建構物理概念 培養科學思維
——以建構滑動變阻器為例

徐志紅 張世成

(1. 江蘇省無錫市鳳翔實驗學校，江蘇 無錫 214043； 2. 江蘇省梁溪區教師發展中心，江蘇 梁溪 214043)

現代社會,沒有電幾乎就是沒法生活,雖然生活中處處有電,但電是看不見的、是抽象的,而且是危險的,故而對初中學生而言,人人皆是“談電色變”,所以電學概念的建構比較困難．

本文以建構滑動變阻器為線索,學生實驗和自制教具為手段,通過“創設情景”、“協作會話”、“質疑創新”、“科學建模”,突破學生對滑動變阻器的思維“痛點”,促進思維發展,提高思維品質,完成對新認知的建構．

1 創設情景,突破思維“痛點”——哪部分是接入電路中的電阻線?

滑動變阻器的原理是通過改變接入電路中電阻線的長度來改變電阻的．由于電流是看不見的,故而認識“接入電路中電阻線”成為學生的思維“痛點”． 為突破這個思維“痛點”,把生活中的調光臺燈引入課堂,采用任務驅動的方法,引導學生參與制作簡易調光燈,從生活走向物理．所創設的學習情境必須有利于學生對滑動變阻器原理的建構,在建構主義學習環境下,教學設計要考慮教學目標,更要考慮有利于學生建構的問題．

圖1

教師先演示并請學生觀察調光臺燈燈光亮度的變化．并追問:你看到了什么現象?燈亮度發生變化的原因是什么?電流發生變化的原因是什么?改變導線電阻的方法有哪些?改變哪個因素最為方便?最后請學生設計電路,用鉛筆芯改變小燈泡的亮度．從體驗調光臺燈到用鉛筆芯改變燈泡的亮度，如圖1所示．

通過體驗,讓學生初步了解生活中對變阻器的應用,體會物理來源于生活,提高學習興趣．并通過追問作為前測,了解學生已有的知識儲備．也是為下面的活動作準備．

學生活動:設計電路,嘗試用鉛筆芯改變小燈泡的亮度．

并追問:改變燈泡亮度的方法是什么?所謂改變電阻線的長度,是改變AB、AP還是BP段電阻線的長度?為什么是AP的長度而不是BP的長度?AP和BP導線有什么不同?并請學生畫出電流路徑,如圖2所示,AP中有電流流過而BP中沒有電流流過．

圖2

在關鍵的“痛點”處必須要通過追問,問出學生的想法,問出評價的證據．當學生說出“改變的是AP段的長度”時,是不是真理解了滑動變阻器的原理?也許是模棱兩可的猜測．故而必須要繼續追問“為什么改變的是AP而不是BP的長度?AP和BP導線有什么不同?”問出“接入電路中電阻線”的本質是——該電阻線中有電流流過．

通過連接電路圖、實驗操作和畫電流路徑等多種教學手段,逐步體驗燈泡亮度變化的成功感,增加學生對物理現象的感性認識,提高形象思維能力．并用追問與畫電流路徑相結合進行合理的分析,鍛煉學生的邏輯思維,提高學生的思維深度和廣度．從而達到正確說出滑動變阻器原理的教學目標．

2 協作改進,突破思維“痛點”——為何要刮去絕緣漆

協作發生在學習過程的始終,協作就是對學習資料的搜集和分析、通過追問和對話對方案進行改進等,使認知水平進一步的提高．以問題為導向引導學生高度智力投入．

從尋找鉛筆芯改變燈泡亮度的缺點開始,對滑動變阻器雛形進行改進．學生發現,操作不方便,燈泡亮度變化的范圍太小等．

于是追問:如何使燈泡亮度變化范圍變大?要增大導線的電阻有哪些方法?電阻線很長還是不方便,你有什么好的辦法?鐵筒和塑料絕緣筒(圖3),你選哪一個?裸電阻線和漆包電阻線(圖4),你選哪一個?

圖3

圖4

把上面剛繞制好的滑動變阻器按照鉛筆芯的接法把AD接線柱接入電路,閉合開關,燈泡不亮,教師多試了幾次,還是不亮．本想看到意料之中的燈泡發光,卻在意料之外,如此辛苦的改進與設計,等來的卻是燈泡不亮!老師無奈地問“怎么回事?”

在建構滑動變阻器過程中,不僅要建構硬件結構及組成,更要建構學生思維上的“痛點”—— 為什么要刮去電阻線上的絕緣漆(圖5)?否則就是簡單的知識灌輸,將會失去對學生的科學思維訓練．

早有學生舉手“老師會不會是原來電路有問題?”教師連了原電路,燈亮,說明原電路沒有問題．那問題應該在剛接入的滑動變阻器上,“老師會不會接入電阻太大,導致燈泡無法發光?”教師把劃片P從一端滑到另一端,燈還是沒有亮起來．學生繼續思考,此時教師可以引導“我們來畫畫電流路徑,查查哪可能出問題?”當電流從電阻線圈欲向劃片P流去時,有學生就喊了出來“老師,漆包電阻線是絕緣的,電流不能流入劃片P”．于是“刮去電阻線與劃片P接觸的絕緣漆”是為完成任務的需求而來的,是非“刮去”不可的,“刮去”來的非常自然和及時．

圖5

要突破這個思維“痛點”,必須要有預設,設置一個連帶教師學生一起掉入的“陷阱”, 要在學生的意料之外,產生強烈的認知沖突．

3 質疑創新,突破思維“痛點”——刮去后,圈與圈之間是否又直接連通了

當筆者問出這問題后,就有部分學生表示贊同,心中存在同樣的疑問:刮去絕緣漆后圈與圈之間是否會直接相通?如果直接相通,那前面的設計就白做了．學生有這樣的想法是正常的,絕緣漆刮去了,那就剩下銅導線了,當然就直接相通了．

初中學生所處的年齡階段,以形象思維為主,抽象思維能力較弱,很難通過抽象思維去理解:電阻線是圓的,刮去表面部分漆,邊上還是留有絕緣漆的,所以圈和圈之間還是絕緣的．所以教師必須要讓學生通過體驗等手段,增加具體的形象思維,幫助其建構抽象思維．

圖6

筆者將非常粗的導線繞制在絕緣PVC管上,并用螺絲旋緊．然后在課堂上請學生用銼刀挫去表面絕緣漆,直至露出銅導線,然后請學生仔細觀察,如圖6．學生清楚的看到有銅線露在外面,能夠與劃片P接觸,同時圈與圈之間還是有較厚絕緣橡膠的．

4 科學建模,突破思維“痛點”—— 接入電路的電阻線真的是AP段?電流真的是一圈一圈流經很長的電阻線嗎

為幫助學生突破這個思維難點,筆者用LED燈帶模擬電阻線,用雙面膠把燈帶繞在PVC管上,制作了一個“超級”滑動變阻器,用不銹鋼制作支架,并安裝上金屬棒和劃片P(圖7)．

圖7

演示1:當把AD接入電路時,AP段LED燈帶發光;再把BD接入電路時,可看到BP段LED燈帶發光．用可視的LED燈帶驗證了學生對接入電路中電阻線的判斷．

演示2:支架是可拆卸的,接著上面的實驗,把B端的支架拆掉,筆者把燈帶一圈一圈的拉出,同時請學生牽引,讓學生很直觀地看到電流經過的導線有多么的長.以解開學生心中的疑惑．

“超級”滑動變阻器不是真正的滑動變阻器,這是一種科學模型法,用有電流經過的LED燈發光路徑模擬電流經過的電阻線的路徑,從而體驗并驗證對接入電路的電阻線的判斷．又通過拉出LED燈帶模擬電流是一圈一圈流經電阻線的,感知電流經過的電阻線究竟有多長.

從滑動變阻器的鉛筆芯雛形開始,經過選材、繞制、刮漆、LED燈帶釋疑等步驟,既完成了滑動變阻器結構的建構,又完成了學生對滑動變阻器思維的建構,使“鉛筆芯”完成了一個華麗轉形．

這種利用科學模型研究物理現象在教學中較為常見,在研究問題時,突出模擬所研究物理現象的主要因素,忽略次要因素,建立起來的實物模型,能夠連接學生的思維紐帶,對建構概念起著不可替代的作用．

蘇聯著名教育家蘇霍姆林斯基指出的:“人的內心里有一種根深蒂固的需要——總想感到自己是發現者、研究者、探尋者．在兒童的精神世界中,這種需求特別強烈,但如果不向這種需求提供養料,即不積極接觸事實和現象,缺乏認識的樂趣,這種需求就會逐漸消失,求知興趣也與之一道熄滅．”故而要以學生為中心,抓住學生的心理特征和思維發展特點,研究物理概念的內涵和外延,找到學生的思維“痛點”,并作為教學資源和設計課程的證據,讓學生“感到自己是發現者、研究者、探尋者”．