guān)、電源、燈泡、電鈴、短導(dǎo)線，如何使之構(gòu)成閉合電路?最終通過小組互助解決了問題，連好了電路(圖1)。

圖1

(4)測試改進

筆者準(zhǔn)備的燈泡中有3只LED燈，還故意放了3只普通小燈泡，在測試中發(fā)現(xiàn)：閉合開關(guān)時3只LED燈出現(xiàn)了預(yù)料的結(jié)果，燈亮、鈴響，而使用普通小燈泡的3組都出現(xiàn)了只有鈴響、但燈不亮的現(xiàn)象。面對這個現(xiàn)象，讓學(xué)生思考：可能是什么原因造成的？有的學(xué)生說是燈斷路，但很快被同伴否定了，因為與燈泡串聯(lián)的蜂鳴器能響。有的學(xué)生說是燈泡短路，但將燈泡單獨接在電源上時燈泡能亮，說明燈泡也沒有故障。這時，筆者說：“等大家學(xué)完下一章歐姆定律后，謎底就能解開了。”

(5)點評

在教學(xué)中選用了工作電壓變化范圍較大的蜂鳴器的原因是由于各燈間是并聯(lián)的，當(dāng)有多張床位的開關(guān)同時閉合時，燈的總電阻將會變小，蜂鳴器將會分到更多的電壓，所以一定會響。但當(dāng)多組開關(guān)閉合時，LED燈的亮度將會變暗，普通的鎢絲燈泡甚至不亮，這給學(xué)生更多的實際體驗，根據(jù)學(xué)生現(xiàn)有知識水平，他們認為兩種燈通電時都能亮，但不知道電阻的區(qū)別，這激發(fā)了學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)歐姆定律的興趣。

2.2．2 樓梯開關(guān)系統(tǒng)

(1)需求分析

在新授課的教學(xué)中，例題的講解至關(guān)重要，有助于學(xué)生完善解題步驟，規(guī)范答題，本文例題中的題目，為預(yù)習(xí)提綱中思維延伸的題目.教師帶領(lǐng)學(xué)生一同做題，總結(jié)解題步驟與方法.

教師播放樓梯燈的視頻，提問：用戶在黑暗的環(huán)境下上樓的要求是什么？下樓的要求又是什么？

生：樓梯燈可以在樓下開，也可以在樓上開，同樣樓上、樓下關(guān)燈都可以。

師：要實現(xiàn)該功能，需要哪些電學(xué)元件？

生：需要兩只開關(guān)、一只燈泡、電源、導(dǎo)線等。

(2)產(chǎn)品設(shè)計

先讓學(xué)生嘗試設(shè)計電路，然后師生交流，他們提出了如圖2所示的兩種方案：前者只有當(dāng)燈亮?xí)r，樓上、樓下才都能關(guān)燈，但燈亮?xí)r需要兩個開關(guān)都閉合；后者只有當(dāng)燈熄滅時，樓上、樓下才都能開燈，但關(guān)燈時需要兩個開關(guān)都斷開。以上兩種方案都不能實現(xiàn)樓梯燈的功能，學(xué)生感到很困惑。

圖2

筆者采用兩根不同顏色的鐵棒自制教具，介紹樓梯燈電路的原理、單刀雙擲開關(guān)模型及電路符號(圖3)。

圖3

學(xué)生又設(shè)計了如圖4所示的電路，師生交流。

圖4

(3)生產(chǎn)制造

筆者提供了一個樓梯燈的簡易模型(圖5)，用學(xué)校廢舊的宣傳板作為“墻外側(cè)”，在“墻外側(cè)”用記號筆畫上樓梯，分別在樓梯下方和樓梯上方開孔，將兩只單刀雙擲開關(guān)用雙面膠固定于孔上，開關(guān)面板露出墻外。樓梯中間再開一個小孔，方便裝進燈泡。在面板背面用雙面膠固定一個由兩節(jié)電池組成的電源。筆者先做好這些準(zhǔn)備工作，將連線的關(guān)鍵步驟留給學(xué)生。

圖5

由于學(xué)生對單刀雙擲開關(guān)不太熟悉，筆者先介紹這種開關(guān)：電流從L流入，開關(guān)的兩種狀態(tài)決定電流從L1或者L2流出。

學(xué)生面對真實情境，模擬安裝樓梯燈，雖然難度較大，不少小組第一次連接時失敗了，但筆者提供的低電壓條件允許學(xué)生失敗，學(xué)生可以不斷思考、嘗試。

(4)測試改進

學(xué)生先在小組內(nèi)進行電路連接、測試，然后在班上交流，有5個小組順利完成了任務(wù)，有一組沒有完成任務(wù)(圖6)，究其原因是他們沒有認真閱讀單刀雙擲開關(guān)的使用說明書，厘清其內(nèi)部的連線方式。此時，筆者強調(diào)：在生活中使用各種電器元件前一定要認真閱讀說明書，只要平時學(xué)習(xí)時能理解透相關(guān)原理，就能輕松地看懂這類說明書。

圖6

(5)點評

筆者在樓梯燈的教學(xué)環(huán)節(jié)中，不是先講授單刀雙擲開關(guān)，再設(shè)計樓梯燈電路圖，而是讓學(xué)生先嘗試設(shè)計電路，發(fā)現(xiàn)用現(xiàn)有知識無法解決問題，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的興趣。而對于單刀雙擲開關(guān)的學(xué)習(xí)，筆者用兩個不同顏色的金屬棒作為連接樓上樓下開關(guān)的導(dǎo)線，用鱷魚夾夾在不同金屬棒上表示開關(guān)處在不同狀態(tài)，上下兩個鱷魚夾若夾在同樣的金屬棒上，則樓梯燈亮，否則不亮。通過形象的情境模擬，建構(gòu)單刀雙擲開關(guān)的模型，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。

3 教學(xué)反思

(1)活動教學(xué)目標(biāo)的提煉不僅要從物理學(xué)科角度考慮，還要從學(xué)科綜合角度考慮，即本課不僅要復(fù)習(xí)串、并聯(lián)電路知識，提高學(xué)生的電路設(shè)計能力、抽象概括和建模能力，還要通過項目實施過程讓學(xué)生體會工程實施的一般步驟，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。

(2)工程教育要抓住課堂教學(xué)主陣地，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)，如對第一個項目筆者精心準(zhǔn)備器材、營造病房環(huán)境，讓學(xué)生很快就能“入戲”，設(shè)計、連接電路，使“病床”能呼叫“護士站”。再如在樓梯燈項目中，筆者課前先將“墻面”開孔，做好器材準(zhǔn)備等工作，在課堂上讓學(xué)生完成重要任務(wù)。

(3)在綜合實踐活動中要強調(diào)真項目、真探究。學(xué)生對完成一個有實際意義的真實項目有濃厚的興趣，“病房呼叫系統(tǒng)”比較復(fù)雜，但學(xué)生在教室中搭建了一個能實現(xiàn)該功能的系統(tǒng)，而且成本很低，在普通燈泡不亮、但鈴響的環(huán)節(jié)中，還進行了真實故障排除的探究過程，樓梯燈的安裝也是高仿真活動。

(4)在綜合實踐活動中要考慮學(xué)生安全問題。由于綜合實踐活動基于真實項目，不僅要對學(xué)生進行安全教育，提高其安全意識，還要讓學(xué)生在絕對安全的環(huán)境下進行活動。在本活動的兩個電路中，筆者都是采用低壓電源，保證了學(xué)生的安全，同時讓學(xué)生討論在220V的環(huán)境中安全連接樓梯燈的問題。

(5)在綜合實踐活動中要讓學(xué)生了解工程實施的步驟及意義。本活動的兩個項目都是以需求分析開始，意在讓學(xué)生說出電路系統(tǒng)的所有功能。在需求分析后再進行設(shè)計、生產(chǎn)制造、測試。每個步驟穩(wěn)步推進，若在后面階段才發(fā)現(xiàn)需求分析出錯或設(shè)計出錯，其工程實施成本將大幅度增加。