建构物理概念 培养科学思维——以建构滑动变阻器为例

徐志红 张世成

(1. 江苏省无锡市凤翔实验学校，江苏 无锡 214043； 2. 江苏省梁溪区教师发展中心，江苏 梁溪 214043)

现代社会,没有电几乎就是没法生活,虽然生活中处处有电,但电是看不见的、是抽象的,而且是危险的,故而对初中学生而言,人人皆是“谈电色变”,所以电学概念的建构比较困难．

本文以建构滑动变阻器为线索,学生实验和自制教具为手段,通过“创设情景”、“协作会话”、“质疑创新”、“科学建模”,突破学生对滑动变阻器的思维“痛点”,促进思维发展,提高思维品质,完成对新认知的建构．

1 创设情景,突破思维“痛点”——哪部分是接入电路中的电阻线?

滑动变阻器的原理是通过改变接入电路中电阻线的长度来改变电阻的．由于电流是看不见的,故而认识“接入电路中电阻线”成为学生的思维“痛点”． 为突破这个思维“痛点”,把生活中的调光台灯引入课堂,采用任务驱动的方法,引导学生参与制作简易调光灯,从生活走向物理．所创设的学习情境必须有利于学生对滑动变阻器原理的建构,在建构主义学习环境下,教学设计要考虑教学目标,更要考虑有利于学生建构的问题．

图1

教师先演示并请学生观察调光台灯灯光亮度的变化．并追问:你看到了什么现象?灯亮度发生变化的原因是什么?电流发生变化的原因是什么?改变导线电阻的方法有哪些?改变哪个因素最为方便?最后请学生设计电路,用铅笔芯改变小灯泡的亮度．从体验调光台灯到用铅笔芯改变灯泡的亮度，如图1所示．

通过体验,让学生初步了解生活中对变阻器的应用,体会物理来源于生活,提高学习兴趣．并通过追问作为前测,了解学生已有的知识储备．也是为下面的活动作准备．

学生活动:设计电路,尝试用铅笔芯改变小灯泡的亮度．

并追问:改变灯泡亮度的方法是什么?所谓改变电阻线的长度,是改变AB、AP还是BP段电阻线的长度?为什么是AP的长度而不是BP的长度?AP和BP导线有什么不同?并请学生画出电流路径,如图2所示,AP中有电流流过而BP中没有电流流过．

图2

在关键的“痛点”处必须要通过追问,问出学生的想法,问出评价的证据．当学生说出“改变的是AP段的长度”时,是不是真理解了滑动变阻器的原理?也许是模棱两可的猜测．故而必须要继续追问“为什么改变的是AP而不是BP的长度?AP和BP导线有什么不同?”问出“接入电路中电阻线”的本质是——该电阻线中有电流流过．

通过连接电路图、实验操作和画电流路径等多种教学手段,逐步体验灯泡亮度变化的成功感,增加学生对物理现象的感性认识,提高形象思维能力．并用追问与画电流路径相结合进行合理的分析,锻炼学生的逻辑思维,提高学生的思维深度和广度．从而达到正确说出滑动变阻器原理的教学目标．

2 协作改进,突破思维“痛点”——为何要刮去绝缘漆

协作发生在学习过程的始终,协作就是对学习资料的搜集和分析、通过追问和对话对方案进行改进等,使认知水平进一步的提高．以问题为导向引导学生高度智力投入．

从寻找铅笔芯改变灯泡亮度的缺点开始,对滑动变阻器雏形进行改进．学生发现,操作不方便,灯泡亮度变化的范围太小等．

于是追问:如何使灯泡亮度变化范围变大?要增大导线的电阻有哪些方法?电阻线很长还是不方便,你有什么好的办法?铁筒和塑料绝缘筒(图3),你选哪一个?裸电阻线和漆包电阻线(图4),你选哪一个?

图3

图4

把上面刚绕制好的滑动变阻器按照铅笔芯的接法把AD接线柱接入电路,闭合开关,灯泡不亮,教师多试了几次,还是不亮．本想看到意料之中的灯泡发光,却在意料之外,如此辛苦的改进与设计,等来的却是灯泡不亮!老师无奈地问“怎么回事?”

在建构滑动变阻器过程中,不仅要建构硬件结构及组成,更要建构学生思维上的“痛点”—— 为什么要刮去电阻线上的绝缘漆(图5)?否则就是简单的知识灌输,将会失去对学生的科学思维训练．

早有学生举手“老师会不会是原来电路有问题?”教师连了原电路,灯亮,说明原电路没有问题．那问题应该在刚接入的滑动变阻器上,“老师会不会接入电阻太大,导致灯泡无法发光?”教师把划片P从一端滑到另一端,灯还是没有亮起来．学生继续思考,此时教师可以引导“我们来画画电流路径,查查哪可能出问题?”当电流从电阻线圈欲向划片P流去时,有学生就喊了出来“老师,漆包电阻线是绝缘的,电流不能流入划片P”．于是“刮去电阻线与划片P接触的绝缘漆”是为完成任务的需求而来的,是非“刮去”不可的,“刮去”来的非常自然和及时．

图5

要突破这个思维“痛点”,必须要有预设,设置一个连带教师学生一起掉入的“陷阱”, 要在学生的意料之外,产生强烈的认知冲突．

3 质疑创新,突破思维“痛点”——刮去后,圈与圈之间是否又直接连通了

当笔者问出这问题后,就有部分学生表示赞同,心中存在同样的疑问:刮去绝缘漆后圈与圈之间是否会直接相通?如果直接相通,那前面的设计就白做了．学生有这样的想法是正常的,绝缘漆刮去了,那就剩下铜导线了,当然就直接相通了．

初中学生所处的年龄阶段,以形象思维为主,抽象思维能力较弱,很难通过抽象思维去理解:电阻线是圆的,刮去表面部分漆,边上还是留有绝缘漆的,所以圈和圈之间还是绝缘的．所以教师必须要让学生通过体验等手段,增加具体的形象思维,帮助其建构抽象思维．

图6

笔者将非常粗的导线绕制在绝缘PVC管上,并用螺丝旋紧．然后在课堂上请学生用锉刀挫去表面绝缘漆,直至露出铜导线,然后请学生仔细观察,如图6．学生清楚的看到有铜线露在外面,能够与划片P接触,同时圈与圈之间还是有较厚绝缘橡胶的．

4 科学建模,突破思维“痛点”—— 接入电路的电阻线真的是AP段?电流真的是一圈一圈流经很长的电阻线吗

为帮助学生突破这个思维难点,笔者用LED灯带模拟电阻线,用双面胶把灯带绕在PVC管上,制作了一个“超级”滑动变阻器,用不锈钢制作支架,并安装上金属棒和划片P(图7)．

图7

演示1:当把AD接入电路时,AP段LED灯带发光;再把BD接入电路时,可看到BP段LED灯带发光．用可视的LED灯带验证了学生对接入电路中电阻线的判断．

演示2:支架是可拆卸的,接着上面的实验,把B端的支架拆掉,笔者把灯带一圈一圈的拉出,同时请学生牵引,让学生很直观地看到电流经过的导线有多么的长.以解开学生心中的疑惑．

“超级”滑动变阻器不是真正的滑动变阻器,这是一种科学模型法,用有电流经过的LED灯发光路径模拟电流经过的电阻线的路径,从而体验并验证对接入电路的电阻线的判断．又通过拉出LED灯带模拟电流是一圈一圈流经电阻线的,感知电流经过的电阻线究竟有多长.

从滑动变阻器的铅笔芯雏形开始,经过选材、绕制、刮漆、LED灯带释疑等步骤,既完成了滑动变阻器结构的建构,又完成了学生对滑动变阻器思维的建构,使“铅笔芯”完成了一个华丽转形．

这种利用科学模型研究物理现象在教学中较为常见,在研究问题时,突出模拟所研究物理现象的主要因素,忽略次要因素,建立起来的实物模型,能够连接学生的思维纽带,对建构概念起着不可替代的作用．

苏联著名教育家苏霍姆林斯基指出的:“人的内心里有一种根深蒂固的需要——总想感到自己是发现者、研究者、探寻者．在儿童的精神世界中,这种需求特别强烈,但如果不向这种需求提供养料,即不积极接触事实和现象,缺乏认识的乐趣,这种需求就会逐渐消失,求知兴趣也与之一道熄灭．”故而要以学生为中心,抓住学生的心理特征和思维发展特点,研究物理概念的内涵和外延,找到学生的思维“痛点”,并作为教学资源和设计课程的证据,让学生“感到自己是发现者、研究者、探寻者”．