自制教具謀創新 類比建立新概念*
——兼述“電阻概念的建立”之備賽經歷

葉鳴揚

(南京師范大學附屬中學樹人學校 江蘇 南京 210011)

1 賽課背景

2021年南京市初中物理青年教師教學基本功比賽的課堂教學環節，出于當時全市防疫的需要，以無生模擬上課的形式進行．A組選手的課題為“電阻”，取自蘇科版初中物理教材九年級上冊第14章“歐姆定律”第1節．模擬上課時間為15 min，內容僅限于“電阻概念的建立”(對應教材第86頁)．作為參賽選手，自抽簽之日起，有兩天準備時間．

1.1 研讀教材 明確突破重點

無論準備賽課還是公開課，首要任務是研讀教材，明確教學任務與重難點．本節課的任務是建立電阻的概念，不包含“探究影響導體電阻大小的因素”及其后續內容．電阻概念非常的抽象，學生在學習物理前的生活經驗中，不太可能自發地形成“電阻”或與之相近的概念．教材通過活動“嘗試改變電路中電流的大小”引導學生發現導體對電流存在阻礙作用．

1.2 梳理思路 追求實驗創新

《國家基礎教育課程改革指導綱要(試行)》(以下簡稱“《綱要》”)提出教師應該“用教材教”而非“教教材”．提倡教師應當依據課標創造性地運用教材．作為市級賽課，專家組亦格外期望看到教師們的精彩創新．為踐行《綱要》理念，凸顯科學思維，筆者重新梳理教學思路，通過自制教具，加入創新實驗，運用類比法逐步建立概念，降低理解難度．此外，在教學片段的結尾處，自然地銜接下一教學環節——探究影響導體電阻大小的因素．

2 自制教具

2.1 器材準備

鐵架臺(含鐵夾)，長頸漏斗，彈簧夾，橡膠管(約5 cm)，量筒2只，一瓶水(滴入少許紅墨水)，醫用一次性輸液器，記號筆，秒表，橡皮泥，鉛筆芯．

醫用一次性輸液器由①輸液軟管、②流速調節器、③瓶塞穿刺器以及注射針、針頭護帽、滴壺等部分組成．其中構件①、②、③如圖1所示．

圖1 器材準備

2.2 器材組裝

(1)自瓶塞穿刺器一端起，剪取10～15 cm的輸液軟管.

(2)取下輸液器中的流速調節器，穿入步驟(1)中的輸液軟管．為避免實驗過程中流速調節器發生滑動，穿入前可在軟管上取1 cm長的區間涂抹膠水，以便固定流速調節器.

(3)用彈簧夾夾住橡皮管.

(4)用橡皮管的一端連接長頸漏斗底部，另一端連接瓶塞穿刺器，如圖2所示.

圖2 器材的組裝

(5)將圖2裝置固定在鐵架臺上，調整鐵夾高度，使輸液軟管末端對準量筒，如圖3所示．

圖3 全套教具展示

2.3 課前準備

打開彈簧夾，向長頸漏斗中倒入染紅的水(以下簡稱“藥液”)．當看到輸液軟管末端有“藥液”開始流出后，關閉彈簧夾．在長頸漏斗液面處做標記．此時標記處到輸液軟管末端均充滿了“藥液”．

3 教學過程

3.1 生活情境引入 展示自制教具

輸液是一種常見的醫療手段，大多數學生都有過輸液的經歷．教師從輸液情境引入課題，引出自制教具．

師：人們在輸液時，偶爾會因為藥液流速太大而感到血管甚至心臟有所不適，這時我們要請護士幫忙．同學們留意過護士來了之后會怎樣操作嗎？

生：會調節輸液管上的一個“小滾輪”．

師(同步投影出圖4①)：是的，它的學名叫做流速調節器．輸液軟管從梯形凹槽中穿過，“小滾輪”以梯形的一個側邊為軌道，可左右調節．接下來，我們就以這套裝置(圖3)來模擬“藥液”的流動情況．

圖4 流速調節器的調節

3.2 改變軟管粗細 量化水流差異

(1)首先將“小滾輪”移至長底邊緣(最右端)，結合投影圖說明輸液軟管恰好沒有受壓變形．將量筒放置于輸液軟管末端的下方后，打開彈簧夾，讓“藥液”開始流入量筒，計時10 s．10 s后關閉彈簧夾．先向學生展示，長頸漏斗中的“藥液”并未流盡，然后請學生讀取量筒中“藥液”的體積，讀數為33 mL，如圖5左量筒．

(2)借鑒2.3的方法，重新裝填裝置中的“藥液”．當“藥液”再次到達標記處時，關閉彈簧夾．此操作是為了做到控制變量，即前后兩次實驗，是在水壓相同的情況下，通過調節流速調節器對水流的阻礙，來改變水流大小．

圖5 兩次實驗對比

(4)對比現象，解釋原因.

師：為什么第二次流入量筒中的“藥液”少于第一次？

生：“小滾輪”向中間調節后，內部的輸液軟管受到了來自“小滾輪”一定程度的擠壓，橫截面積變小了．

師：也就是說，改變位置后的“小滾輪”對軟管中的水流產生了怎樣的作用？

生：阻礙的作用．

3.3 借助水電類比 引入電阻概念

師：流速調節器可以對水流產生阻礙的作用．電路中的導體，是否也會對電流產生阻礙的作用呢？

(1)連接圖6所示的電路．閉合開關后，小燈泡發光，電流表示數為I1.

圖6 電學演示裝置的電路圖

(2)斷開開關，添加一根導線，將一塊橡皮泥串聯在電路中．閉合開關后，發現小燈泡亮度變暗，電流表示數為I2，I2

師：請猜想，是什么原因造成了I2

生：新串入的橡皮泥對電流產生了阻礙的作用．

至此可以通過類比，建立電阻的概念．在輸液軟管上加一個流速調節器可以對水流起到阻礙作用；在電路中加一塊橡皮泥也可以對電流產生阻礙作用．可見，橡皮泥這種導體在導電的同時，也會對電流產生一定的阻礙作用．在物理學中，我們用“電阻”這一概念來表示導體對電流的阻礙作用．

3.4 改變導體再探 銜接猜想假設

師：剛剛我們通過“小滾輪”將輸液軟管壓扁后，發現水流變小了；我們有什么辦法能夠讓電路中的電流變得更小呢？

學生有了類比意識后，不難想到：可以將橡皮泥捏扁．也有學生提出：可以換一種導體．

(1)斷開開關，將橡皮泥捏扁捏長．閉合開關，發現電流表示數I3

(2)斷開開關，將橡皮泥換成鉛筆芯(更細更長)．閉合開關，發現電流表示數I4

師：我們發現，變細變長的橡皮泥對電流的阻礙作用強于原來的橡皮泥，整段鉛筆芯對電流的阻礙作用又強于細長形的橡皮泥．這說明不同導體對電流的阻礙作用有所不同．有了電阻的概念后，我們就可以將“導體對電流的阻礙作用大”簡潔地表述為“導體的電阻大”了．

師：根據以上現象，請你提出合理猜測，電阻的大小可能與哪些因素有關？

通過本環節的設計，讓學生觀察到不同的導體對電流的阻礙作用有所不同，更加深刻地理解“電阻”的含義，同時也為學生的下一步探究猜測提供直觀素材．在本環節的演示過程中，導體同時被改變了多個變量，設計目的在于引導學生通過思考和討論，從復雜綜合的多變量情形中，提煉出“長度”“橫截面積”“材料”等單變量猜想，并且想到接下來需要運用控制變量法進一步探究．

最后需要說明的是，由于本次賽課形式為無生模擬上課，所以以上教學過程中的“學生發言”內容均為筆者備賽時的預設．在真實的教學過程中，學生的思維開闊，答案多樣，超出教師預期是常有之事，所以還需教師發揮教學機智，及時進行引導和補充．

4 總結

通過自制教具將“水電類比”引入電阻概念的教學過程中，有以下幾個優點.

(1)學生感到親切、熟悉．教材在第13章“電路初探”中，多次通過“水電類比”幫助學生建立電學新概念，如電流、電壓．本節教學中先談“水路”再論電路的流程，學生容易接受.

(2)類比法是一種非常有效的學習方法．它可以幫助學習者從已有的知識與經驗出發，通過相似事物的對比呈現，建立新事物的概念．本節教學中，“水路”和電路可以形成類比的相似元素非常多，匹配度較高(表1)．教師做好鋪墊，引導對比學習，可助學生將抽象的問題形象化，把復雜的事物簡單化．

表1 “水路”與電路的類比

(3)通過類比法，有助于學生發散思維，提出合理猜想．本節教學中，在觀察到輸液軟管被壓扁導致“藥液”明顯受阻這一現象后，學生不難提出猜想：導體橫截面積變小，也可能會造成電阻增大，進而有利于銜接下一教學環節的開展．