在初中物理綜合實(shí)踐活動(dòng)中滲透工程教育①——以“設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單電路”為例

(江蘇省蘇州陽(yáng)山實(shí)驗(yàn)中學(xué)，江蘇 蘇州 215151)

1 問(wèn)題的提出

工程是將自然科學(xué)理論應(yīng)用到具體問(wèn)題解決中的過(guò)程。在基礎(chǔ)教育中應(yīng)滲透工程教育，可讓學(xué)生感受工程實(shí)施的基本環(huán)節(jié)：需求分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模型制作、測(cè)試改進(jìn)。

蘇科版初中物理教材在部分章的最后設(shè)有綜合實(shí)踐活動(dòng)，針對(duì)被目前我國(guó)基礎(chǔ)教育過(guò)分強(qiáng)調(diào)分科而忽略綜合的現(xiàn)狀，率先引入該項(xiàng)活動(dòng)。其目的不僅是復(fù)習(xí)本章的知識(shí)，更是綜合應(yīng)用跨學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，是在物理教學(xué)中滲透工程教育的良好素材。筆者以“設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單電路”為例，探討滲透工程教育的教學(xué)設(shè)計(jì)。

2 在綜合實(shí)踐活動(dòng)中滲透工程教育的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

2．1 教學(xué)目標(biāo)

“設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單電路”是《電路初探》一章的綜合實(shí)踐活動(dòng)，可為后面學(xué)習(xí)歐姆定律奠定基礎(chǔ)，主要安排了“病房呼叫系統(tǒng)”“樓梯燈”等項(xiàng)目，其教學(xué)目標(biāo)為：

(1)通過(guò)具體項(xiàng)目的實(shí)施，了解工程實(shí)施的一般環(huán)節(jié)：需求分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、測(cè)試改進(jìn)，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)；

(2)通過(guò)工程需求分析，提高學(xué)生的建模能力；

(3)通過(guò)工程設(shè)計(jì)過(guò)程，提高學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力；

(4)通過(guò)作品測(cè)試，提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。

2.2．1 設(shè)計(jì)一個(gè)病房呼叫模擬系統(tǒng)

(1)需求分析

教師播放醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng)的視頻，提問(wèn)：病人對(duì)該病房呼叫系統(tǒng)的要求是什么？護(hù)士對(duì)該系統(tǒng)的要求是什么？他們?nèi)绾尾僮鳎?/p>

生：病人按了按鈕后，要求護(hù)士站喇叭會(huì)響；護(hù)士要通過(guò)看工作屏上的指示燈，找到正在呼叫的床位。

教師追問(wèn)：要實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)功能，需要哪些電學(xué)元件？

生：按鈕是開關(guān)，一個(gè)床位需要一個(gè)開關(guān)和對(duì)應(yīng)的指示燈，另外還需要電鈴、電源、導(dǎo)線等。

(2)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

師：如果醫(yī)院里只有一張床位，電路如何設(shè)計(jì)？

學(xué)生設(shè)計(jì)電路圖，先小組討論，然后師生交流，提出了兩種方案：一是燈泡和電鈴并聯(lián)，開關(guān)在干路上；二是燈泡、電鈴、開關(guān)串聯(lián)。筆者沒有否定任何一種方案，因?yàn)樗鼈兌挤弦蟆?/p>

師：如果醫(yī)院里有兩張床位，電路應(yīng)如何設(shè)計(jì)？

學(xué)生再進(jìn)行設(shè)計(jì)、交流，也提出了兩種方案：一是第一張病床的電路中開關(guān)、燈、鈴串聯(lián)，再與第二張病床的電路并聯(lián)；二是第一張病床的電路中的開關(guān)、燈串聯(lián)，再與第二張病床的電路并聯(lián)，將一只電鈴放在干路中。通過(guò)比較分析，大家一致認(rèn)為第二種方案較好。

(3)生產(chǎn)制造

師：根據(jù)第二種設(shè)計(jì)方案，將講臺(tái)作為護(hù)士站，每組(共6個(gè)組)的課桌作為一張病床，講臺(tái)上放有電源、蜂鳴器、6個(gè)燈泡(3個(gè)LED燈，3個(gè)普通鎢絲燈泡)，給每組提供開關(guān)、雙芯電線等，請(qǐng)大家將其連好。

學(xué)生都非常投入，但不少小組遇到了技術(shù)問(wèn)題：活動(dòng)中會(huì)用到雙芯電線、開關(guān)、電源、燈泡、電鈴、短導(dǎo)線，如何使之構(gòu)成閉合電路?最終通過(guò)小組互助解決了問(wèn)題，連好了電路(圖1)。

圖1

(4)測(cè)試改進(jìn)

筆者準(zhǔn)備的燈泡中有3只LED燈，還故意放了3只普通小燈泡，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)：閉合開關(guān)時(shí)3只LED燈出現(xiàn)了預(yù)料的結(jié)果，燈亮、鈴響，而使用普通小燈泡的3組都出現(xiàn)了只有鈴響、但燈不亮的現(xiàn)象。面對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，讓學(xué)生思考：可能是什么原因造成的？有的學(xué)生說(shuō)是燈斷路，但很快被同伴否定了，因?yàn)榕c燈泡串聯(lián)的蜂鳴器能響。有的學(xué)生說(shuō)是燈泡短路，但將燈泡單獨(dú)接在電源上時(shí)燈泡能亮，說(shuō)明燈泡也沒有故障。這時(shí)，筆者說(shuō)：“等大家學(xué)完下一章歐姆定律后，謎底就能解開了?！?/p>

(5)點(diǎn)評(píng)

在教學(xué)中選用了工作電壓變化范圍較大的蜂鳴器的原因是由于各燈間是并聯(lián)的，當(dāng)有多張床位的開關(guān)同時(shí)閉合時(shí)，燈的總電阻將會(huì)變小，蜂鳴器將會(huì)分到更多的電壓，所以一定會(huì)響。但當(dāng)多組開關(guān)閉合時(shí)，LED燈的亮度將會(huì)變暗，普通的鎢絲燈泡甚至不亮，這給學(xué)生更多的實(shí)際體驗(yàn)，根據(jù)學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)水平，他們認(rèn)為兩種燈通電時(shí)都能亮，但不知道電阻的區(qū)別，這激發(fā)了學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)歐姆定律的興趣。

2.2．2 樓梯開關(guān)系統(tǒng)

(1)需求分析

在新授課的教學(xué)中，例題的講解至關(guān)重要，有助于學(xué)生完善解題步驟，規(guī)范答題，本文例題中的題目，為預(yù)習(xí)提綱中思維延伸的題目.教師帶領(lǐng)學(xué)生一同做題，總結(jié)解題步驟與方法.

教師播放樓梯燈的視頻，提問(wèn)：用戶在黑暗的環(huán)境下上樓的要求是什么？下樓的要求又是什么？

生：樓梯燈可以在樓下開，也可以在樓上開，同樣樓上、樓下關(guān)燈都可以。

師：要實(shí)現(xiàn)該功能，需要哪些電學(xué)元件？

生：需要兩只開關(guān)、一只燈泡、電源、導(dǎo)線等。

(2)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

先讓學(xué)生嘗試設(shè)計(jì)電路，然后師生交流，他們提出了如圖2所示的兩種方案：前者只有當(dāng)燈亮?xí)r，樓上、樓下才都能關(guān)燈，但燈亮?xí)r需要兩個(gè)開關(guān)都閉合；后者只有當(dāng)燈熄滅時(shí)，樓上、樓下才都能開燈，但關(guān)燈時(shí)需要兩個(gè)開關(guān)都斷開。以上兩種方案都不能實(shí)現(xiàn)樓梯燈的功能，學(xué)生感到很困惑。

圖2

筆者采用兩根不同顏色的鐵棒自制教具，介紹樓梯燈電路的原理、單刀雙擲開關(guān)模型及電路符號(hào)(圖3)。

圖3

學(xué)生又設(shè)計(jì)了如圖4所示的電路，師生交流。

圖4

(3)生產(chǎn)制造

筆者提供了一個(gè)樓梯燈的簡(jiǎn)易模型(圖5)，用學(xué)校廢舊的宣傳板作為“墻外側(cè)”，在“墻外側(cè)”用記號(hào)筆畫上樓梯，分別在樓梯下方和樓梯上方開孔，將兩只單刀雙擲開關(guān)用雙面膠固定于孔上，開關(guān)面板露出墻外。樓梯中間再開一個(gè)小孔，方便裝進(jìn)燈泡。在面板背面用雙面膠固定一個(gè)由兩節(jié)電池組成的電源。筆者先做好這些準(zhǔn)備工作，將連線的關(guān)鍵步驟留給學(xué)生。

圖5

由于學(xué)生對(duì)單刀雙擲開關(guān)不太熟悉，筆者先介紹這種開關(guān)：電流從L流入，開關(guān)的兩種狀態(tài)決定電流從L1或者L2流出。

學(xué)生面對(duì)真實(shí)情境，模擬安裝樓梯燈，雖然難度較大，不少小組第一次連接時(shí)失敗了，但筆者提供的低電壓條件允許學(xué)生失敗，學(xué)生可以不斷思考、嘗試。

(4)測(cè)試改進(jìn)

學(xué)生先在小組內(nèi)進(jìn)行電路連接、測(cè)試，然后在班上交流，有5個(gè)小組順利完成了任務(wù)，有一組沒有完成任務(wù)(圖6)，究其原因是他們沒有認(rèn)真閱讀單刀雙擲開關(guān)的使用說(shuō)明書，厘清其內(nèi)部的連線方式。此時(shí)，筆者強(qiáng)調(diào)：在生活中使用各種電器元件前一定要認(rèn)真閱讀說(shuō)明書，只要平時(shí)學(xué)習(xí)時(shí)能理解透相關(guān)原理，就能輕松地看懂這類說(shuō)明書。

圖6

(5)點(diǎn)評(píng)

筆者在樓梯燈的教學(xué)環(huán)節(jié)中，不是先講授單刀雙擲開關(guān)，再設(shè)計(jì)樓梯燈電路圖，而是讓學(xué)生先嘗試設(shè)計(jì)電路，發(fā)現(xiàn)用現(xiàn)有知識(shí)無(wú)法解決問(wèn)題，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的興趣。而對(duì)于單刀雙擲開關(guān)的學(xué)習(xí)，筆者用兩個(gè)不同顏色的金屬棒作為連接樓上樓下開關(guān)的導(dǎo)線，用鱷魚夾夾在不同金屬棒上表示開關(guān)處在不同狀態(tài)，上下兩個(gè)鱷魚夾若夾在同樣的金屬棒上，則樓梯燈亮，否則不亮。通過(guò)形象的情境模擬，建構(gòu)單刀雙擲開關(guān)的模型，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。

3 教學(xué)反思

(1)活動(dòng)教學(xué)目標(biāo)的提煉不僅要從物理學(xué)科角度考慮，還要從學(xué)科綜合角度考慮，即本課不僅要復(fù)習(xí)串、并聯(lián)電路知識(shí)，提高學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力、抽象概括和建模能力，還要通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程讓學(xué)生體會(huì)工程實(shí)施的一般步驟，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。

(2)工程教育要抓住課堂教學(xué)主陣地，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)，如對(duì)第一個(gè)項(xiàng)目筆者精心準(zhǔn)備器材、營(yíng)造病房環(huán)境，讓學(xué)生很快就能“入戲”，設(shè)計(jì)、連接電路，使“病床”能呼叫“護(hù)士站”。再如在樓梯燈項(xiàng)目中，筆者課前先將“墻面”開孔，做好器材準(zhǔn)備等工作，在課堂上讓學(xué)生完成重要任務(wù)。

(3)在綜合實(shí)踐活動(dòng)中要強(qiáng)調(diào)真項(xiàng)目、真探究。學(xué)生對(duì)完成一個(gè)有實(shí)際意義的真實(shí)項(xiàng)目有濃厚的興趣，“病房呼叫系統(tǒng)”比較復(fù)雜，但學(xué)生在教室中搭建了一個(gè)能實(shí)現(xiàn)該功能的系統(tǒng)，而且成本很低，在普通燈泡不亮、但鈴響的環(huán)節(jié)中，還進(jìn)行了真實(shí)故障排除的探究過(guò)程，樓梯燈的安裝也是高仿真活動(dòng)。

(4)在綜合實(shí)踐活動(dòng)中要考慮學(xué)生安全問(wèn)題。由于綜合實(shí)踐活動(dòng)基于真實(shí)項(xiàng)目，不僅要對(duì)學(xué)生進(jìn)行安全教育，提高其安全意識(shí)，還要讓學(xué)生在絕對(duì)安全的環(huán)境下進(jìn)行活動(dòng)。在本活動(dòng)的兩個(gè)電路中，筆者都是采用低壓電源，保證了學(xué)生的安全，同時(shí)讓學(xué)生討論在220V的環(huán)境中安全連接樓梯燈的問(wèn)題。

(5)在綜合實(shí)踐活動(dòng)中要讓學(xué)生了解工程實(shí)施的步驟及意義。本活動(dòng)的兩個(gè)項(xiàng)目都是以需求分析開始，意在讓學(xué)生說(shuō)出電路系統(tǒng)的所有功能。在需求分析后再進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、測(cè)試。每個(gè)步驟穩(wěn)步推進(jìn)，若在后面階段才發(fā)現(xiàn)需求分析出錯(cuò)或設(shè)計(jì)出錯(cuò)，其工程實(shí)施成本將大幅度增加。