例談二維電路的實驗設計與教學應用*

劉作志

(高密市豪邁中學 山東 濰坊 261500)

常明泉

(高密市第四中學 山東 濰坊 261500)

2019年11月教育部在《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》中提出，實驗教學要“強化學生實踐操作、情境體驗、探索求知、親身感悟和創新創造，著力提升學生的觀察能力、動手實踐能力、創造性思維能力和團隊合作能力”[1].要增強實驗教學的實踐性、情境性、探究性、體驗性和創新性，只在實驗室里做好常規實驗是不夠的，應該創新實驗形式，特別注意非常規實驗、數字化實驗、自主創新實驗等對改善教師實驗教學，發展學生核心素養的價值.與初中物理課程的其他模塊相比，電學模塊的實驗方式似乎略顯單一，原因之一是受制于器材.利用一般的學生實驗電路可以很好地完成常規實驗，但很難在情境性、探究性和創新性上有所突破.近年來，市場上出現了一種可以自由粘貼的金屬箔膠帶，如圖1所示，用于煙囪的補漏、花木的保護等，筆者將這種廉價的新材料引入物理教學，在幾類電學實驗的教學設計與應用中取得了良好的效果.

圖1 金屬箔膠帶

1 二維電路及其特點

1.1 二維電路的界定

依托任何一個面——桌面、墻面、器物表面等，金屬箔膠帶通過與其他元件的自由粘連都可以構成電路，筆者將這種電路稱為“二維電路”(圖2).這種稱謂并不是為了制造噱頭，圖3是學生將金屬箔膠帶粘貼在香水瓶上做成的創意裝飾燈，顯然香水瓶表面并非平面，二維電路的稱謂比“平面電路”要更適切些.

圖2 簡單的二維電路

圖3 學生利用金屬箔膠帶自制裝飾燈

具體怎樣制作一個二維電路呢？只需要一些簡單的生活物品：一個一次性飯盒蓋充當線路板，一枚硬幣充當開關，再加一枚紐扣電池和LED燈珠，用金屬箔膠帶粘貼起來，如圖2所示，一個簡單的二維電路就做好了.

1.2 二維電路的特點

如表1所示，筆者從實驗和教學兩個維度，分8個方面對常規實驗電路和二維電路進行了比較，應該說兩種實驗設計思路各有優劣，并且有很強的互補性，從強調情境性、探究性和創新性的角度，二維電路有其獨特的教學價值.

表1 二維電路的特點

2 二維電路的3類電學實驗設計

2.1 電路類實驗

電路類實驗是初中物理電學模塊中最常見的一類實驗，用二維電路重新設計這些實驗，不僅僅是器材方面的創新，更重要的是從整體思路和關鍵細節上改變教與學的方式.

案例一：探究串并聯電路的特點

實驗器材：一次性塑料飯盒蓋子2個(也可用透明塑料墊板)，3 V紐扣電池兩枚，硬幣4枚，LED燈珠4只，寬度為5 mm的銅箔膠帶1卷，馬克筆1支.

實驗設計：將電路圖用馬克筆畫在塑料飯盒蓋上，在飯盒蓋的另一側按照電路圖用銅箔膠帶粘貼電路，硬幣作為簡易開關，制成二維電路如圖4所示.

圖4 二維電路與電路類實驗

教學設計：(1)課前預習階段，要求學生在家預習教材，設計電路，使開關閉合時兩只LED燈珠同時發光，將電路圖用馬克筆畫在飯盒蓋上，在飯盒蓋的另一面按照電路圖用銅箔膠帶將實物電路粘貼出來.

(2)讓學生將飯盒蓋帶到學校，在課堂上展示飯盒蓋一面的電路圖和另一面對應的二維電路，學生對比各自的設計提出串并聯電路的概念.

(3)探究串并聯電路的特點：

1)用小刀先后將干支路的銅箔割斷，閉合開關觀察燈珠發光的情況(割斷后一處時前一處用銅箔膠帶粘合，恢復導通).

2)用導線依次短接串聯電路與并聯電路的各燈珠，閉合開關觀察其他燈珠的發光情況.

從以上案例不難發現用二維電路來做電路類實驗的一些特殊價值：一是變實驗室常規實驗為學生邊學邊實驗，變在校實驗為居家實驗，學生自主性更強；二是制作好的電路容易保存和移動，為實踐性家庭作業的設置和靈活的課堂互動創造了條件；三是電路圖與實物電路自由轉換，互為參照，為學生的思維進階提供了腳手架；四是粘貼、割斷、標記等操作方式使電路類實驗的操作性更強了.

2.2 電磁類實驗

電磁類實驗探討電、磁、力之間的關系，綜合程度和思維水平較高，本應成為發展學生科學思維與探究能力的重要依托，但實際的教學過程中，本模塊的實驗卻多以演示實驗的形式出現，其中實驗器材與實驗手段的欠缺是重要原因.用二維電路設計電磁類實驗，可以在器材上化繁為簡.

案例二：通電導體在磁場中受力

實驗器材：φ=5 mm的吸管1根(可用中性筆芯代替)，φ=10 mm的吸管3根(可用粗細均勻的中性筆管代替)，φ=25 mm、厚度為3 mm的釹鐵硼磁片2只，4.5 V電池組1個，鱷魚夾導線2根，寬度為8 mm的銅箔膠帶1段.實驗器材如圖5所示.

圖5 探究通電導體在磁場中受力的實驗器材

實驗設計：將銅箔膠帶粘貼在細吸管的表面制成導體棒，將銅箔膠帶粘在兩根粗吸管的一側制成導軌，用導線將導軌和電源連接起來，將磁片放在導軌中間，將導體棒放在磁片正上方，如圖6所示.

圖6 探究通電導體在磁場中受力實驗裝置

教學片段：(1)教師演示課本上的實驗[2]，然后提出問題，用你手頭的器材能否設計實驗，探究通電導體在磁場中受力的問題？

(2)學生小組討論，提出如上所述的裝置制備方案，并動手制作、調試.

(3)教師提出問題，同學們的實驗證明了通電導體在磁場中會受到力的作用，大家知道力有3個要素，你認為我們可以用這個裝置探究哪些問題？這些問題如何探究？需要用到什么方法？怎么操作？觀察什么？

(4)學生小組討論，提出實驗方案如表2所示.

表2 學生實驗探究方案

案例二與教材演示實驗相比有這樣兩點值得注意：一是實驗器材的生活化和簡單化，這不僅為變演示實驗為學生實驗創造了條件，而且提高了實驗的成功率——貼了銅箔的吸管質量很小且靠近磁極，更容易受力運動；二是實驗過程的自主化和探究化，學生有機會參考教材實驗利用生活化的器材自主設計實驗，制備實驗裝置.其實該實驗的裝置還可以進一步簡化，只需將銅箔膠帶如圖7所示粘貼在白紙上，觀察通電后磁片上方懸掛銅箔的偏向及幅度就可以判斷安培力的方向和大小.其他電磁類實驗也可以借由二維電路得以簡化，使學生容易動手動腦，積極參與.

圖7 判斷安培力的簡易裝置

2.3 靜電類實驗

靜電學在初中學段所占的比重雖然不大，但作為電學學習的起始章節，有著激趣、奠基、存疑的特殊意義.二維電路的一個典型特征是可以將任一物體的表面導體化或部分導體化，這為一些靜電實驗設計及器具制作提供了便利.

案例三：導體與絕緣體

實驗器材：塑料瓶1個，乒乓球1個，塑料刻度尺1把，硬質銅導線20 cm，8 mm寬銅箔膠帶1段，4 cm寬銅箔膠帶1段.

實驗設計：用4 cm寬銅箔膠帶覆蓋乒乓球表面，滾動壓平作為自制驗電器的“金屬球”.將銅導線穿過塑料瓶瓶蓋，其中一端與“金屬球”粘合，另一端懸掛兩片8 mm寬銅箔膠帶作為驗電器的箔片.將瓶蓋擰在塑料瓶上制成驗電器如圖8所示.將刻度尺的一面粘貼一層銅箔膠帶.

圖8 自制的驗電器

教學設計：(1)課前預習時設置自制驗電器的實踐性作業，讓學生自學教材有關驗電器原理與結構的內容，根據教師提供的教程自制一個驗電器.

(2)讓學生嘗試用摩擦起電的辦法給驗電器充電，觀察驗電器箔片是否張開，若不能張開，與其他同學制作的驗電器比較，找出問題所在.

(3)教師展示較好的學生驗電器作品，讓學生解釋驗電器的原理、結構和制作心得.

(4)教師先用塑料尺接觸帶了電的驗電器金屬球，讓學生觀察箔片張角的變化，然后教師將塑料尺反轉，用貼有金屬箔的一側接觸驗電器金屬球，讓學生再觀察箔片張角的變化.

(5)教師引導學生對比分析實驗現象得出導體、絕緣體的概念.

在沒有金屬球的情況下，由于尖端放電，自制驗電器的效果往往很差，而金屬球在生活中并不常見，即使有也不容易與金屬棒連接固定.二維電路輕而易舉地解決了這個問題，使自制驗電器成為一項更具可行性的實踐性作業.刻度尺也通過這種方法同時具有了導體和絕緣體的屬性，讓教學更富趣味性和思維性.

從初高中銜接的角度看，這種低成本的二維導體制作方法將在后續的靜電模塊教學中發揮更重要的作用.案例三中特殊處理過的乒乓球實際上是一個金屬球殼，若將一個廢舊的地球儀利用金屬箔膠帶制成金屬球殼，就能方便地探究靜電屏蔽等靜電現象.若在某絕緣薄膜的兩面各粘貼一層金屬箔膠帶，還可以方便地制成各類電容器，如圖9(a)是筆者利用上述方法制作的萊頓瓶.另外一些趣味靜電實驗也可借助這種方法變得簡單易做，如圖9(b)在塑料杯壁每隔相同間隔粘貼一條金屬箔，再配合起電機可以做成靜電電動機.

(a)萊頓瓶

(b)靜電電動機圖9 二維電路在靜電類實驗中的應用

3 二維電路的應用價值與教學建議

新一輪課程改革圍繞發展學生的核心素養展開，如何充分發揮實驗教學在發展學生物理學科核心素養中的作用，是值得深入探討的問題.應該認識到，在實驗教學中教學創新與實驗創新同樣重要，應該從實驗與教學兩個維度尋求統一，共同指向學生的學科核心素養.

3.1 情境性與問題解決能力的培養

科學探究以問題為先導，而問題來自能夠激發學生探究欲望的問題情境，創新實驗情境就是問題情境的一種.二維電路的實驗教學思路，首先是給學生創設一種生活化、自主化的實驗情境，學生不是從給定的現成器材和現成方案出發來完成實驗的“訓練”，他們需要開動腦筋，從身邊鍋碗瓢盆中擇善而取，動手制作，動腦設計來完成探究主題，整個過程是不斷解決原始劣構問題的過程.這樣鮮活的情境才能激活學生的求知系統，激發學生學習的原動力[3].

3.2 操作性與動手實踐能力的培養

物理是格致的學問，學好物理不僅需要動腦還需要動手，只有動手實踐才能引發深入的動腦思考.二維電路的實驗設計強調操作性，盡量將演示實驗變為人人可動手的學生實驗，將在校實驗變為在家可探究的生活實驗，意在給學生創造更多動手參與的機會，讓學生先動心，后動手，再動腦.實驗教學之所以是一種不可取代的物理教學方式就在于其實踐性，熟練的實驗技能是一個方面，創新實踐能力是更重要的另一個方面.

3.3 開放性與創新思維能力的培養

科學思維的終極價值在于創新，科學探究與科學思維密切相關，科學探究不僅是獲取知識的過程，更是思維發展的過程，滲透創新思維是實驗教學的題中之義.二維電路的實驗設計不應局限在對常規實驗的重復、模仿與補充，而應在思維培養中承擔起主導作用.二維電路的教學，引導學生從非常規的角度思考實驗設計與實驗分析，本質上是為了發展學生的發散思維、批判思維，發展學生的創新思維能力.