摘 要：以蘇科版物理九年級(jí)上冊(cè)“設(shè)計(jì)和制作一個(gè)模擬的調(diào)光燈”為例，分析教材與日常教學(xué)經(jīng)驗(yàn)不符的電壓設(shè)置原因，闡述相關(guān)學(xué)生實(shí)驗(yàn)電壓合理設(shè)置的優(yōu)勢(shì)和必要性，深度挖掘教材設(shè)計(jì)蘊(yùn)含的素養(yǎng)導(dǎo)向。

關(guān)鍵詞：綜合實(shí)踐活動(dòng)；素養(yǎng)；電源電壓；真實(shí)問題

在蘇科版物理九年級(jí)上冊(cè)“第十四章 歐姆定律”中綜合實(shí)踐活動(dòng)“設(shè)計(jì)和制作一個(gè)模擬的調(diào)光燈”實(shí)驗(yàn)器材板塊，教材編者在直流電源后用括號(hào)備注的方式強(qiáng)調(diào)電源最低電壓約9V。然而在一線教學(xué)的實(shí)際操作環(huán)節(jié)中，教師往往選用兩節(jié)干電池（電壓3V）或三節(jié)干電池（電壓4.5V）作為該活動(dòng)中電路設(shè)計(jì)的電源，研讀教材和教師教學(xué)用書，教材編者并沒有對(duì)此處的設(shè)置加以說明。本文從教學(xué)實(shí)踐的角度剖析編者的設(shè)計(jì)意圖，并為本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)提供新的思路。

1 教材內(nèi)容研讀

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

直流電源（最低電壓約9V）、小燈泡（2.5V 0.3A）、燈座、開關(guān)、各種鉛筆、導(dǎo)線、金屬回形針、各種規(guī)格的定值電阻（可通過的電流不低于0.3A）、電流表（量程為0～0.6A和0～3A）、電壓表（量程為0～3V和0～15V）、各種工藝材料和工具，也可以自選你認(rèn)為合適的器材。

1.2 要求

（1）調(diào)光燈的亮度能夠連續(xù)調(diào)節(jié)。

（2）注意安全，在調(diào)節(jié)過程中要避免燒壞小燈泡。

（3）制作的調(diào)光燈要牢固、美觀。

1.3 思考與制作

（1）你設(shè)計(jì)的電路有哪些功能？

（2）在虛線框內(nèi)畫出電路圖。

（3）你的安全保護(hù)措施有哪些？為什么這些措施能起到保護(hù)作用？

（4）你是怎樣調(diào)節(jié)電流大小的？你選擇了什么樣的材料做變阻器？為什么？

（5）你怎樣確定電路中一些器件的規(guī)格？請(qǐng)說說你的理由。

（6）分組討論設(shè)計(jì)方案，準(zhǔn)備和制作要合理分工。

1.4 交流與評(píng)價(jià)

寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告和體會(huì)，并在全班交流，進(jìn)行自我評(píng)價(jià)和相互評(píng)價(jià)。［1］

2 素養(yǎng)導(dǎo)向下的學(xué)習(xí)目標(biāo)分析

本節(jié)課是蘇科版物理九年級(jí)上冊(cè)第十四章“歐姆定律”的綜合實(shí)踐活動(dòng)。學(xué)生在學(xué)習(xí)了第十三章“電路初探”及第十四章“歐姆定律”后，初步掌握了電路的基本知識(shí)、電流表和電壓表的使用、電阻和變阻器的原理及歐姆定律的應(yīng)用。

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中提到物理學(xué)科核心素養(yǎng)包含物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)維度。具體來說是指“學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力”。在本節(jié)綜合實(shí)踐活動(dòng)課中，學(xué)生需要在教師的引導(dǎo)下，自主實(shí)踐，完成以下學(xué)習(xí)目標(biāo)。

第一，對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的調(diào)光燈產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研，了解用戶對(duì)調(diào)光燈產(chǎn)品的具體需求。

第二，運(yùn)用已經(jīng)學(xué)習(xí)的電路基本結(jié)構(gòu)和歐姆定律的知識(shí)，自行設(shè)計(jì)電路。

第三，在電路設(shè)計(jì)過程中，牢固樹立安全用電的意識(shí)，培養(yǎng)動(dòng)手能力和審美能力。

3 電源電壓不小于9V的設(shè)計(jì)意圖

3.1 培養(yǎng)學(xué)生安全用電的意識(shí)

本活動(dòng)中使用的小燈泡規(guī)格為“2.5V 0.3A”，若使用兩節(jié)干電池（3V）作為直流電源，當(dāng)將滑動(dòng)變阻器的滑片移至阻值為0處時(shí)，理論上說，小燈泡兩端的電壓等于電源電壓，超過其額定電壓，小燈泡將過載，長(zhǎng)時(shí)間使用，燈絲會(huì)被燒斷，電路圖如圖1所示。

經(jīng)過測(cè)試，真實(shí)情境下，考慮導(dǎo)線及電路其他各部分的電阻，小燈泡兩端的電壓并不等于電源電壓，實(shí)際測(cè)量結(jié)果為2V，小于小燈泡的額定電壓，即使不為此電路設(shè)計(jì)保護(hù)措施，小燈泡也不會(huì)過載，保護(hù)措施似乎不是必須的。學(xué)生在此情況下非常容易忽略電路安全的考量，無法養(yǎng)成良好的用電習(xí)慣，不利于學(xué)科素養(yǎng)的養(yǎng)成。

相反，按照教材的設(shè)計(jì)，我們使用最低電壓約9V（6節(jié)干電池）的直流電源，同樣將滑動(dòng)變阻器的滑片移至阻值為0處，在開關(guān)閉合的瞬間，小燈泡劇烈發(fā)光后熄滅，此后不論如何移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，小燈泡都不能夠繼續(xù)發(fā)光。學(xué)生會(huì)在驚呼中反思：小燈泡熄滅的原因是小燈泡兩端的電壓太大，超過其額定值，在電路設(shè)計(jì)的過程中，保護(hù)措施是必不可少的。電路安全的意識(shí)在課堂上失敗的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷中得到強(qiáng)化。電源電壓的設(shè)定為電路引入保護(hù)措施提供了現(xiàn)實(shí)必要性，也讓課堂上學(xué)生的思維得到進(jìn)階。

3.2 保證變阻器能夠起到明顯的調(diào)光作用

根據(jù)電路設(shè)計(jì)，調(diào)光燈電路通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器（2A 20Ω）實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能，當(dāng)電源電壓較小時(shí)（以兩節(jié)干電池3V為例），滑動(dòng)變阻器的滑片從阻值最大處移動(dòng)到阻值為0處，小燈泡兩端的電壓由0.4V增大至2V，電壓表的示數(shù)發(fā)生了較明顯的變化。但是隨著滑動(dòng)變阻器滑片的移動(dòng)，肉眼只能觀察到小燈泡的亮度從完全不發(fā)光變?yōu)榘l(fā)出微弱的光，調(diào)光的效果很不明顯。

分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可知：小燈泡的亮度變化不明顯源于其兩端的電壓變化跨度不夠大。如果增大該實(shí)驗(yàn)電路的電源電壓，就可以保證小燈泡兩端的電壓在特定情況下達(dá)到其額定電壓2.5V，小燈泡的亮度可以通過滑動(dòng)變阻器的調(diào)節(jié)發(fā)生較明顯的變化。

3.3 引入保護(hù)電阻，為歐姆定律的運(yùn)用提供可能

將電源電壓從3V變?yōu)?V后，學(xué)生通過初步嘗試，在安全用電意識(shí)的指導(dǎo)下，明確不能將小燈泡直接連接在電源兩端?；瑒?dòng)變阻器（最大阻值為20Ω）與小燈泡串聯(lián)后，滑動(dòng)變阻器的滑片移至阻值最大處時(shí)，小燈泡兩端的電壓為1.7V，低于小燈泡的額定電壓，電路是安全的。此時(shí)，學(xué)生會(huì)設(shè)計(jì)出第一種保護(hù)電路的方案：移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，減小滑動(dòng)變阻器連入電路中的阻值，電路中電流增大，小燈泡兩端的電壓也增大。當(dāng)小燈泡兩端的電壓增大至額定電壓 2.5V時(shí)，記錄下滑動(dòng)變阻器滑片所在的位置并在此處安裝“限位器”，保證調(diào)節(jié)燈光亮暗的過程中，不論滑動(dòng)變阻器的滑片如何移動(dòng)，小燈泡兩端的電壓都不會(huì)超過其額定電壓。

從實(shí)驗(yàn)原理的角度來看，該設(shè)計(jì)方案并不存在明顯的缺陷，但在嘗試連接電路并操作后會(huì)發(fā)現(xiàn)：滑動(dòng)變阻器的滑片僅向左移動(dòng)一小段距離，小燈泡兩端的電壓就已經(jīng)達(dá)到2.5V，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示?；瑒?dòng)變阻器的滑片只能在右側(cè)很小的一段區(qū)間內(nèi)移動(dòng)，操作不便且不符合調(diào)光燈的實(shí)際使用需求。對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)一步分析可知：由于電源電壓增大，滑動(dòng)變阻器的大部分阻值需要承擔(dān)與小燈泡“分壓”的職能以保證小燈泡兩端的電壓不會(huì)超過額定電壓2.5V，那么留給滑動(dòng)變阻器用來調(diào)節(jié)小燈泡燈光亮度的阻值范圍就很小了。［2］

至此，學(xué)生自然而然地會(huì)想到增加一個(gè)“保護(hù)電阻”來起到保護(hù)電路以及與小燈泡“分壓”的功能，將電路中滑動(dòng)變阻器的阻值“釋放”出來全部用來改變電路中的電流，起到調(diào)節(jié)小燈泡亮度的功能。那么保護(hù)電阻的阻值需要多大呢？需要學(xué)生運(yùn)用歐姆定

律進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程如下：

U保＝U電－U額＝9V－2.5V＝6.5V，

R保＝

U保I保

＝

U保I額

＝6.5V0.3A

≈21.7Ω。

在電路中串聯(lián)一個(gè)不小于21.7Ω的定值電阻后，滑動(dòng)變阻器的滑片將可以自由地從最右端移動(dòng)到最左端，小燈泡兩端的電壓變化范圍增大，滑動(dòng)變阻器的全部阻值區(qū)間都可以被用來調(diào)節(jié)燈泡的亮度，實(shí)驗(yàn)效果更好也更接近產(chǎn)品實(shí)際。

4 思考

4.1 仔細(xì)研讀教材，關(guān)注課本細(xì)節(jié)

教師在備課時(shí)，應(yīng)當(dāng)更加專注于課本的細(xì)節(jié)，避免忽視課本中的小字說明及括號(hào)備注等內(nèi)容。這些細(xì)節(jié)處的特殊強(qiáng)調(diào)無一不體現(xiàn)著教材編寫者對(duì)作為課程實(shí)施主體的一線教師的指導(dǎo)。特殊說明的部分一定存在著特殊的用意，這些細(xì)節(jié)都是值得教師們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中好好斟酌與研究的。

4.2 摒棄經(jīng)驗(yàn)主義，激發(fā)學(xué)生思維

針對(duì)本節(jié)課的設(shè)計(jì)，大數(shù)是教師在操作時(shí)仍然使用3V或4.5V的電源電壓，很大一部分原因是基于自身多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。小電壓的電源已經(jīng)能夠完成模擬調(diào)光燈的設(shè)計(jì)，保證了整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過程中不會(huì)出現(xiàn)燈泡被燒壞的情況，2節(jié)干電池也比6節(jié)干電池操作起來更加方便。從完成教學(xué)任務(wù)和操作簡(jiǎn)便的角度來看，這樣做無可厚非。

然而從激發(fā)學(xué)生思維和培養(yǎng)核心素養(yǎng)的角度來看，由6節(jié)干電池組成的9V直流電源雖然增加了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段的工作量，但是初次嘗試過程中被燒壞的小燈泡為學(xué)生們上了一節(jié)生動(dòng)的“安全用電課”，這份寶貴的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)有其不可替代的價(jià)值。這份探索中安全用電意識(shí)的自然生成過程可遇不可求，如果教師憑借經(jīng)驗(yàn)選用了小電壓電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將失去寶貴的體驗(yàn)機(jī)會(huì)。

4.3 教學(xué)設(shè)計(jì)中的小變化有大作用

遵循教材的提示，將直流電源的電壓由3V增加到9V，這一看似微小的改變對(duì)整個(gè)教學(xué)流程的推動(dòng)起到了決定性的作用，［3］讓教學(xué)的過程得到了升華。電壓值的變化使得一個(gè)又一個(gè)真實(shí)問題在學(xué)生設(shè)計(jì)電路的過程中接踵而來。解決了這些問題，學(xué)生的素養(yǎng)便得到了大幅提升，知識(shí)便得到了靈活的運(yùn)用。宏觀上來看，這些問題的產(chǎn)生并不是教師預(yù)設(shè)的，但是這些問題的解決是符合教師預(yù)期的，電源電壓的變化起到了四兩撥千斤的效果，串聯(lián)起整節(jié)課的教學(xué)邏輯和脈絡(luò)，引領(lǐng)著課堂的走向。

參考文獻(xiàn)

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［2］ 魯佩用，夏文彬.基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)開展初中物理綜合實(shí)踐活動(dòng)——以“設(shè)計(jì)和制作一個(gè)模擬的調(diào)光燈”教學(xué)為例［J］.物理教師，2021，42（10）：47-49.

［3］ 程榮貴.基于問題解決的物理教學(xué)設(shè)計(jì)探討——以“設(shè)計(jì)和制作一個(gè)模擬的調(diào)光燈”為例［J］.物理之友，2019，35（2）：12-13，16.