利用掌上教研平台提升物理教研效率——以“电路设计——分压器电路中滑动变阻器的选择”为例

杨小知

利用掌上教研平台提升物理教研效率
——以“电路设计——分压器电路中滑动变阻器的选择”为例

杨小知

以变阻器的教学设计为例，讲述教师能够通过微信教研平台，获得教学素材，启发教学思路，从而进行合理的教学设计，引导学生通过图形分析得出分压器电路中选择滑动变阻器的原则，培养和提升其数据分析能力。教师还能通过平台与同行进行交流探讨，获得更多的探索和教学视角，开拓了教师的思路。

掌上教研 物理教学 分压电路 滑动变阻器

随着微信功能越发强大，它已逐步成为教育教学管理的有力工具，也成为教师备课、教研、师生互动的高效平台。上海市长宁区为优化教研方式，保证区域教研活动的开展，搭建了“米美妙”物理教研平台，利用该平台，教研员及教师能够及时发布信息、汇总想法、传播经验、促进交流，打破时空界限，有效提升了教研活动的效率。笔者以“电路设计——分压器电路中滑动变阻器的选择”一课为例，利用微信平台进行掌上教研的探索。

一、提供教育资讯，激发教师探讨

“米美妙”物理教研平台发布了一条教研资讯“分压电路：试试你获取信息的能力”。发布者用绘图软件绘制出分压电路（图1）负载两端的电压U与滑动变阻器和负载并联那部分电阻x之间的函数关系，如图2所示。具体参数如下：电源电动势3V，电源内阻r=5Ω，滑动变阻器电阻R=20Ω，负载电阻R0分别为40Ω、30Ω、20Ω、10Ω、5Ω。从U-x图像中，你能获取到哪些信息？

图1 分压电路

图2 U-x图

留言中教师们畅所欲言，有教师说，负载电阻和变阻器阻值相差10倍时，移动滑片时负载电压几乎是线性变化的；有教师说，随着负载电阻的增加，图线趋向线性；有教师说，负载电阻越大，x通过电流越小，能耗越小。

滑动变阻器是中学物理中的重要实验器材，初中阶段，由于认知水平的限制，教学中只研究限流接法，高中阶段，分压器接法的教学则可以全方位提升学生的科学素养：电路接线可以提高实验操作水平，培养将电路图和实物图联系起来的抽象思维能力；负载和滑动变阻器的选择可以帮助学生学会电路设计中电路及器材选择的基本原则；动态、极值等问题的分析，又可以加深对闭合电路多个物理量间关系的理解，建立用数学工具解决物理问题的思维方法。

为帮助学生更好、更深入地学习滑动变阻器，笔者基于此信息优化研究课——“电路设计——分压器电路中滑动变阻器的选择”。这节课是针对本校高二选修物理的学生开设的一节研究型课。课前，学生已经学习了限流电路与分压电路的特点，在此基础上，可以对电路设计中器材选择的难点——滑动变阻器的选择进行探究。在这节课中，笔者以探究为主线，以实验为主要教学手段，让学生体会电路设计中电路及器材选择的基本原则，通过DIS学生实验，研究分压电路中如何进行负载和滑动变阻器的搭配才能达到最佳的调节效果，体验并分析滑动变阻器的阻值对电路可调性的影响，突破教学难点。

二、辨析总结信息，改进提升教学

在电路一章的教学中，滑动变阻器的三种常见接法是重点，除限流接法学生在初中就熟悉之外，分压和双臂环路两种接法都需要用到四个接线柱中的三个，学生普遍感觉比较难，特别是分压电路中负载和滑动变阻器如何搭配，调节滑片过程中的动态分析和极值问题都是难点，对学生的能力要求比较高。为此，笔者设计了实验，帮助学生通过图形的分析得出分压器电路中选择滑动变阻器的原则。

（一）教学设计

笔者在示教板内部嵌有两个相同的分压电路（如图3所示），两个相同的小灯泡，两只外观相同的滑动变阻器；请两位学生配合以相同的速度移动滑片，观察小灯泡的亮度变化情况。

图3

学生们发现其中一个负载小灯泡亮度变化均匀；而另一个变化不均匀，前面不亮，后来一下子亮起来。这个强烈的反差引起了学生的讨论，普遍的观点是滑动变阻器虽然外观相同，但总阻值不同；对于总阻值的大小，学生的观点并不一致。由此引出了用DIS实验来研究分压器电路中负载两端的电压随调节幅度的变化曲线。

由于滑动变阻器不能够定量读出电阻值，教师提示学生用电阻箱来替代滑动变阻器，并引导学生思考，如何能做到等效？学生经过讨论得出：让两个电阻箱的阻值之和不变，一部分在干路上，一部分与负载并联（如图4所示）。

图4

为避免受温度影响，笔者用2.2kΩ的定值电阻替代小灯泡，引导学生进行小组实验设计。每一小组需要完成三组数据：分别用两个电阻箱等效替代0—100Ω，0—10000Ω，0—100000（99999）Ω的滑动变阻器，每次调节总阻值的1/10，完成11个数据点的采集。同样是调节1/10，但不同的滑动变阻器调节的阻值却不同，横坐标取哪个量才能使三条曲线分布在同一个范围内，具有可比性呢？学生讨论后认为应该是调节的比例，即调节长度占总长度的比例，也就是x/l。

在厘清思路之后，教师对实验操作进行了精细的指导。首先按要求连接好电路，实验前将电压传感器短接调零，建立表格及变量x/l，依次调节R1=0Ω，R2=100Ω，R1=10Ω，R2=90Ω……R1=100Ω，R2=0Ω，每次调节后点击记录电压值，并在变量x/l中依次输入0，0.1，0.2……1.0，以x/l为横坐标，U为纵坐标，画出离散点。第二组实验前锁定已得曲线，并重新建立表格，完成第二、三组实验，在设置中调节颜色，以区别三次实验的结果。

图5是一组同学得到的U-x/l图线截屏，图中“·”代表0—100Ω的滑动变阻器，“×”代表0—10000Ω的滑动变阻器，“▲”代表0—100000（99999）Ω的滑动变阻器，图线清晰地反映了对于同一负载（2.2kΩ），选择总阻值越小的滑动变阻器，输出电压调节越均匀，反之则先不变后突变。

图5 U-x/l图线截屏

由此得到这节课的主旨：滑动变阻器总阻值相对负载电阻较小时，负载电压随调节幅度变化比较均匀； 滑动变阻器总阻值相对负载电阻较大时，负载电压随调节幅度在前阶段变化平缓，后阶段突然增加。即滑动变阻器总阻值相对负载电阻较小时，负载电压的可调性比较好。

（二）基于掌上教研平台的思考

高中物理实验教学中，对实验数据的分析，可以认识等效替代、数形结合等研究方法；对实验数据的处理过程，认识由实验归纳到总结物理规律，由感性到理性是物理学研究的基本过程。笔者通过阅读微信平台的教师留言，发现还有许多可以与学生交流探讨的方面。

微信平台留言中，有教师称，x=25Ω处有个交点。由于给定的参数中电源有内阻，当滑片移至最右端时，x越大，外电阻越大，路端电压越大，故x=25Ω处实际不可能有交点，可能是图片精度不高引起的视觉误差。从实验中得到的U-x/l图线可以看出，最右边的三个数据点并不重合，线性最差组的U最大，而这一组实验恰为负载远小于滑动变组器总阻值的情况。教学中，可以引导学生思考：为什么最左边的三点重合，而最右边的三点不重合？为什么最右边三点中线性最差那组输出电压最大？这些问题的思考可以加深学生对闭合电路的理解。

也有教师说，R0和R比值越小，U与x比值先变小后变大，即流过x部分的电流先变小后变大。这条支路上电流Ix的动态分析，一般都会用函数推理的方法：

闭合电路欧姆定律及分流关系有：

整理得：

对分母配方得：

可知Ix的最小值出现在滑动变阻器支路部分阻值和干路上所有电阻（含电源内阻）阻值之和相等时。由二次函数的特点又可判断Ix随x先变小再变大。

以上推理对学生的能力要求较高，转换一下思路，实验中线性最差的线上过原点的割线斜率是先变小后变大，这个斜率的物理意义是输出电压与滑动变阻器并联部分电阻的比值，也就是滑动变阻器支路上的电流强度。因此电流先变小后变大的规律，也可以通过图线得到。

再看图2最下面一条图线，上述割线斜率最小值位置出现在滑动变阻器并联部分电阻为12.5Ω时，干路上的总阻值是滑动变阻器干路部分阻值加上内阻，刚好也为12.5Ω。这和函数推理的结果吻合，一个来自理论，一个来自实验，相得印证。教师可以引导学生碰到问题时能够从多个维度思考，理论结合实践。

微信给大家的学习和生活带来了巨大的变革。信息技术不再单是课堂教学的辅助手段，而逐渐成为了教育教学的推进力量。“米美妙”掌上教研平台不仅使教师可以将好的资源呈现于掌上，分享于同行，使教师们随时随地获取，而且拉近了教师之间的距离，另外，教师在通过掌上平台分享自己的教学经验的同时，也零距离获得了好的建议，这使得物理学科教研更加接地气，也更具有实效性。

杨小知上海市延安中学200336