“滑动变阻器”的思维进阶式教学重构

摘要

针对“滑动变阻器”教学的不足，从教材顺序、问题情境和实验器材3个角度进行教学重构——重构教材顺序，注重概念建构的完备性；重构问题情境，注重规律形成的逻辑性；重构实验器材，注重问题解决的实然性。从教学效果看，这一教学模式具有教学实践价值，能够有效促进学生实现思维进阶式发展。

Graphical abstract

关键词

思维进阶 / 实验教学 / 重构 / 滑动变阻器 / 可视化

关于“滑动变阻器”的教学，常规的教学流程如下：先归纳出改变电阻的方法，再提出一个新的装置——滑动变阻器。这种教学流程直接讲授滑动变阻器的结构，并未设置具体情境。事实上，滑动变阻器的部件较多、接线柱也多，且在使用过程中具有动态变化特征，对学生而言，理解变阻原理的起点颇高，从考查“滑动变阻器”知识点的结果看，学生很容易出错。物理实验既是物理教学的重要手段，又是物理教学的内容^［1］。基于此理念，笔者围绕教材顺序、问题情境和实验器材3个角度重构“滑动变阻器”的教学过程，有效提升了学生的学习质量。

1 重构教材顺序，注重概念建构的完备性

为降低学生的理解难度，助其学会正确使用滑动变阻器，并在任何情况下都能从4个接线柱中选取2个正确的接线柱，笔者设计了如图1所示的教学流程。

理解一个新事物的过程，并不是凭空冒出来一个概念就能解决的，而是需要根据已有的相关概念，把它们连接起来，形成或建构一个新概念的过程。笔者坚信，在教学设计时，对教材顺序进行重构，充分尊重学生的认知思维逻辑，能够促进学生更好地理解滑动变阻器改变电阻的原理及其连接方法。

2 重构问题情境，注重规律形成的逻辑性

问题的组合与串联，能够激发起学生的学习期待，再加上教师的引导，学生就具有了主动设计变阻器的动力。为此，笔者设计了如表1所示的重构问题情境教学流程。

在真实的问题情境中，分析和解决问题更能反映出学生的思维过程及思维能力。每一个物理概念的建立，都是分析、综合、抽象和概括等物理思维活动的结果，浓缩了前人的思维历程。在课堂上，学生结合电阻丝长度、粗细和材料等因素进行自主设计、改装、制作，亲历了制作滑动变阻器的过程，深刻体会了变阻原理，以及解决问题的思路与流程。

3 重构实验器材，注重问题解决的实然性

电流是看不见的，故而理解“接入电路中电阻丝”成为学生的思维难点。为此，笔者设计相应的演示实验器材，实现了电流路径的可视化^［2］，便于学生区分接入电路和未接入电路的电阻丝。

3.1 制作材料及工具

一卷长6 m的低压LED灯带（5 V、120灯、带背贴胶）、定制的PCB板焊盘及箭头、长为30 cm的PVC管及两个对应的堵帽、两块托灰板、一根长30 cm的铁棒、一根长8 cm的粗铜棒、导线若干根、电烙铁、焊锡。

3.2 电路结构设计及原理

利用二极管的发光实现电流路径的可视化，巧妙地用发光的LED灯带模拟电流经过电阻丝的路径，使得实验现象更直观。在设计电路时，达到以下效果：利用二极管的单向导电性，使接入电路的LED灯带发光，且无电流通过的部分不发光。电路结构如图2所示。

LED灯带： 第1圈 第2圈 第3圈 …… 第8圈

3.3 制作过程

（1） 滑片的触点设计。将LED灯带绕PVC管一圈并将其剪断，共剪16段；将1～8段LED灯带的正极放在左侧并贴在塑料管上，9～16段LED灯带的负极放在左侧并贴好；将铜丝剪成4 cm长，备用；用电烙铁将第1圈灯带靠近焊盘上边缘一端的LED灯珠的正极和负极分别焊在相邻的两块焊盘上，采用同样的方法焊好第1圈～第8圈，形成串联；将第9圈灯带靠近焊盘下边缘一端的LED灯珠的负极焊在第1块焊盘上，其正极焊在第2块焊盘上，依次焊好第9圈～第16圈，从而将第1圈与第9圈反向并联，以此类推。

（2） 滑片设计。将利用PCB板制作的箭头与粗铜棒焊接在一起，再将粗铜棒的另一端缠绕在铁棒上；调整长度使箭头正好处在PCB板焊盘上，再调整松紧以使滑片能左右自由滑动；取两段LED灯带反向粘贴在滑片上，再用电烙铁将灯带焊接在滑片的上下两端，使两灯带反向并联。

（3） 电压设计。为了让LED灯带正常发光，经过多次调试后确认，选择直流电源电压在24 V左右为最佳；可采用两节12 V电池串联，也可采用可调电压的教学电源。

3.4 教学过程

该教具是为模拟滑动变阻器的功能而制作的“模型”，灯带与灯带串联，单个灯带上的LED灯为并联，移动滑片时非但电阻变化不明显，而且LED灯的亮度变化也不明显，故不能演示电阻变化对电流的影响。但这也是其优点：LED灯始终较亮，有助于学生看清接入电路的部分。在教学过程中，必须结合学生探究活动“活动14.4　学习使用滑动变阻器”中灯泡的亮暗变化来讲解滑动变阻器改变电阻的原理，并总结出滑动变阻器的连接方法和规律。在教学实践中，待学生完成小组探究后，教师可以演示并讲解如表2所示的6种接法及其现象。

利用LED灯带的发光现象实现了接入电路的部分可视化，再通过亮起的圈数变化显示接入电路中有效电阻的变化，直观性强，从而为学生提供了清晰的认知思维表象。在这一教学过程中，学生能更好地理解滑动变阻器改变电阻的原理。

4 促进思维进阶，注重评价反馈的实效性

教学重构对促进思维进阶是否有成效？笔者直接比较采取重构教学方法的实验班和未采取重构教学方法的对照班，调查内容与数据如下。

4.1 调查内容

（1） 试题1。如图3所示，用滑动变阻器调节灯的亮度，若要求滑片P向右端滑动时灯逐渐变亮，则下列接法正确的是（　　）。

A. M接A，N接B； B. M接C，N接D；

C. M接C，N接B； D. M接A，N接D。

（2） 试题2。如图4所示，若使滑动变阻器相当于一个定值电阻，应接入

和接线柱。

（3） 试题3。如图5所示，要使甲图中的小灯泡变亮，乙图中的小灯泡变暗，下列做法中，正确的是（　　）。

（4） 试题4。在图6中，用笔画线代替导线将实验电路连接完整，使滑动变阻器的滑片向右移动时电流表示数增大。

4.2 调查数据

经测验，实验班与对照班的正确率如表3所示。

结果表明：该节课采取重构教学方法具有一定效果，实验班每题的正确率均比对照班高；从课堂效果分析，实验班学生在积极性、主动性方面普遍要比对照班学生强，即大多数对照班的学生只是在教师的要求下才会参与活动。

对于较为抽象的看不见的电流，该节课从教材顺序、问题情境、实验器材3个角度实施重构，实现了电流路径的可视化，便于区分接入电路和未接入电路的电阻丝，使学生具有更加直观的体验，提高了学生的物理思维能力，深化了学生对物理知识的理解和认识。

针对对照班学生的学情，教师及时反思存在的问题并作出调整，进而在复习课上借助自制滑动变阻器演示仪，引导学生分析其组成部分的设计原理，在此过程中学生逐渐理解了滑动变阻器改变电阻的原理。为了更好地说明问题，在教学活动中，笔者设计了如表4所示的“滑动变阻器”教学思维进阶层级模型。

“进”是描述学生的认知发展方向，而“阶”则要指出发展过程中的关键点，并提供对应的解决方案。重构的关键在于，教师对“阶”的分析和把握，在此基础上探索学生认知、思维、能力发展的最优路径，从而提高教与学的有效性。同时，不仅能够增强学生的迁移、运用知识的能力，而且能将简单、单一的物理概念和研究方法延伸至其他复杂的新问题之中，最终顺利达成助力学生思维进阶的教学目标。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 周军平，江耀基.可视化滑动变阻器教学演示仪的制作与应用［J］.中学物理，2023，41（04）：46-48.

[3] 林崇德.培养思维品质是发展智能的突破口［J］.国家教育行政学院学报，2005（09）：21-26，32.

基金资助

江苏省“十四五”规划重点课题“指向思维进阶的初中物理实验教学重构研究”(B/2022/03/42)