例谈二维电路的实验设计与教学应用*

刘作志

(高密市豪迈中学 山东 潍坊 261500)

常明泉

(高密市第四中学 山东 潍坊 261500)

2019年11月教育部在《关于加强和改进中小学实验教学的意见》中提出，实验教学要“强化学生实践操作、情境体验、探索求知、亲身感悟和创新创造，着力提升学生的观察能力、动手实践能力、创造性思维能力和团队合作能力”[1].要增强实验教学的实践性、情境性、探究性、体验性和创新性，只在实验室里做好常规实验是不够的，应该创新实验形式，特别注意非常规实验、数字化实验、自主创新实验等对改善教师实验教学，发展学生核心素养的价值.与初中物理课程的其他模块相比，电学模块的实验方式似乎略显单一，原因之一是受制于器材.利用一般的学生实验电路可以很好地完成常规实验，但很难在情境性、探究性和创新性上有所突破.近年来，市场上出现了一种可以自由粘贴的金属箔胶带，如图1所示，用于烟囱的补漏、花木的保护等，笔者将这种廉价的新材料引入物理教学，在几类电学实验的教学设计与应用中取得了良好的效果.

图1 金属箔胶带

1 二维电路及其特点

1.1 二维电路的界定

依托任何一个面——桌面、墙面、器物表面等，金属箔胶带通过与其他元件的自由粘连都可以构成电路，笔者将这种电路称为“二维电路”(图2).这种称谓并不是为了制造噱头，图3是学生将金属箔胶带粘贴在香水瓶上做成的创意装饰灯，显然香水瓶表面并非平面，二维电路的称谓比“平面电路”要更适切些.

图2 简单的二维电路

图3 学生利用金属箔胶带自制装饰灯

具体怎样制作一个二维电路呢？只需要一些简单的生活物品：一个一次性饭盒盖充当线路板，一枚硬币充当开关，再加一枚纽扣电池和LED灯珠，用金属箔胶带粘贴起来，如图2所示，一个简单的二维电路就做好了.

1.2 二维电路的特点

如表1所示，笔者从实验和教学两个维度，分8个方面对常规实验电路和二维电路进行了比较，应该说两种实验设计思路各有优劣，并且有很强的互补性，从强调情境性、探究性和创新性的角度，二维电路有其独特的教学价值.

表1 二维电路的特点

2 二维电路的3类电学实验设计

2.1 电路类实验

电路类实验是初中物理电学模块中最常见的一类实验，用二维电路重新设计这些实验，不仅仅是器材方面的创新，更重要的是从整体思路和关键细节上改变教与学的方式.

案例一：探究串并联电路的特点

实验器材：一次性塑料饭盒盖子2个(也可用透明塑料垫板)，3 V纽扣电池两枚，硬币4枚，LED灯珠4只，宽度为5 mm的铜箔胶带1卷，马克笔1支.

实验设计：将电路图用马克笔画在塑料饭盒盖上，在饭盒盖的另一侧按照电路图用铜箔胶带粘贴电路，硬币作为简易开关，制成二维电路如图4所示.

图4 二维电路与电路类实验

教学设计：(1)课前预习阶段，要求学生在家预习教材，设计电路，使开关闭合时两只LED灯珠同时发光，将电路图用马克笔画在饭盒盖上，在饭盒盖的另一面按照电路图用铜箔胶带将实物电路粘贴出来.

(2)让学生将饭盒盖带到学校，在课堂上展示饭盒盖一面的电路图和另一面对应的二维电路，学生对比各自的设计提出串并联电路的概念.

(3)探究串并联电路的特点：

1)用小刀先后将干支路的铜箔割断，闭合开关观察灯珠发光的情况(割断后一处时前一处用铜箔胶带粘合，恢复导通).

2)用导线依次短接串联电路与并联电路的各灯珠，闭合开关观察其他灯珠的发光情况.

从以上案例不难发现用二维电路来做电路类实验的一些特殊价值：一是变实验室常规实验为学生边学边实验，变在校实验为居家实验，学生自主性更强；二是制作好的电路容易保存和移动，为实践性家庭作业的设置和灵活的课堂互动创造了条件；三是电路图与实物电路自由转换，互为参照，为学生的思维进阶提供了脚手架；四是粘贴、割断、标记等操作方式使电路类实验的操作性更强了.

2.2 电磁类实验

电磁类实验探讨电、磁、力之间的关系，综合程度和思维水平较高，本应成为发展学生科学思维与探究能力的重要依托，但实际的教学过程中，本模块的实验却多以演示实验的形式出现，其中实验器材与实验手段的欠缺是重要原因.用二维电路设计电磁类实验，可以在器材上化繁为简.

案例二：通电导体在磁场中受力

实验器材：φ=5 mm的吸管1根(可用中性笔芯代替)，φ=10 mm的吸管3根(可用粗细均匀的中性笔管代替)，φ=25 mm、厚度为3 mm的钕铁硼磁片2只，4.5 V电池组1个，鳄鱼夹导线2根，宽度为8 mm的铜箔胶带1段.实验器材如图5所示.

图5 探究通电导体在磁场中受力的实验器材

实验设计：将铜箔胶带粘贴在细吸管的表面制成导体棒，将铜箔胶带粘在两根粗吸管的一侧制成导轨，用导线将导轨和电源连接起来，将磁片放在导轨中间，将导体棒放在磁片正上方，如图6所示.

图6 探究通电导体在磁场中受力实验装置

教学片段：(1)教师演示课本上的实验[2]，然后提出问题，用你手头的器材能否设计实验，探究通电导体在磁场中受力的问题？

(2)学生小组讨论，提出如上所述的装置制备方案，并动手制作、调试.

(3)教师提出问题，同学们的实验证明了通电导体在磁场中会受到力的作用，大家知道力有3个要素，你认为我们可以用这个装置探究哪些问题？这些问题如何探究？需要用到什么方法？怎么操作？观察什么？

(4)学生小组讨论，提出实验方案如表2所示.

表2 学生实验探究方案

案例二与教材演示实验相比有这样两点值得注意：一是实验器材的生活化和简单化，这不仅为变演示实验为学生实验创造了条件，而且提高了实验的成功率——贴了铜箔的吸管质量很小且靠近磁极，更容易受力运动；二是实验过程的自主化和探究化，学生有机会参考教材实验利用生活化的器材自主设计实验，制备实验装置.其实该实验的装置还可以进一步简化，只需将铜箔胶带如图7所示粘贴在白纸上，观察通电后磁片上方悬挂铜箔的偏向及幅度就可以判断安培力的方向和大小.其他电磁类实验也可以借由二维电路得以简化，使学生容易动手动脑，积极参与.

图7 判断安培力的简易装置

2.3 静电类实验

静电学在初中学段所占的比重虽然不大，但作为电学学习的起始章节，有着激趣、奠基、存疑的特殊意义.二维电路的一个典型特征是可以将任一物体的表面导体化或部分导体化，这为一些静电实验设计及器具制作提供了便利.

案例三：导体与绝缘体

实验器材：塑料瓶1个，乒乓球1个，塑料刻度尺1把，硬质铜导线20 cm，8 mm宽铜箔胶带1段，4 cm宽铜箔胶带1段.

实验设计：用4 cm宽铜箔胶带覆盖乒乓球表面，滚动压平作为自制验电器的“金属球”.将铜导线穿过塑料瓶瓶盖，其中一端与“金属球”粘合，另一端悬挂两片8 mm宽铜箔胶带作为验电器的箔片.将瓶盖拧在塑料瓶上制成验电器如图8所示.将刻度尺的一面粘贴一层铜箔胶带.

图8 自制的验电器

教学设计：(1)课前预习时设置自制验电器的实践性作业，让学生自学教材有关验电器原理与结构的内容，根据教师提供的教程自制一个验电器.

(2)让学生尝试用摩擦起电的办法给验电器充电，观察验电器箔片是否张开，若不能张开，与其他同学制作的验电器比较，找出问题所在.

(3)教师展示较好的学生验电器作品，让学生解释验电器的原理、结构和制作心得.

(4)教师先用塑料尺接触带了电的验电器金属球，让学生观察箔片张角的变化，然后教师将塑料尺反转，用贴有金属箔的一侧接触验电器金属球，让学生再观察箔片张角的变化.

(5)教师引导学生对比分析实验现象得出导体、绝缘体的概念.

在没有金属球的情况下，由于尖端放电，自制验电器的效果往往很差，而金属球在生活中并不常见，即使有也不容易与金属棒连接固定.二维电路轻而易举地解决了这个问题，使自制验电器成为一项更具可行性的实践性作业.刻度尺也通过这种方法同时具有了导体和绝缘体的属性，让教学更富趣味性和思维性.

从初高中衔接的角度看，这种低成本的二维导体制作方法将在后续的静电模块教学中发挥更重要的作用.案例三中特殊处理过的乒乓球实际上是一个金属球壳，若将一个废旧的地球仪利用金属箔胶带制成金属球壳，就能方便地探究静电屏蔽等静电现象.若在某绝缘薄膜的两面各粘贴一层金属箔胶带，还可以方便地制成各类电容器，如图9(a)是笔者利用上述方法制作的莱顿瓶.另外一些趣味静电实验也可借助这种方法变得简单易做，如图9(b)在塑料杯壁每隔相同间隔粘贴一条金属箔，再配合起电机可以做成静电电动机.

(a)莱顿瓶

(b)静电电动机图9 二维电路在静电类实验中的应用

3 二维电路的应用价值与教学建议

新一轮课程改革围绕发展学生的核心素养展开，如何充分发挥实验教学在发展学生物理学科核心素养中的作用，是值得深入探讨的问题.应该认识到，在实验教学中教学创新与实验创新同样重要，应该从实验与教学两个维度寻求统一，共同指向学生的学科核心素养.

3.1 情境性与问题解决能力的培养

科学探究以问题为先导，而问题来自能够激发学生探究欲望的问题情境，创新实验情境就是问题情境的一种.二维电路的实验教学思路，首先是给学生创设一种生活化、自主化的实验情境，学生不是从给定的现成器材和现成方案出发来完成实验的“训练”，他们需要开动脑筋，从身边锅碗瓢盆中择善而取，动手制作，动脑设计来完成探究主题，整个过程是不断解决原始劣构问题的过程.这样鲜活的情境才能激活学生的求知系统，激发学生学习的原动力[3].

3.2 操作性与动手实践能力的培养

物理是格致的学问，学好物理不仅需要动脑还需要动手，只有动手实践才能引发深入的动脑思考.二维电路的实验设计强调操作性，尽量将演示实验变为人人可动手的学生实验，将在校实验变为在家可探究的生活实验，意在给学生创造更多动手参与的机会，让学生先动心，后动手，再动脑.实验教学之所以是一种不可取代的物理教学方式就在于其实践性，熟练的实验技能是一个方面，创新实践能力是更重要的另一个方面.

3.3 开放性与创新思维能力的培养

科学思维的终极价值在于创新，科学探究与科学思维密切相关，科学探究不仅是获取知识的过程，更是思维发展的过程，渗透创新思维是实验教学的题中之义.二维电路的实验设计不应局限在对常规实验的重复、模仿与补充，而应在思维培养中承担起主导作用.二维电路的教学，引导学生从非常规的角度思考实验设计与实验分析，本质上是为了发展学生的发散思维、批判思维，发展学生的创新思维能力.