基于學生科學思維發展的教學設計探討①
——以“變阻器”教學為例

(江蘇省南京市第27中學,江蘇 南京 210022)

1 引言

科學思維是具有意識的人腦對科學事物的本質屬性、內在規律及事物間的相互聯系和關系的間接與概括的反映，是物理核心素養的要素之一。筆者在準備蘇科版物理第十四章第二節“變阻器”教學時，思考如何發展學生科學思維的問題。一是將教學目標定位在“一個器材，三個方面”，以原理為根本、使用為關鍵，而這些與變阻器結構緊密相連；二是有意識地為學生創設實踐的機會。

2 教學設計

2.1 創設新奇情境，構建“變阻”模型

圖1

師：在生活中，人們喜歡用變幻的燈光來營造氣氛。今天，老師給大家現場演示調光燈魔盒，不過我是用這根神奇的“魔法棒”(金屬棒)在紅紙里面向左移動、向右移動(如圖1)，此時亮出問題1：你看到了什么現象？“魔法棒”的移動改變了電路中的什么物理量？

在這個環節中，演示的重點放在“變”上面，燈的亮度發生了變化，原因何在？學生能很快說出電阻改變了，進入主題——變阻器。

有真實的演示情境為鋪墊，亮出問題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因素(材料、長度、橫截面積、溫度)？

說明：4個因素以選擇的方式呈現，有助于學生快而準地選出最具有可操作性的方案。從而為“活動一：用鉛筆芯改變電路中的電流”做好鋪墊，通過改變接入電路中鉛筆芯的長度來改變電阻。

2.2 巧設實踐活動，構建變阻器結構模型

2.2.1 活動一：用鉛筆芯改變電路中的電流

在匯報中，關注學生活動時出現的問題，如鱷魚夾在鉛筆芯上滑動時會卡、鉛筆芯容易斷、燈泡的亮度變化不明顯等，亮出問題3：若要使得電阻的變化范圍更大一些，操作更方便些，你認為應當怎樣改進？

(1) 關注電阻的“變化范圍”。如一根鉛筆芯，全部長度接入電路中時，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，而更長的鉛筆芯不方便獲得，在此基礎上，調動學生的積極性，能夠提出新穎的和有價值的想法并付諸行動。如學生會提議換成金屬絲，那是不是隨便什么金屬絲都可以呢？可以現場用一根鐵絲接在電路中試試，發現燈泡亮度幾乎沒有變化。老師再提供材料信息，學生優選出電阻率比較大的鎳鉻合金絲。這時明確變阻器的原理：改變接入電路中電阻絲的長度，以改變電阻。

(2) 關注“操作”。給出一根3米左右的鎳鉻合金線，方便操作嗎？從節約空間的角度引導采用化直為曲的方法來解決。而如何由一根電阻絲到兩根的轉變，可以引導學生觀察窗簾的導軌，引出能不能給鱷魚夾一個移動的軌道，由此引出金屬桿，如鐵絲對電路幾乎沒有影響。

在討論的基礎上揭秘魔箱：掀開障礙物，展示老師自制的如圖2所示的滑動變阻器。

圖2

圖3

2.2.2 活動二：自制滑動變阻器

學生參照老師的制作，自己利用器材制作滑動變阻器(如圖3)。

教師自制的器材示范在先，提供常見的泡沫塊、鐵絲、回形針等材料，再讓學生自己動手組裝，要容易一些。學生在活動中，認清裝置中電阻絲、金屬桿、滑片等組成要素，當發現可以把鐵絲、木棒插入泡沫中從而解放雙手時，感到非常興奮，而在實踐檢驗中發現：在電路中應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，對照學生自制的改進版滑動變阻器(如圖4)，亮出問題4：你能為你組裝的裝置畫一個結構示意圖嗎？試一試！

圖4

在這個環節中，由直觀的裝置到抽象的示意圖，建構的過程水到渠成，不少學生很快就畫出來了(如圖5)。一學生解釋道：“因為繞制的電阻絲很長，我選用波浪線來表示；而鐵絲就是個軌道，就用直線表示；回形針是圓的，我就用個圓圈來表示；泡沫是支架，就用最穩定的三角形來表示。”學生關于滑動變阻器的結構模型建構已然到位，當學生看到物理教材中采用的如圖6所示的更簡潔的示意圖時，一方面為自己很接近的構圖而感到高興，一方面又感受到了物理的簡潔美。

圖5

圖6

2.3 增設理論探討，發展邏輯思維

這時請學生拿出事先放在抽屜中的實驗室用滑動變阻器成品。在快速認識各部分名稱后亮出問題5：你認為實驗室用的滑動變阻器，其銘牌為我們提供了哪些信息？

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

圖7

圖8

再亮出問題6：你能根據實驗的要求，選擇正確的接線柱接入電路中嗎？安排活動三：練習使用滑動變阻器，要求：閉合開關后，滑片向右移動時，燈泡變亮。

在理論探究的基礎上，進行實驗探究，檢查學生能否按照實驗的要求，正確選擇滑動變阻器的接線柱，很好地解決滑動變阻器的使用。這一切，都是在對滑動變阻器結構相當熟悉的基礎上得以實現的。

2.4 演示創新器材，實驗畫龍點睛

最后做演示實驗：會“反饋”的滑動變阻器。利用涂刷33℃黑色的變色油墨的滑動變阻器，檢驗學生對滑動變阻器使用的掌握情況。原理是，當接通電路時，由于電流的熱效應，實際接入電路中的電阻絲發熱，當溫度高于33℃時，原先黑色的變色油墨會變為白色，而沒有接入電路中的電阻絲還是保持原來的黑色(如圖8)。會“反饋”的滑動變阻器讓學生印象深刻，會進一步地助力學生科學思維能力的提升。

3 結語

筆者通過建構滑動變阻器的“結構”模型為突破點，以動手實驗為抓手，利用6個引領學生思維的問題為載體進行教學，以發展學生的科學思維能力。

參考文獻：

[1] 胡衛平.物理學科核心素養的建構[J].中學物理教學參考，2017,48(7).

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