抓住新聞巧設情境 任務驅(qū)動設計電路

摘 要：情境教學是具有一定情感氛圍的教學活動。本文將抽象的電路設計教學融入到參觀博物館的場景中，通過任務設置及角色扮演的方式，激發(fā)學生設計電路的內(nèi)在動力，讓學生化身“電路設計工程師”，完成博物館的電路設計工程。在教學過程中，教師通過布置設計電路、評價電路、完善電路的一系列任務，能夠讓學生將理論知識與實踐操作相結合，從而有效提升他們的深度思維能力。

關鍵詞：情景教學；綜合實踐；電路設計

1 前言

蘇科版物理教材九年級上冊（以下簡稱教材）的第十三章“電路初探”的“綜合實踐活動”的“設計簡單電路”中，讓學生設計病房呼叫電路、選答器電路、樓梯燈電路、交通信號燈電路。^［1］這些實踐活動都源于生活又相互獨立。如果教師僅讓學生按照課本流水賬似的設計一個又一個電路，教學就會缺少整體性、連貫性和情境性。筆者曾思考是否能讓學生只設計一個生活中的電路，比如電吹風或者交通信號燈內(nèi)部的電路，并將其研究透徹。然而，實際生活中的電吹風或交通信號燈的內(nèi)部電路涉及半導體芯片、數(shù)控電路等復雜知識，這對于初學電路設計的中學生而言過于困難。基于這樣的實際情況，“電路設計”的教學情境設計面臨著挑戰(zhàn)。

“不憤不啟，不悱不發(fā)，舉一隅不以三隅反，則不復也。”孔子的這段話，在肯定啟發(fā)式教學作用的情況下，尤其強調(diào)了學生在接受教師啟發(fā)之前主動進入學習情境的重要性。營造良好的教學情境能充分調(diào)動學生學習的主動性和積極性，啟發(fā)學生思維，開發(fā)學生智力，是提高中學學科教學實效的重要方法。教學情境是課堂教學的基本要素，創(chuàng)設教學情境是教師的一項常規(guī)教學工作，創(chuàng)設有價值的教學情境則是教學改革的重要追求。

在教學中，教師可以創(chuàng)設以下幾種情境。

（1）生活展現(xiàn)情境：教師把學生帶入社會生活和自然場景中，利用圖片和語言描繪情境，從而建立情境與教學內(nèi)容的相關性。

（2）實物演示情境：以特定實物為中心，適當配置必要的背景元素，并將實物及其背景相結合，構成一個完整的教學整體，以此來模擬并演示特定情境。

（3）問題情境：以特定問題為核心，將該問題作為學習的起點、方向、主線和催化劑，促使學生因問題的驅(qū)動而產(chǎn)生學習行為。

（4）背景情境：借助背景創(chuàng)設情境，將“物理學史”“中國古代生產(chǎn)勞動文化”“歷史典故”“新聞時事”等與教學相關的內(nèi)容融入課堂，作為引人入勝的背景資料。

綜上所述，筆者以2023年淮安市“圓明園獸首展”新聞為導引，并以“參觀博物館”為情境線索，結合教材內(nèi)容，提出一種“電路設計”課程的教學設計方案。

2 巧設情境——抓住熱點新聞

2023年9月至12月，淮安市博物館展出了圓明園獸首（見圖1）。此次展出弘揚了中國的傳統(tǒng)文化，展示了中國古代精益求精的工匠精神。走進博物館，在聲、光、電科技的輔助下，獸首及其他文物栩栩如生，讓人在聯(lián)想到還有其他獸首漂流海外的同時，心中還會涌起一股強烈的愛國之情。教師通過播放新聞的方式，帶領學生一起“走進”博物館，讓學生身臨其境，為接下來“電路設計”的教學創(chuàng)設情境。

博物館教學情境的創(chuàng)設形象具體，使學生身臨其境。這樣的情境能有效地激發(fā)學生的學習興趣，讓他們化身為“工程師”與“設計師”，成為學習的主人。這樣的情境展示了學科知識在實際生活中的應用價值，幫助學生深刻理解學科知識的內(nèi)涵，激發(fā)他們學習的動力和熱情，同時也培養(yǎng)了學生的愛國情懷，有效地實現(xiàn)了教育的育人功能。

3 任務驅(qū)動——電路設計

“電路設計”的核心環(huán)節(jié)是方案設計。在方案設計過程中，教師引導學生運用已有知識，按照他們自身的思維模式進行設計，并引領他們經(jīng)歷反思、再設計的螺旋上升過程。通過這一過程，學生能夠?qū)崿F(xiàn)自我質(zhì)疑、自我建構和自我生長。

3.1 任務一：設計博物館入口通道閘門電路

設計要求：所有游客先刷身份證（身份開關）再進行人臉識別（刷臉開關），認證成功后通道閘門才能打開（見圖2）。

教師讓學生思考需要哪些器材，并讓其畫出電路。

教師利用白板投屏展示學生設計的通道閘門電路圖（見圖3）。

師：為什么兩個開關是串聯(lián)的？

生：同時滿足兩個開關閉合的條件，電動機才能工作。

師：將兩個開關并聯(lián)可以嗎？

生：若兩個開關并聯(lián)，刷臉或者刷身份證就能讓通道閘門打開，不夠安全。

師：還有哪里有類似的通道閘門？

生：高鐵站、飛機場等。

設計意圖：按照參觀博物館的順序，學生首先“來到”的就是通道閘門處。通道閘門需要在滿足刷身份證和人臉識別的雙重條件下才能打開。在這一任務中，學生需要思考通道閘門開關的連接方式，這一任務鍛煉了他們對串聯(lián)、并聯(lián)電路知識的應用能力。另外，通過聯(lián)系生活實際，學生學會了如何將一個問題遷移到同一類問題，這一過程鍛煉了學生的知識遷移能力。

3.2 任務二：設計展廳呼叫電路

背景：擁擠的展廳可能會發(fā)生安全事故，游客可通過求助開關向安保室尋求幫助。

設計要求1：在某一展廳按下求助開關后，安保室燈亮鈴響。

教師展示學生設計的電路圖（見圖4）。

設計要求2：展廳由一個變?yōu)槎鄠€，在已有電路的基礎上進行修改。

教師展示學生的作品（見圖5）。

學生評價1：圖5（a）的方案不知道是哪個展廳報警的。

學生評價2：圖5（b）的方案可行。但是電路中的電鈴太多，如果多展室同時報警，安保廳會很吵。

學生評價3：圖5（c）的方案雖然解決了安保室吵的問題，但是只要電鈴損壞，就會導致整個呼叫電路癱瘓，因此電路需要經(jīng)常檢修。

綜上所述，圖5（b）及圖5（c）的方案均符合要求。如果將電路設計情境遷移到設計病房呼叫電路，床位很多的情況，圖5（c）的方案更好些。

設計意圖：為了降低設計難度，教師將博物館展廳的呼叫電路設計分層次展開，為學生搭建思維臺階。同時，教師將展廳呼叫電路與病房呼叫電路相結合，讓學生辯證地思考圖5（b）及圖5（c）方案的優(yōu)缺點，避免學生陷入“唯課本論”的局限。

3.3 任務三：設計展廳的雙控吊燈電路

接下來，教師帶著學生一起“來到”寬敞的展廳，展廳中間有一盞大吊燈，展廳的前后各有一個能獨立控制燈光的開關。

教師演示：前方開關閉合吊燈亮起、后方開關斷開吊燈熄滅；后方開關閉合吊燈亮起，前方開關斷開吊燈熄滅（見圖6）。

教師引導：若提供兩個開關、一個燈泡、電源與導線，該如何設計電路？

教師投屏學生所繪制的電路圖（見圖7）。

師：將兩個開關串聯(lián)控制同一燈泡，如圖7（a）所示能實現(xiàn)要求嗎？

生：不能。當某一開關斷開時，另一開關無論怎么閉合，燈泡都不會工作。

師：那將兩個開關并聯(lián)控制同一燈泡，如圖7（b）所示，能實現(xiàn)要求嗎？

生：也不能。當某一開關閉合時，另一開關無論閉合還是斷開，燈泡都無法熄滅。

教師在黑板上進行演示，將兩個鱷魚夾分別夾在同一根金屬桿的兩端，以此來模擬兩個普通開關串聯(lián)的情形。若將一只鱷魚夾與金屬桿分開，則電路發(fā)生斷路。接著，教師再加入一根金屬桿，使兩根金屬桿平行排布在黑板上。若兩個鱷魚夾分別夾在不同金屬桿的一端時（見圖8），這相當于兩個單刀雙擲開關的刀片分別連接在不同導線的兩端，此時電路處于斷路狀態(tài)；若兩個鱷魚夾夾在同一根金屬桿的兩端時（見圖9），這相當于兩個單刀雙擲開關的刀片接在相同導線上，此時電路處于通路狀態(tài)。

教師向每組學生分發(fā)兩個單刀雙擲開關，請學生根據(jù)黑板上的演示電路，動手設計電路，從而實現(xiàn)燈泡的雙控效果。

設計意圖：首先，教師通過雙控燈教具的演示激發(fā)學生的學習興趣，從而進一步提高學生的求知欲；然后，學生自己動手設計出兩種電路，并經(jīng)過分析、質(zhì)疑、評價后，學生的思路陷入僵局；最后，教師使用兩根金屬桿平行排放搭建出兩條電流路徑，巧妙地引出單刀雙擲開關的結構，讓學生豁然開朗。

3.4 任務四：設計博物館展品防盜報警器電路

背景：博物館展品文物具有重要的歷史文化價值和經(jīng)濟價值，為保障其安全，需配備防盜報警裝置。

設計要求：有異常人員接近和搬動文物時，電鈴響起。

師：報警開關應該在展廳、展柜、展品的哪些位置安裝？

生：在展廳進門處、在展柜門處、在文物的底部等位置。

師：具體在什么情況下，報警開關會被啟動？

生：夜晚進展廳的時候、展柜門被打開的時候、文物脫離展臺的時候等。

教師展示學生的電路圖設計方案（見圖10）。

學生評價1：圖10（a）的方案在閉合開關S2后，電鈴短路且會燒壞電源，除非加保護電阻。

學生評價2：圖10（b）的方案中，電鈴一直在工作，起不到報警作用。

學生評價3：圖10（c）的方案在閉合開關S1后，電鈴短路。當展柜門被打開或者文物被搬起時，開關S1斷開，電鈴開始工作，起到報警作用。

設計意圖：文物保護電路的設計更具開放性，只要學生言之合理即可，能充分發(fā)揮學生的想象力和創(chuàng)造力。教師先展示學生的設計電路圖，然后讓學生經(jīng)歷從設計到評價、從評價到改進、從改進到優(yōu)化的遞進過程。這一過程有助于學生形成深度思維、提升關鍵能力、養(yǎng)成必備品格，從而全面提升科學素養(yǎng)。文物保護電路的設計可讓學生充分感受到學科知識在生活中的意義與價值。

4 動手操作——從設計到實踐

物理學是一門需要實際操作的學科，許多物理現(xiàn)象需要通過實驗來驗證。沒有經(jīng)歷體驗過程的知識，難以轉(zhuǎn)化為個體品質(zhì)。^［2］學生通過實踐操作，能夠體驗自身所設計電路的功能。這一過程不僅可以培養(yǎng)學生的實際操作技能和實驗能力，還能有效激發(fā)他們的學習興趣和動力。學生的動手實踐成品如圖11和圖12所示。

實踐1：動手連接雙控燈電路（見圖11）。

設計意圖：“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”雖然本節(jié)內(nèi)容的重點是電路設計，但是實踐是檢驗真理的唯一標準，學生只有動手連接電路，才能真正地掌握單刀雙擲開關的使用方法。另外，教師引導學生將自己設計的雙控燈、報警器電路制作出來，可以增強學生的成就感。

5 歸納總結——電路設計的步驟

根據(jù)本節(jié)課的教學過程，筆者總結的電路設計步驟如下。

（1）根據(jù)需要，明確要達到的目的。

（2）分析所需電路元件。

（3）根據(jù)要求設計出合理的電路（在設計電路的時候，合理巧用串并聯(lián)、多功能開關、局部短路）。

（4）檢驗電路是否滿足要求。

6 拓展延伸——從物理走向生活

很多學生展開了想象的“翅膀”，設計了文物保護電路，提出在打開展柜門時報警、在手伸進展柜時報警、在將展品搬離展柜時報警等多種需求，而傳統(tǒng)開關并不能滿足這樣的電路設計需求。學生想利用光控、聲控、壓力開關等新型開關，實現(xiàn)更靈敏、更智能的控制效果。學生的想法非常出色，但是智能開關的工作原理需要學生在學習完教材的第十四章“歐姆定律”后才能理解。鑒于學生的真實需求，教師可以給他們介紹一些原理較為簡單的智能開關。例如，在生活中使用非常廣泛的干簧管。

視頻介紹：干簧管（磁簧開關）是一個通過磁場操作的電開關，干簧管一般是由兩片軟磁性的金屬簧片組成，兩個簧片密封在玻璃管內(nèi)，簧片中間的間隔很小，如圖13所示。當外部有磁場靠近時，兩個簧片被磁化產(chǎn)生不同極性的磁場；當磁場強度足夠大時，兩個簧片就會吸合到一起，這樣開關就導通了。當外部磁場遠離時，簧片逐漸退磁斷開，開關斷開。因此，干簧管是一個通過磁場操作的開關。

小組合作：教師向每組學生分發(fā)一個包含磁控干簧管的電路，請學生將蜂鳴器用銅箔膠帶接入電路，以實現(xiàn)它的報警功能。

設計意圖：在本節(jié)課的任務驅(qū)動設計中，報警電路的設計是學生最感興趣且對文物保護最具有價值的任務，也是最具開放性的任務。學生在思考的過程中，可以張開想象的“翅膀”，想象小偷作案時報警器報警的情形，從而鍛煉自身思維的廣度和深度。學生多次表示想要使用光控、聲控等開關，說明他們的設計思路源于課本又高于課本，更加貼近日常生活。基于這樣的實際需求以及學生暫未學習歐姆定律的學情，教師介紹原理較為簡單的智能開關——干簧管。教師向每組學生分發(fā)干簧管實物，引導他們將磁體靠近或遠離干簧管來實現(xiàn)其閉合、斷開的功能，他們對此感到新奇、有趣，為今后的物理實踐學習打下興趣基礎。

7 結語

學生通過本次綜合實踐活動的學習，在思維層面鍛煉了設計電路、評價電路、優(yōu)化電路的能力，同時也在實踐操作層面提升了動手能力和團結合作能力。教師通過布置一系列任務，讓學生在參與中體驗，在體驗中感悟。此后，無論面對多么復雜的電路設計問題，學生都將有信心去解決。此外，筆者創(chuàng)設的參觀博物館情境，增強了學生的民族自豪感。學生紛紛表示要更加努力學習，為增強祖國的綜合國力而奮斗，同時期盼漂流海外的圓明園獸首等文化瑰寶早日回歸祖國。

參考文獻

［1］劉炳昇，李容.義務教育教科書 物理 九年級 上冊［M］.南京：江蘇鳳凰科學技術出版社，2020：80-81．

［2］任巧英.物理文化視角下綜合實踐活動課的教學設計——以初中物理“簡單電路的設計”教學片段為例［J］.物理教師，2022，43（1）：33-35．