基于学生科学思维发展的教学设计探讨①——以“变阻器”教学为例

(江苏省南京市第27中学,江苏 南京 210022)

1 引言

科学思维是具有意识的人脑对科学事物的本质属性、内在规律及事物间的相互联系和关系的间接与概括的反映，是物理核心素养的要素之一。笔者在准备苏科版物理第十四章第二节“变阻器”教学时，思考如何发展学生科学思维的问题。一是将教学目标定位在“一个器材，三个方面”，以原理为根本、使用为关键，而这些与变阻器结构紧密相连；二是有意识地为学生创设实践的机会。

2 教学设计

2.1 创设新奇情境，构建“变阻”模型

图1

师：在生活中，人们喜欢用变幻的灯光来营造气氛。今天，老师给大家现场演示调光灯魔盒，不过我是用这根神奇的“魔法棒”(金属棒)在红纸里面向左移动、向右移动(如图1)，此时亮出问题1：你看到了什么现象？“魔法棒”的移动改变了电路中的什么物理量？

在这个环节中，演示的重点放在“变”上面，灯的亮度发生了变化，原因何在？学生能很快说出电阻改变了，进入主题——变阻器。

有真实的演示情境为铺垫，亮出问题2：从具有可操作性的角度去思考，要改变电阻大小，只要改变影响电阻大小的哪个因素(材料、长度、横截面积、温度)？

说明：4个因素以选择的方式呈现，有助于学生快而准地选出最具有可操作性的方案。从而为“活动一：用铅笔芯改变电路中的电流”做好铺垫，通过改变接入电路中铅笔芯的长度来改变电阻。

2.2 巧设实践活动，构建变阻器结构模型

2.2.1 活动一：用铅笔芯改变电路中的电流

在汇报中，关注学生活动时出现的问题，如鳄鱼夹在铅笔芯上滑动时会卡、铅笔芯容易断、灯泡的亮度变化不明显等，亮出问题3：若要使得电阻的变化范围更大一些，操作更方便些，你认为应当怎样改进？

(1) 关注电阻的“变化范围”。如一根铅笔芯，全部长度接入电路中时，电阻是最大的，而铅笔芯容易断，在使用中的最大电阻值不一定能得到保证，而更长的铅笔芯不方便获得，在此基础上，调动学生的积极性，能够提出新颖的和有价值的想法并付诸行动。如学生会提议换成金属丝，那是不是随便什么金属丝都可以呢？可以现场用一根铁丝接在电路中试试，发现灯泡亮度几乎没有变化。老师再提供材料信息，学生优选出电阻率比较大的镍铬合金丝。这时明确变阻器的原理：改变接入电路中电阻丝的长度，以改变电阻。

(2) 关注“操作”。给出一根3米左右的镍铬合金线，方便操作吗？从节约空间的角度引导采用化直为曲的方法来解决。而如何由一根电阻丝到两根的转变，可以引导学生观察窗帘的导轨，引出能不能给鳄鱼夹一个移动的轨道，由此引出金属杆，如铁丝对电路几乎没有影响。

在讨论的基础上揭秘魔箱：掀开障碍物，展示老师自制的如图2所示的滑动变阻器。

图2

图3

2.2.2 活动二：自制滑动变阻器

学生参照老师的制作，自己利用器材制作滑动变阻器(如图3)。

教师自制的器材示范在先，提供常见的泡沫块、铁丝、回形针等材料，再让学生自己动手组装，要容易一些。学生在活动中，认清装置中电阻丝、金属杆、滑片等组成要素，当发现可以把铁丝、木棒插入泡沫中从而解放双手时，感到非常兴奋，而在实践检验中发现：在电路中应用自己制作的变阻器，真能方便改变电路中的电流，更是有满满的成就感。

此时，对照学生自制的改进版滑动变阻器(如图4)，亮出问题4：你能为你组装的装置画一个结构示意图吗？试一试！

图4

在这个环节中，由直观的装置到抽象的示意图，建构的过程水到渠成，不少学生很快就画出来了(如图5)。一学生解释道：“因为绕制的电阻丝很长，我选用波浪线来表示；而铁丝就是个轨道，就用直线表示；回形针是圆的，我就用个圆圈来表示；泡沫是支架，就用最稳定的三角形来表示。”学生关于滑动变阻器的结构模型建构已然到位，当学生看到物理教材中采用的如图6所示的更简洁的示意图时，一方面为自己很接近的构图而感到高兴，一方面又感受到了物理的简洁美。

图5

图6

2.3 增设理论探讨，发展逻辑思维

这时请学生拿出事先放在抽屉中的实验室用滑动变阻器成品。在快速认识各部分名称后亮出问题5：你认为实验室用的滑动变阻器，其铭牌为我们提供了哪些信息？

滑动变阻器的铭牌上有“20/2”字样(如图7)，给学生的思维留有空间。一学生在课堂上回答为电阻的变化范围为“2Ω—20Ω”，“这样的答案你们认同吗？”老师将这样的问题抛给学生，马上就有学生站起来，“最大阻值为20Ω没问题，但最小值可以更小，当接入电路中电阻丝的长度为0时，不就是0Ω嘛。”其他同学给出了会心的掌声。那“2”表示的是什么呢？大部分的同学都认同是2A，认为告知的是最大电流为2A，超过了会损坏电阻丝。

图7

图8

再亮出问题6：你能根据实验的要求，选择正确的接线柱接入电路中吗？安排活动三：练习使用滑动变阻器，要求：闭合开关后，滑片向右移动时，灯泡变亮。

在理论探究的基础上，进行实验探究，检查学生能否按照实验的要求，正确选择滑动变阻器的接线柱，很好地解决滑动变阻器的使用。这一切，都是在对滑动变阻器结构相当熟悉的基础上得以实现的。

2.4 演示创新器材，实验画龙点睛

最后做演示实验：会“反馈”的滑动变阻器。利用涂刷33℃黑色的变色油墨的滑动变阻器，检验学生对滑动变阻器使用的掌握情况。原理是，当接通电路时，由于电流的热效应，实际接入电路中的电阻丝发热，当温度高于33℃时，原先黑色的变色油墨会变为白色，而没有接入电路中的电阻丝还是保持原来的黑色(如图8)。会“反馈”的滑动变阻器让学生印象深刻，会进一步地助力学生科学思维能力的提升。

3 结语

笔者通过建构滑动变阻器的“结构”模型为突破点，以动手实验为抓手，利用6个引领学生思维的问题为载体进行教学，以发展学生的科学思维能力。

参考文献：

[1] 胡卫平.物理学科核心素养的建构[J].中学物理教学参考，2017,48(7).

[2] 张洪明，谢昕羽.自制变色滑动变阻器[J].物理实验，2015，35(1).