素養(yǎng)導(dǎo)向下學(xué)生實驗電源電壓的合理設(shè)置

摘 要：以蘇科版物理九年級上冊“設(shè)計和制作一個模擬的調(diào)光燈”為例，分析教材與日常教學(xué)經(jīng)驗不符的電壓設(shè)置原因，闡述相關(guān)學(xué)生實驗電壓合理設(shè)置的優(yōu)勢和必要性，深度挖掘教材設(shè)計蘊含的素養(yǎng)導(dǎo)向。

關(guān)鍵詞：綜合實踐活動；素養(yǎng)；電源電壓；真實問題

在蘇科版物理九年級上冊“第十四章 歐姆定律”中綜合實踐活動“設(shè)計和制作一個模擬的調(diào)光燈”實驗器材板塊，教材編者在直流電源后用括號備注的方式強調(diào)電源最低電壓約9V。然而在一線教學(xué)的實際操作環(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）作為該活動中電路設(shè)計的電源，研讀教材和教師教學(xué)用書，教材編者并沒有對此處的設(shè)置加以說明。本文從教學(xué)實踐的角度剖析編者的設(shè)計意圖，并為本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計提供新的思路。

1 教材內(nèi)容研讀

1.1 實驗器材

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）你的安全保護措施有哪些？為什么這些措施能起到保護作用？

（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？請說說你的理由。

（6）分組討論設(shè)計方案，準(zhǔn)備和制作要合理分工。

1.4 交流與評價

寫出實驗報告和體會，并在全班交流，進行自我評價和相互評價。［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上冊第十四章“歐姆定律”的綜合實踐活動。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、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)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力”。在本節(jié)綜合實踐活動課中，學(xué)生需要在教師的引導(dǎo)下，自主實踐，完成以下學(xué)習(xí)目標(biāo)。

第一，對市場上現(xiàn)有的調(diào)光燈產(chǎn)品進行調(diào)研，了解用戶對調(diào)光燈產(chǎn)品的具體需求。

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

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

3 電源電壓不小于9V的設(shè)計意圖

3.1 培養(yǎng)學(xué)生安全用電的意識

本活動中使用的小燈泡規(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)將滑動變阻器的滑片移至阻值為0處時，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，長時間使用，燈絲會被燒斷，電路圖如圖1所示。

經(jīng)過測試，真實情境下，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，實際測量結(jié)果為2V，小于小燈泡的額定電壓，即使不為此電路設(shè)計保護措施，小燈泡也不會過載，保護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，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，此后不論如何移動滑動變阻器的滑片，小燈泡都不能夠繼續(xù)發(fā)光。學(xué)生會在驚呼中反思：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)計的過程中，保護措施是必不可少的。電路安全的意識在課堂上失敗的實驗經(jīng)歷中得到強化。電源電壓的設(shè)定為電路引入保護措施提供了現(xiàn)實必要性，也讓課堂上學(xué)生的思維得到進階。

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，調(diào)光燈電路通過調(diào)節(jié)滑動變阻器（2A 20Ω）實現(xiàn)調(diào)光功能，當(dāng)電源電壓較小時（以兩節(jié)干電池3V為例），滑動變阻器的滑片從阻值最大處移動到阻值為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。但是隨著滑動變阻器滑片的移動，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。如果增大該實驗電路的電源電壓，就可以保證小燈泡兩端的電壓在特定情況下達到其額定電壓2.5V，小燈泡的亮度可以通過滑動變阻器的調(diào)節(jié)發(fā)生較明顯的變化。

3.3 引入保護電阻，為歐姆定律的運用提供可能

將電源電壓從3V變?yōu)?V后，學(xué)生通過初步嘗試，在安全用電意識的指導(dǎo)下，明確不能將小燈泡直接連接在電源兩端?；瑒幼冏杵鳎ㄗ畲笞柚禐?0Ω）與小燈泡串聯(lián)后，滑動變阻器的滑片移至阻值最大處時，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，學(xué)生會設(shè)計出第一種保護電路的方案：移動滑動變阻器的滑片，減小滑動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，記錄下滑動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，不論滑動變阻器的滑片如何移動，小燈泡兩端的電壓都不會超過其額定電壓。

從實驗原理的角度來看，該設(shè)計方案并不存在明顯的缺陷，但在嘗試連接電路并操作后會發(fā)現(xiàn)：滑動變阻器的滑片僅向左移動一小段距離，小燈泡兩端的電壓就已經(jīng)達到2.5V，實驗現(xiàn)象如圖2所示?；瑒幼冏杵鞯幕荒茉谟覀?cè)很小的一段區(qū)間內(nèi)移動，操作不便且不符合調(diào)光燈的實際使用需求。對實驗電路進一步分析可知：由于電源電壓增大，滑動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超過額定電壓2.5V，那么留給滑動變阻器用來調(diào)節(jié)小燈泡燈光亮度的阻值范圍就很小了。［2］

至此，學(xué)生自然而然地會想到增加一個“保護電阻”來起到保護電路以及與小燈泡“分壓”的功能，將電路中滑動變阻器的阻值“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。那么保護電阻的阻值需要多大呢？需要學(xué)生運用歐姆定

律進行計算，計算過程如下：

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)一個不小于21.7Ω的定值電阻后，滑動變阻器的滑片將可以自由地從最右端移動到最左端，小燈泡兩端的電壓變化范圍增大，滑動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，實驗效果更好也更接近產(chǎn)品實際。

4 思考

4.1 仔細研讀教材，關(guān)注課本細節(jié)

教師在備課時，應(yīng)當(dāng)更加專注于課本的細節(jié)，避免忽視課本中的小字說明及括號備注等內(nèi)容。這些細節(jié)處的特殊強調(diào)無一不體現(xiàn)著教材編寫者對作為課程實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，這些細節(jié)都是值得教師們在教學(xué)實踐中好好斟酌與研究的。

4.2 摒棄經(jīng)驗主義，激發(fā)學(xué)生思維

針對本節(jié)課的設(shè)計，大數(shù)是教師在操作時仍然使用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。小電壓的電源已經(jīng)能夠完成模擬調(diào)光燈的設(shè)計，保證了整個實驗操作過程中不會出現(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驗準(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)生動的“安全用電課”，這份寶貴的學(xué)習(xí)經(jīng)驗有其不可替代的價值。這份探索中安全用電意識的自然生成過程可遇不可求，如果教師憑借經(jīng)驗選用了小電壓電源進行實驗，學(xué)生將失去寶貴的體驗機會。

4.3 教學(xué)設(shè)計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整個教學(xué)流程的推動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又一個真實問題在學(xué)生設(shè)計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，知識便得到了靈活的運用。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

［1］ 劉炳昇，李容.義務(wù)教育教科書 物理 九年級 上冊［M］.南京：江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社， 2013：105.

［2］ 魯佩用，夏文彬.基于項目學(xué)習(xí)開展初中物理綜合實踐活動——以“設(shè)計和制作一個模擬的調(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)計探討——以“設(shè)計和制作一個模擬的調(diào)光燈”為例［J］.物理之友，2019，35（2）：12-13，16.