素養導向下學生實驗電源電壓的合理設置

摘 要：以蘇科版物理九年級上冊“設計和制作一個模擬的調光燈”為例，分析教材與日常教學經驗不符的電壓設置原因，闡述相關學生實驗電壓合理設置的優勢和必要性，深度挖掘教材設計蘊含的素養導向。

關鍵詞：綜合實踐活動；素養；電源電壓；真實問題

在蘇科版物理九年級上冊“第十四章 歐姆定律”中綜合實踐活動“設計和制作一個模擬的調光燈”實驗器材板塊，教材編者在直流電源后用括號備注的方式強調電源最低電壓約9V。然而在一線教學的實際操作環節中，教師往往選用兩節干電池（電壓3V）或三節干電池（電壓4.5V）作為該活動中電路設計的電源，研讀教材和教師教學用書，教材編者并沒有對此處的設置加以說明。本文從教學實踐的角度剖析編者的設計意圖，并為本節課的教學設計提供新的思路。

1 教材內容研讀

1.1 實驗器材

直流電源（最低電壓約9V）、小燈泡（2.5V 0.3A）、燈座、開關、各種鉛筆、導線、金屬回形針、各種規格的定值電阻（可通過的電流不低于0.3A）、電流表（量程為0～0.6A和0～3A）、電壓表（量程為0～3V和0～15V）、各種工藝材料和工具，也可以自選你認為合適的器材。

1.2 要求

（1）調光燈的亮度能夠連續調節。

（2）注意安全，在調節過程中要避免燒壞小燈泡。

（3）制作的調光燈要牢固、美觀。

1.3 思考與制作

（1）你設計的電路有哪些功能？

（2）在虛線框內畫出電路圖。

（3）你的安全保護措施有哪些？為什么這些措施能起到保護作用？

（4）你是怎樣調節電流大小的？你選擇了什么樣的材料做變阻器？為什么？

（5）你怎樣確定電路中一些器件的規格？請說說你的理由。

（6）分組討論設計方案，準備和制作要合理分工。

1.4 交流與評價

寫出實驗報告和體會，并在全班交流，進行自我評價和相互評價。［1］

2 素養導向下的學習目標分析

本節課是蘇科版物理九年級上冊第十四章“歐姆定律”的綜合實踐活動。學生在學習了第十三章“電路初探”及第十四章“歐姆定律”后，初步掌握了電路的基本知識、電流表和電壓表的使用、電阻和變阻器的原理及歐姆定律的應用。

《義務教育物理課程標準（2022年版）》中提到物理學科核心素養包含物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個維度。具體來說是指“學生通過課程學習逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力”。在本節綜合實踐活動課中，學生需要在教師的引導下，自主實踐，完成以下學習目標。

第一，對市場上現有的調光燈產品進行調研，了解用戶對調光燈產品的具體需求。

第二，運用已經學習的電路基本結構和歐姆定律的知識，自行設計電路。

第三，在電路設計過程中，牢固樹立安全用電的意識，培養動手能力和審美能力。

3 電源電壓不小于9V的設計意圖

3.1 培養學生安全用電的意識

本活動中使用的小燈泡規格為“2.5V 0.3A”，若使用兩節干電池（3V）作為直流電源，當將滑動變阻器的滑片移至阻值為0處時，理論上說，小燈泡兩端的電壓等于電源電壓，超過其額定電壓，小燈泡將過載，長時間使用，燈絲會被燒斷，電路圖如圖1所示。

經過測試，真實情境下，考慮導線及電路其他各部分的電阻，小燈泡兩端的電壓并不等于電源電壓，實際測量結果為2V，小于小燈泡的額定電壓，即使不為此電路設計保護措施，小燈泡也不會過載，保護措施似乎不是必須的。學生在此情況下非常容易忽略電路安全的考量，無法養成良好的用電習慣，不利于學科素養的養成。

相反，按照教材的設計，我們使用最低電壓約9V（6節干電池）的直流電源，同樣將滑動變阻器的滑片移至阻值為0處，在開關閉合的瞬間，小燈泡劇烈發光后熄滅，此后不論如何移動滑動變阻器的滑片，小燈泡都不能夠繼續發光。學生會在驚呼中反思：小燈泡熄滅的原因是小燈泡兩端的電壓太大，超過其額定值，在電路設計的過程中，保護措施是必不可少的。電路安全的意識在課堂上失敗的實驗經歷中得到強化。電源電壓的設定為電路引入保護措施提供了現實必要性，也讓課堂上學生的思維得到進階。

3.2 保證變阻器能夠起到明顯的調光作用

根據電路設計，調光燈電路通過調節滑動變阻器（2A 20Ω）實現調光功能，當電源電壓較小時（以兩節干電池3V為例），滑動變阻器的滑片從阻值最大處移動到阻值為0處，小燈泡兩端的電壓由0.4V增大至2V，電壓表的示數發生了較明顯的變化。但是隨著滑動變阻器滑片的移動，肉眼只能觀察到小燈泡的亮度從完全不發光變為發出微弱的光，調光的效果很不明顯。

分析產生這一現象的原因可知：小燈泡的亮度變化不明顯源于其兩端的電壓變化跨度不夠大。如果增大該實驗電路的電源電壓，就可以保證小燈泡兩端的電壓在特定情況下達到其額定電壓2.5V，小燈泡的亮度可以通過滑動變阻器的調節發生較明顯的變化。

3.3 引入保護電阻，為歐姆定律的運用提供可能

將電源電壓從3V變為9V后，學生通過初步嘗試，在安全用電意識的指導下，明確不能將小燈泡直接連接在電源兩端。滑動變阻器（最大阻值為20Ω）與小燈泡串聯后，滑動變阻器的滑片移至阻值最大處時，小燈泡兩端的電壓為1.7V，低于小燈泡的額定電壓，電路是安全的。此時，學生會設計出第一種保護電路的方案：移動滑動變阻器的滑片，減小滑動變阻器連入電路中的阻值，電路中電流增大，小燈泡兩端的電壓也增大。當小燈泡兩端的電壓增大至額定電壓 2.5V時，記錄下滑動變阻器滑片所在的位置并在此處安裝“限位器”，保證調節燈光亮暗的過程中，不論滑動變阻器的滑片如何移動，小燈泡兩端的電壓都不會超過其額定電壓。

從實驗原理的角度來看，該設計方案并不存在明顯的缺陷，但在嘗試連接電路并操作后會發現：滑動變阻器的滑片僅向左移動一小段距離，小燈泡兩端的電壓就已經達到2.5V，實驗現象如圖2所示。滑動變阻器的滑片只能在右側很小的一段區間內移動，操作不便且不符合調光燈的實際使用需求。對實驗電路進一步分析可知：由于電源電壓增大，滑動變阻器的大部分阻值需要承擔與小燈泡“分壓”的職能以保證小燈泡兩端的電壓不會超過額定電壓2.5V，那么留給滑動變阻器用來調節小燈泡燈光亮度的阻值范圍就很小了。［2］

至此，學生自然而然地會想到增加一個“保護電阻”來起到保護電路以及與小燈泡“分壓”的功能，將電路中滑動變阻器的阻值“釋放”出來全部用來改變電路中的電流，起到調節小燈泡亮度的功能。那么保護電阻的阻值需要多大呢？需要學生運用歐姆定

律進行計算，計算過程如下：

U保＝U電－U額＝9V－2.5V＝6.5V，

R保＝

U保I保

＝

U保I額

＝6.5V0.3A

≈21.7Ω。

在電路中串聯一個不小于21.7Ω的定值電阻后，滑動變阻器的滑片將可以自由地從最右端移動到最左端，小燈泡兩端的電壓變化范圍增大，滑動變阻器的全部阻值區間都可以被用來調節燈泡的亮度，實驗效果更好也更接近產品實際。

4 思考

4.1 仔細研讀教材，關注課本細節

教師在備課時，應當更加專注于課本的細節，避免忽視課本中的小字說明及括號備注等內容。這些細節處的特殊強調無一不體現著教材編寫者對作為課程實施主體的一線教師的指導。特殊說明的部分一定存在著特殊的用意，這些細節都是值得教師們在教學實踐中好好斟酌與研究的。

4.2 摒棄經驗主義，激發學生思維

針對本節課的設計，大數是教師在操作時仍然使用3V或4.5V的電源電壓，很大一部分原因是基于自身多年的教學經驗。小電壓的電源已經能夠完成模擬調光燈的設計，保證了整個實驗操作過程中不會出現燈泡被燒壞的情況，2節干電池也比6節干電池操作起來更加方便。從完成教學任務和操作簡便的角度來看，這樣做無可厚非。

然而從激發學生思維和培養核心素養的角度來看，由6節干電池組成的9V直流電源雖然增加了實驗準備階段的工作量，但是初次嘗試過程中被燒壞的小燈泡為學生們上了一節生動的“安全用電課”，這份寶貴的學習經驗有其不可替代的價值。這份探索中安全用電意識的自然生成過程可遇不可求，如果教師憑借經驗選用了小電壓電源進行實驗，學生將失去寶貴的體驗機會。

4.3 教學設計中的小變化有大作用

遵循教材的提示，將直流電源的電壓由3V增加到9V，這一看似微小的改變對整個教學流程的推動起到了決定性的作用，［3］讓教學的過程得到了升華。電壓值的變化使得一個又一個真實問題在學生設計電路的過程中接踵而來。解決了這些問題，學生的素養便得到了大幅提升，知識便得到了靈活的運用。宏觀上來看，這些問題的產生并不是教師預設的，但是這些問題的解決是符合教師預期的，電源電壓的變化起到了四兩撥千斤的效果，串聯起整節課的教學邏輯和脈絡，引領著課堂的走向。

參考文獻

［1］ 劉炳昇，李容.義務教育教科書 物理 九年級 上冊［M］.南京：江蘇鳳凰科學技術出版社， 2013：105.

［2］ 魯佩用，夏文彬.基于項目學習開展初中物理綜合實踐活動——以“設計和制作一個模擬的調光燈”教學為例［J］.物理教師，2021，42（10）：47-49.

［3］ 程榮貴.基于問題解決的物理教學設計探討——以“設計和制作一個模擬的調光燈”為例［J］.物理之友，2019，35（2）：12-13，16.