自制教具谋创新 类比建立新概念*——兼述“电阻概念的建立”之备赛经历

叶鸣扬

(南京师范大学附属中学树人学校 江苏 南京 210011)

1 赛课背景

2021年南京市初中物理青年教师教学基本功比赛的课堂教学环节，出于当时全市防疫的需要，以无生模拟上课的形式进行．A组选手的课题为“电阻”，取自苏科版初中物理教材九年级上册第14章“欧姆定律”第1节．模拟上课时间为15 min，内容仅限于“电阻概念的建立”(对应教材第86页)．作为参赛选手，自抽签之日起，有两天准备时间．

1.1 研读教材 明确突破重点

无论准备赛课还是公开课，首要任务是研读教材，明确教学任务与重难点．本节课的任务是建立电阻的概念，不包含“探究影响导体电阻大小的因素”及其后续内容．电阻概念非常的抽象，学生在学习物理前的生活经验中，不太可能自发地形成“电阻”或与之相近的概念．教材通过活动“尝试改变电路中电流的大小”引导学生发现导体对电流存在阻碍作用．

1.2 梳理思路 追求实验创新

《国家基础教育课程改革指导纲要(试行)》(以下简称“《纲要》”)提出教师应该“用教材教”而非“教教材”．提倡教师应当依据课标创造性地运用教材．作为市级赛课，专家组亦格外期望看到教师们的精彩创新．为践行《纲要》理念，凸显科学思维，笔者重新梳理教学思路，通过自制教具，加入创新实验，运用类比法逐步建立概念，降低理解难度．此外，在教学片段的结尾处，自然地衔接下一教学环节——探究影响导体电阻大小的因素．

2 自制教具

2.1 器材准备

铁架台(含铁夹)，长颈漏斗，弹簧夹，橡胶管(约5 cm)，量筒2只，一瓶水(滴入少许红墨水)，医用一次性输液器，记号笔，秒表，橡皮泥，铅笔芯．

医用一次性输液器由①输液软管、②流速调节器、③瓶塞穿刺器以及注射针、针头护帽、滴壶等部分组成．其中构件①、②、③如图1所示．

图1 器材准备

2.2 器材组装

(1)自瓶塞穿刺器一端起，剪取10～15 cm的输液软管.

(2)取下输液器中的流速调节器，穿入步骤(1)中的输液软管．为避免实验过程中流速调节器发生滑动，穿入前可在软管上取1 cm长的区间涂抹胶水，以便固定流速调节器.

(3)用弹簧夹夹住橡皮管.

(4)用橡皮管的一端连接长颈漏斗底部，另一端连接瓶塞穿刺器，如图2所示.

图2 器材的组装

(5)将图2装置固定在铁架台上，调整铁夹高度，使输液软管末端对准量筒，如图3所示．

图3 全套教具展示

2.3 课前准备

打开弹簧夹，向长颈漏斗中倒入染红的水(以下简称“药液”)．当看到输液软管末端有“药液”开始流出后，关闭弹簧夹．在长颈漏斗液面处做标记．此时标记处到输液软管末端均充满了“药液”．

3 教学过程

3.1 生活情境引入 展示自制教具

输液是一种常见的医疗手段，大多数学生都有过输液的经历．教师从输液情境引入课题，引出自制教具．

师：人们在输液时，偶尔会因为药液流速太大而感到血管甚至心脏有所不适，这时我们要请护士帮忙．同学们留意过护士来了之后会怎样操作吗？

生：会调节输液管上的一个“小滚轮”．

师(同步投影出图4①)：是的，它的学名叫做流速调节器．输液软管从梯形凹槽中穿过，“小滚轮”以梯形的一个侧边为轨道，可左右调节．接下来，我们就以这套装置(图3)来模拟“药液”的流动情况．

图4 流速调节器的调节

3.2 改变软管粗细 量化水流差异

(1)首先将“小滚轮”移至长底边缘(最右端)，结合投影图说明输液软管恰好没有受压变形．将量筒放置于输液软管末端的下方后，打开弹簧夹，让“药液”开始流入量筒，计时10 s．10 s后关闭弹簧夹．先向学生展示，长颈漏斗中的“药液”并未流尽，然后请学生读取量筒中“药液”的体积，读数为33 mL，如图5左量筒．

(2)借鉴2.3的方法，重新装填装置中的“药液”．当“药液”再次到达标记处时，关闭弹簧夹．此操作是为了做到控制变量，即前后两次实验，是在水压相同的情况下，通过调节流速调节器对水流的阻碍，来改变水流大小．

图5 两次实验对比

(4)对比现象，解释原因.

师：为什么第二次流入量筒中的“药液”少于第一次？

生：“小滚轮”向中间调节后，内部的输液软管受到了来自“小滚轮”一定程度的挤压，横截面积变小了．

师：也就是说，改变位置后的“小滚轮”对软管中的水流产生了怎样的作用？

生：阻碍的作用．

3.3 借助水电类比 引入电阻概念

师：流速调节器可以对水流产生阻碍的作用．电路中的导体，是否也会对电流产生阻碍的作用呢？

(1)连接图6所示的电路．闭合开关后，小灯泡发光，电流表示数为I1.

图6 电学演示装置的电路图

(2)断开开关，添加一根导线，将一块橡皮泥串联在电路中．闭合开关后，发现小灯泡亮度变暗，电流表示数为I2，I2

师：请猜想，是什么原因造成了I2

生：新串入的橡皮泥对电流产生了阻碍的作用．

至此可以通过类比，建立电阻的概念．在输液软管上加一个流速调节器可以对水流起到阻碍作用；在电路中加一块橡皮泥也可以对电流产生阻碍作用．可见，橡皮泥这种导体在导电的同时，也会对电流产生一定的阻碍作用．在物理学中，我们用“电阻”这一概念来表示导体对电流的阻碍作用．

3.4 改变导体再探 衔接猜想假设

师：刚刚我们通过“小滚轮”将输液软管压扁后，发现水流变小了；我们有什么办法能够让电路中的电流变得更小呢？

学生有了类比意识后，不难想到：可以将橡皮泥捏扁．也有学生提出：可以换一种导体．

(1)断开开关，将橡皮泥捏扁捏长．闭合开关，发现电流表示数I3

(2)断开开关，将橡皮泥换成铅笔芯(更细更长)．闭合开关，发现电流表示数I4

师：我们发现，变细变长的橡皮泥对电流的阻碍作用强于原来的橡皮泥，整段铅笔芯对电流的阻碍作用又强于细长形的橡皮泥．这说明不同导体对电流的阻碍作用有所不同．有了电阻的概念后，我们就可以将“导体对电流的阻碍作用大”简洁地表述为“导体的电阻大”了．

师：根据以上现象，请你提出合理猜测，电阻的大小可能与哪些因素有关？

通过本环节的设计，让学生观察到不同的导体对电流的阻碍作用有所不同，更加深刻地理解“电阻”的含义，同时也为学生的下一步探究猜测提供直观素材．在本环节的演示过程中，导体同时被改变了多个变量，设计目的在于引导学生通过思考和讨论，从复杂综合的多变量情形中，提炼出“长度”“横截面积”“材料”等单变量猜想，并且想到接下来需要运用控制变量法进一步探究．

最后需要说明的是，由于本次赛课形式为无生模拟上课，所以以上教学过程中的“学生发言”内容均为笔者备赛时的预设．在真实的教学过程中，学生的思维开阔，答案多样，超出教师预期是常有之事，所以还需教师发挥教学机智，及时进行引导和补充．

4 总结

通过自制教具将“水电类比”引入电阻概念的教学过程中，有以下几个优点.

(1)学生感到亲切、熟悉．教材在第13章“电路初探”中，多次通过“水电类比”帮助学生建立电学新概念，如电流、电压．本节教学中先谈“水路”再论电路的流程，学生容易接受.

(2)类比法是一种非常有效的学习方法．它可以帮助学习者从已有的知识与经验出发，通过相似事物的对比呈现，建立新事物的概念．本节教学中，“水路”和电路可以形成类比的相似元素非常多，匹配度较高(表1)．教师做好铺垫，引导对比学习，可助学生将抽象的问题形象化，把复杂的事物简单化．

表1 “水路”与电路的类比

(3)通过类比法，有助于学生发散思维，提出合理猜想．本节教学中，在观察到输液软管被压扁导致“药液”明显受阻这一现象后，学生不难提出猜想：导体横截面积变小，也可能会造成电阻增大，进而有利于衔接下一教学环节的开展．