自制实验教具　解决真实问题

摘要

针对初中物理家庭电路教学中学生实践认知薄弱的问题，利用家庭电路中的实物或生活中易获得的物品，自制多功能家庭电路演示器，将家庭电路搬进课堂，展示家庭电路的主要连接，呈现家用电器的真实工作情境，模拟家庭电路故障，为家庭电路教学提供直观化的实践载体，帮助学生在体验测量过程与方法中建构、理解电学的概念和规律，提升应用知识解决真实问题的能力。

Graphical abstract

关键词

家庭电路 / 真实问题 / 实验教具 / 演示仪器 / 深度学习 / 系列化实验

家庭电路对学生来说是“熟悉的陌生人”——虽然与他们的生活联系紧密，却缺乏生活感知和体验。自制多功能家庭电路演示器，将家庭电路搬进课堂，展现平时生活中学生很难看得见的家庭电路的主要连接，呈现家用电器的真实工作情境，再现家庭电路故障，帮助学生在体验测量过程与方法中更好地建构、理解电学的概念和规律，引导学生迁移应用所学知识解决真实问题，将知识内化为解决实际问题的真实素养。该演示器可支持多个教学实例，并根据初中物理学习的需要，增加相应的交流电压表、电流表，有效填补了常规实验室器材研究的一些空白。

1 演示器电路板的组成及器材规格

多功能家庭电路演示器由大小2块电路板组成。

大电路板（图1）在电能表后又分成两条线路。线路1包括：空气开关1，开关1，节能灯，交流电流表1（量程为0~200 mA）。线路2包括：空气开关2，2个带开关的插座1和插座2，3只交流电流表（支路中的电流表2、电流表3，量程为0~10 A，干路中的电流表4，量程为0~20 A），交流电压表1只（量程为0~250 V）。

小电路板（图2）主要组成部分：总空气开关（额定电流6 A），空气开关（额定电流3 A），交流保险丝（额定电流10 A），LED数显电流表（交流0~100 A），电压表（交流50~500 V），2个带开关的插座1、插座2。实验时，还另备演示短路用的导线或自制5 Ω绕线电阻、校验灯、测电笔等。

2块电路板均采用透明亚克力底板设计，分色电路连接（红色火线、蓝色零线、黄绿色地线）清晰明了；可收放支架设计方便搬运和现场演示。

2 演示器可支持的系列化实验

本演示器可支持的系列化实验与苏科版教材链接章节如表1所示。本演示器可以在新课教学中使用，也可以开发案例在单元复习、中考专题复习中使用，其他版本教材相应内容的教学也适用。

2.1 实验1：测量不同家用电器工作时的电流，研究并联电路（交流电源）的电流规律

（1） 教学实例。在比较不同用电器工作时的电流大小时，利用图1所示电路板，将节能灯接入线路1，电热水壶、电吹风分别接入线路2的插座1、插座2内，用实物投影将电流表表盘投影至大屏幕，让学生读出电流表1、电流表2、电流表3的示数分别为20 mA、6.2 A、3.6 A；在学生分组实验得出并联电路电流规律后，投影电流表2、电流表3、电流表4的示数为6.2 A、3.6 A、9.9 A，引导学生分析得出结论；让学生预判：断开电吹风开关，电流表2、电流表3、电流表4的示数分别如何变化，再演示实验现象。

（2） 设计意图。呈现不同用电器真实工作情境，测量各用电器工作时的电流大小，让学生认识到引入不同电流单位（mA、A）的必要性，引导学生在实际测量过程中自主学习不同量程电流表的读数方法。根据电流表2、电流表3、电流表4的示数，学生可以发现：并联电路电流规律也适用于家庭电路，可弥补传统实验室器材只能探究直流电源电路中并联电路电流规律的缺陷。在实际教学中，还可以让电吹风在不同挡位工作，让学生初步体验到家用电器在不同挡位工作时电流大小是不同的。可以动态显示一个支路断路、另一支路的电流大小几乎不变，但干路电流变小的情况，这一实验采用传统的直流电源无法很好地演示。

2.2 实验2：建构电功率概念，用两种方法测量家用电器的电功率

（1） 教学实例。在建构电功率概念时，利用图1所示的电路板，分别将不同的用电器（如电热水壶、电吹风）单独接入电路，引导学生对比电能表指示灯闪烁的快慢。在完成伏安法测小灯泡的电功率实验后，演示用伏安法也可以测量家用电器的电功率，具体实验过程是：在电热水壶中装入适量水，仅将其接入图1所示电路板的插座1；利用学生的电子手表计时，记录电能表指示灯在对应时间内闪烁的次数、交流电压表和所在支路中交流电流表的示数。实验数据如表2所示。

（2） 设计意图。通过不同用电器单独接入电路工作时，电能表“指示灯闪烁快慢”不同这一真实问题情境，引导学生将“指示灯闪烁快慢”与电流做功快慢相联系，在寻找比较电流做功快慢的方法中自主建构电功率概念。利用常规实验室器材，伏安法只能测量直流电源供电电路中用电器（如小灯泡）的电功率，用本演示器可实现用伏安法测量家用电器的实际功率，并引导学生对比两种测量方法测量电热水壶同一工作状态的电功率，分析实验误差产生的主要原因，并与电热水壶铭牌信息进行对比，在测量体验中深入理解用电器实际功率与额定功率的区别。

2.3 实验3：测量电热水壶的烧水效率

（1） 教学实例。设计任务驱动学习：测量电热水壶的烧水效率，学生讨论生成方案，完成实验操作。具体实验过程是：将空电热水壶放在家用电子秤上，按下“清零”按钮，在电热水壶中加入质量为m的水，用探针式电子温度计测量水的初温，记为t₀；仅将装水的电热水壶接入如图1所示的电路板中并使其工作，同时由学生用电子手表开始计时，分别记录当水温升至50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃时所用的加热时间（表3），并记录电热水壶工作时电流表、电压表的示数（I=6.3 A，U=235 V）。

（2） 设计意图。电热水壶烧水效率的计算在习题中经常出现，对学生知识整合应用能力考查要求较高，让一些学生“望而却步”。利用本演示器创设真实问题情境，引导学生利用已有的知识设计并进行实验，在经历真实问题的解决中进一步理解“效率”。在实验中有诸多真实问题需要学生合作解决，这些都是发展学生核心素养的教学资源。

2.4 实验4：家庭电路故障类系列实验

（1） 教学实例。

①演示家庭电路中电流过大的两个原因。一是过载跳闸：利用图2所示电路板，先将电吹风接入电路，再将电热水壶接入电路，电路中总电流显示为10.3 A，超过空气开关额定电流（3 A）的3倍，空气开关20 s内跳闸。二是短路跳闸：利用图2所示电路板，先将一根导线两端分别插入两孔插座的两孔，再闭合插座开关，空气开关立刻跳闸。若演示实验所在教室总空气开关额定电流未知或者较小时，为防止进行演示实验时总空气开关跳闸，用特制的5 Ω绕线电阻做成的元件（图3）代替导线，插入两孔插座的两孔内演示短路跳闸实验。

②演示零线断路时的现象。利用图2所示电路板，在插座1接入一个额定功率为25 W的灯泡，在插座2插入如图4所示的插座（方便测电笔的笔尖金属体插入插座的孔内），演示零线完好时，用测电笔分别检测两孔插座的左右两孔，测电笔氖管一次发光，一次不发光；再将图2所示电路板的插头从电源插座上拔下，先用螺丝刀将图2电路板上的零线断路后，再将电路板插头插入电源插座，灯泡不发光。用测电笔分别检测两孔插座的左右两孔，测电笔氖管均发光（图4）。在演示实验时，引导学生思考和关注安全操作的方法，并根据真实现象分析产生的原因。

③演示利用校验灯判断短路发生在哪个用电器上。在讲解苏科版物理九年级下册第15章第4节“WWW”第4题时，利用图2所示电路板进行演示实验，在插座1接入一个额定功率为25 W的灯泡，闭合插座开关，灯泡发光。拔下电路板电源插头后取下保险丝，模拟电路发生短路时保险丝熔断。在保险丝的位置接上25 W的校验灯，接通电路板电源，闭合插座1开关，校验灯发光较暗，数显电压表示数为111 V（约为电源电压的一半），说明用电器完好；在插座1接入自制的5 Ω绕线电阻（模拟用电器短路），校验灯正常发光，数显电压表、电流表无示数（图5）。

（2） 设计意图。家庭电路故障分析是学习的难点，主要原因是学生不能正确建构家庭电路模型和分析电流路径。通过3个实验的演示，还原真实存在但学生又缺乏体验的生活场景，激发学生兴趣，激活学生思维，让学生在观察现象、思考原因中学习解决真实问题的方法，提升学生电路识别、建模和分析的能力，发展科学思维。

2.5 实验5：家用电器增多，用电器两端实际电压发生变化

（1） 教学实例。在中考电学专题复习时，可利用图2所示电路板，先将电吹风接入电路，再将电热水壶也接入电路，引导学生分析、比较前后两次数显电压表的示数（图6）的变化原因。（通电时间应较短，因为此时该电路处于过载状态）

（2） 设计意图。真实呈现学生生活中无法观察到的现象：当接入电路用电器越多时，家用电器两端实际电压在减小。这一现象一般只会在习题中遇到，比如用电高峰期灯会变暗，这是什么原因？将这一现象在课堂中进行真实呈现，并引导学生分析原因，从而提升学生电路综合认知、建模、分析的能力。

3 演示器创新之处

（1） 选材方便，材料来源于家庭电路中的实物或生活中易获得的物品，线路布置规范、制作工艺精良，演示器呈现的本身就是对学生做事态度、创新意识一种很好的价值引领。本演示器也可作为渗透工程教育理念的跨学科主题学习项目，组织学生一起制作。

（2） 操作方便、安全、稳定性高；实验现象明显，易于观察；可搬进课堂直接使用，无烦琐的组装、调试过程，能在常态教学中高频、快捷使用。

（3） 将家庭电路搬进课堂，呈现真实工作情境，“源于书本、贴近生活”，弥补学生相关生活体验的缺失；体验测量的过程和方法，解决实际生活中的真实问题，真正做到“做中学、学中思、思中悟”。

（4） —板多用，综合性强。加入交流电流表、电压表，将电路板的功能大大拓展，基本贯穿整个初中电学学习的过程。展示的一个个真实问题情境是发展学生核心素养最好的教学资源。

（5） 器材的选用与时俱进，如选用空气开关代替闸刀开关，特别加入LED数显电流表、电压表，不仅能真实再现生活场景，而且能引导学生通过现象观察、分析，深度了解家庭电路及安全用电的重要性，避免所学物理知识与生活经验脱节，这正是新课标倡导的学科实践的价值取向。

4 结语

创新实验教具，丰富实验教学资源，呈现真实问题情境，可以加深学生对物理问题的感知和物理过程的认识，帮助学生形成物理观念、发展科学思维，培养科学态度与责任。创新实验教具，要把实际教学需要作为出发点和归宿^［1］，除了要考虑一般自制教具的设计要点外，还要从培养学生核心素养的角度进行系列化、进阶性设计，要呈现新奇夺目的实验现象，更要注重学生科学思维的培养。开发指向真实问题解决的系列化实验教具，可以根据一节课的学习内容进行开发，也可以基于大单元学习内容进行开发，这对教师的专业视野和教材处理能力提出了很高的要求，需要教师积极探索、深入研究。

参考文献

[1] 王洪卫.自制多功能电路演示　仪优化电学实验教学［J］.物理教学，2023，45（05）：38-41.

基金资助

江苏省教育科学“十四五”规划重点课题“素养导向下指向真实问题解决的初中物理课例研究”(E-b/2021/19)