例談二維電路的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)應(yīng)用*

劉作志

(高密市豪邁中學(xué) 山東 濰坊 261500)

常明泉

(高密市第四中學(xué) 山東 濰坊 261500)

2019年11月教育部在《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》中提出，實(shí)驗(yàn)教學(xué)要“強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐操作、情境體驗(yàn)、探索求知、親身感悟和創(chuàng)新創(chuàng)造，著力提升學(xué)生的觀察能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)造性思維能力和團(tuán)隊(duì)合作能力”[1].要增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐性、情境性、探究性、體驗(yàn)性和創(chuàng)新性，只在實(shí)驗(yàn)室里做好常規(guī)實(shí)驗(yàn)是不夠的，應(yīng)該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)形式，特別注意非常規(guī)實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等對(duì)改善教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的價(jià)值.與初中物理課程的其他模塊相比，電學(xué)模塊的實(shí)驗(yàn)方式似乎略顯單一，原因之一是受制于器材.利用一般的學(xué)生實(shí)驗(yàn)電路可以很好地完成常規(guī)實(shí)驗(yàn)，但很難在情境性、探究性和創(chuàng)新性上有所突破.近年來(lái)，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種可以自由粘貼的金屬箔膠帶，如圖1所示，用于煙囪的補(bǔ)漏、花木的保護(hù)等，筆者將這種廉價(jià)的新材料引入物理教學(xué)，在幾類電學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)與應(yīng)用中取得了良好的效果.

圖1 金屬箔膠帶

1 二維電路及其特點(diǎn)

1.1 二維電路的界定

依托任何一個(gè)面——桌面、墻面、器物表面等，金屬箔膠帶通過(guò)與其他元件的自由粘連都可以構(gòu)成電路，筆者將這種電路稱為“二維電路”(圖2).這種稱謂并不是為了制造噱頭，圖3是學(xué)生將金屬箔膠帶粘貼在香水瓶上做成的創(chuàng)意裝飾燈，顯然香水瓶表面并非平面，二維電路的稱謂比“平面電路”要更適切些.

圖2 簡(jiǎn)單的二維電路

圖3 學(xué)生利用金屬箔膠帶自制裝飾燈

具體怎樣制作一個(gè)二維電路呢？只需要一些簡(jiǎn)單的生活物品：一個(gè)一次性飯盒蓋充當(dāng)線路板，一枚硬幣充當(dāng)開關(guān)，再加一枚紐扣電池和LED燈珠，用金屬箔膠帶粘貼起來(lái)，如圖2所示，一個(gè)簡(jiǎn)單的二維電路就做好了.

1.2 二維電路的特點(diǎn)

如表1所示，筆者從實(shí)驗(yàn)和教學(xué)兩個(gè)維度，分8個(gè)方面對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)電路和二維電路進(jìn)行了比較，應(yīng)該說(shuō)兩種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路各有優(yōu)劣，并且有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，從強(qiáng)調(diào)情境性、探究性和創(chuàng)新性的角度，二維電路有其獨(dú)特的教學(xué)價(jià)值.

表1 二維電路的特點(diǎn)

2 二維電路的3類電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 電路類實(shí)驗(yàn)

電路類實(shí)驗(yàn)是初中物理電學(xué)模塊中最常見的一類實(shí)驗(yàn)，用二維電路重新設(shè)計(jì)這些實(shí)驗(yàn)，不僅僅是器材方面的創(chuàng)新，更重要的是從整體思路和關(guān)鍵細(xì)節(jié)上改變教與學(xué)的方式.

案例一：探究串并聯(lián)電路的特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)器材：一次性塑料飯盒蓋子2個(gè)(也可用透明塑料墊板)，3 V紐扣電池兩枚，硬幣4枚，LED燈珠4只，寬度為5 mm的銅箔膠帶1卷，馬克筆1支.

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：將電路圖用馬克筆畫在塑料飯盒蓋上，在飯盒蓋的另一側(cè)按照電路圖用銅箔膠帶粘貼電路，硬幣作為簡(jiǎn)易開關(guān)，制成二維電路如圖4所示.

圖4 二維電路與電路類實(shí)驗(yàn)

教學(xué)設(shè)計(jì)：(1)課前預(yù)習(xí)階段，要求學(xué)生在家預(yù)習(xí)教材，設(shè)計(jì)電路，使開關(guān)閉合時(shí)兩只LED燈珠同時(shí)發(fā)光，將電路圖用馬克筆畫在飯盒蓋上，在飯盒蓋的另一面按照電路圖用銅箔膠帶將實(shí)物電路粘貼出來(lái).

(2)讓學(xué)生將飯盒蓋帶到學(xué)校，在課堂上展示飯盒蓋一面的電路圖和另一面對(duì)應(yīng)的二維電路，學(xué)生對(duì)比各自的設(shè)計(jì)提出串并聯(lián)電路的概念.

(3)探究串并聯(lián)電路的特點(diǎn)：

1)用小刀先后將干支路的銅箔割斷，閉合開關(guān)觀察燈珠發(fā)光的情況(割斷后一處時(shí)前一處用銅箔膠帶粘合，恢復(fù)導(dǎo)通).

2)用導(dǎo)線依次短接串聯(lián)電路與并聯(lián)電路的各燈珠，閉合開關(guān)觀察其他燈珠的發(fā)光情況.

從以上案例不難發(fā)現(xiàn)用二維電路來(lái)做電路類實(shí)驗(yàn)的一些特殊價(jià)值：一是變實(shí)驗(yàn)室常規(guī)實(shí)驗(yàn)為學(xué)生邊學(xué)邊實(shí)驗(yàn)，變?cè)谛?shí)驗(yàn)為居家實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自主性更強(qiáng)；二是制作好的電路容易保存和移動(dòng)，為實(shí)踐性家庭作業(yè)的設(shè)置和靈活的課堂互動(dòng)創(chuàng)造了條件；三是電路圖與實(shí)物電路自由轉(zhuǎn)換，互為參照，為學(xué)生的思維進(jìn)階提供了腳手架；四是粘貼、割斷、標(biāo)記等操作方式使電路類實(shí)驗(yàn)的操作性更強(qiáng)了.

2.2 電磁類實(shí)驗(yàn)

電磁類實(shí)驗(yàn)探討電、磁、力之間的關(guān)系，綜合程度和思維水平較高，本應(yīng)成為發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維與探究能力的重要依托，但實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，本模塊的實(shí)驗(yàn)卻多以演示實(shí)驗(yàn)的形式出現(xiàn)，其中實(shí)驗(yàn)器材與實(shí)驗(yàn)手段的欠缺是重要原因.用二維電路設(shè)計(jì)電磁類實(shí)驗(yàn)，可以在器材上化繁為簡(jiǎn).

案例二：通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力

實(shí)驗(yàn)器材：φ=5 mm的吸管1根(可用中性筆芯代替)，φ=10 mm的吸管3根(可用粗細(xì)均勻的中性筆管代替)，φ=25 mm、厚度為3 mm的釹鐵硼磁片2只，4.5 V電池組1個(gè)，鱷魚夾導(dǎo)線2根，寬度為8 mm的銅箔膠帶1段.實(shí)驗(yàn)器材如圖5所示.

圖5 探究通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：將銅箔膠帶粘貼在細(xì)吸管的表面制成導(dǎo)體棒，將銅箔膠帶粘在兩根粗吸管的一側(cè)制成導(dǎo)軌，用導(dǎo)線將導(dǎo)軌和電源連接起來(lái)，將磁片放在導(dǎo)軌中間，將導(dǎo)體棒放在磁片正上方，如圖6所示.

圖6 探究通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力實(shí)驗(yàn)裝置

教學(xué)片段：(1)教師演示課本上的實(shí)驗(yàn)[2]，然后提出問題，用你手頭的器材能否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的問題？

(2)學(xué)生小組討論，提出如上所述的裝置制備方案，并動(dòng)手制作、調(diào)試.

(3)教師提出問題，同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)證明了通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用，大家知道力有3個(gè)要素，你認(rèn)為我們可以用這個(gè)裝置探究哪些問題？這些問題如何探究？需要用到什么方法？怎么操作？觀察什么？

(4)學(xué)生小組討論，提出實(shí)驗(yàn)方案如表2所示.

表2 學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究方案

案例二與教材演示實(shí)驗(yàn)相比有這樣兩點(diǎn)值得注意：一是實(shí)驗(yàn)器材的生活化和簡(jiǎn)單化，這不僅為變演示實(shí)驗(yàn)為學(xué)生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了條件，而且提高了實(shí)驗(yàn)的成功率——貼了銅箔的吸管質(zhì)量很小且靠近磁極，更容易受力運(yùn)動(dòng)；二是實(shí)驗(yàn)過(guò)程的自主化和探究化，學(xué)生有機(jī)會(huì)參考教材實(shí)驗(yàn)利用生活化的器材自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，制備實(shí)驗(yàn)裝置.其實(shí)該實(shí)驗(yàn)的裝置還可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化，只需將銅箔膠帶如圖7所示粘貼在白紙上，觀察通電后磁片上方懸掛銅箔的偏向及幅度就可以判斷安培力的方向和大小.其他電磁類實(shí)驗(yàn)也可以借由二維電路得以簡(jiǎn)化，使學(xué)生容易動(dòng)手動(dòng)腦，積極參與.

圖7 判斷安培力的簡(jiǎn)易裝置

2.3 靜電類實(shí)驗(yàn)

靜電學(xué)在初中學(xué)段所占的比重雖然不大，但作為電學(xué)學(xué)習(xí)的起始章節(jié)，有著激趣、奠基、存疑的特殊意義.二維電路的一個(gè)典型特征是可以將任一物體的表面導(dǎo)體化或部分導(dǎo)體化，這為一些靜電實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及器具制作提供了便利.

案例三：導(dǎo)體與絕緣體

實(shí)驗(yàn)器材：塑料瓶1個(gè)，乒乓球1個(gè)，塑料刻度尺1把，硬質(zhì)銅導(dǎo)線20 cm，8 mm寬銅箔膠帶1段，4 cm寬銅箔膠帶1段.

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：用4 cm寬銅箔膠帶覆蓋乒乓球表面，滾動(dòng)壓平作為自制驗(yàn)電器的“金屬球”.將銅導(dǎo)線穿過(guò)塑料瓶瓶蓋，其中一端與“金屬球”粘合，另一端懸掛兩片8 mm寬銅箔膠帶作為驗(yàn)電器的箔片.將瓶蓋擰在塑料瓶上制成驗(yàn)電器如圖8所示.將刻度尺的一面粘貼一層銅箔膠帶.

圖8 自制的驗(yàn)電器

教學(xué)設(shè)計(jì)：(1)課前預(yù)習(xí)時(shí)設(shè)置自制驗(yàn)電器的實(shí)踐性作業(yè)，讓學(xué)生自學(xué)教材有關(guān)驗(yàn)電器原理與結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，根據(jù)教師提供的教程自制一個(gè)驗(yàn)電器.

(2)讓學(xué)生嘗試用摩擦起電的辦法給驗(yàn)電器充電，觀察驗(yàn)電器箔片是否張開，若不能張開，與其他同學(xué)制作的驗(yàn)電器比較，找出問題所在.

(3)教師展示較好的學(xué)生驗(yàn)電器作品，讓學(xué)生解釋驗(yàn)電器的原理、結(jié)構(gòu)和制作心得.

(4)教師先用塑料尺接觸帶了電的驗(yàn)電器金屬球，讓學(xué)生觀察箔片張角的變化，然后教師將塑料尺反轉(zhuǎn)，用貼有金屬箔的一側(cè)接觸驗(yàn)電器金屬球，讓學(xué)生再觀察箔片張角的變化.

(5)教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出導(dǎo)體、絕緣體的概念.

在沒有金屬球的情況下，由于尖端放電，自制驗(yàn)電器的效果往往很差，而金屬球在生活中并不常見，即使有也不容易與金屬棒連接固定.二維電路輕而易舉地解決了這個(gè)問題，使自制驗(yàn)電器成為一項(xiàng)更具可行性的實(shí)踐性作業(yè).刻度尺也通過(guò)這種方法同時(shí)具有了導(dǎo)體和絕緣體的屬性，讓教學(xué)更富趣味性和思維性.

從初高中銜接的角度看，這種低成本的二維導(dǎo)體制作方法將在后續(xù)的靜電模塊教學(xué)中發(fā)揮更重要的作用.案例三中特殊處理過(guò)的乒乓球?qū)嶋H上是一個(gè)金屬球殼，若將一個(gè)廢舊的地球儀利用金屬箔膠帶制成金屬球殼，就能方便地探究靜電屏蔽等靜電現(xiàn)象.若在某絕緣薄膜的兩面各粘貼一層金屬箔膠帶，還可以方便地制成各類電容器，如圖9(a)是筆者利用上述方法制作的萊頓瓶.另外一些趣味靜電實(shí)驗(yàn)也可借助這種方法變得簡(jiǎn)單易做，如圖9(b)在塑料杯壁每隔相同間隔粘貼一條金屬箔，再配合起電機(jī)可以做成靜電電動(dòng)機(jī).

(a)萊頓瓶

(b)靜電電動(dòng)機(jī)圖9 二維電路在靜電類實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

3 二維電路的應(yīng)用價(jià)值與教學(xué)建議

新一輪課程改革圍繞發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)展開，如何充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)在發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的作用，是值得深入探討的問題.應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教學(xué)創(chuàng)新與實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新同樣重要，應(yīng)該從實(shí)驗(yàn)與教學(xué)兩個(gè)維度尋求統(tǒng)一，共同指向?qū)W生的學(xué)科核心素養(yǎng).

3.1 情境性與問題解決能力的培養(yǎng)

科學(xué)探究以問題為先導(dǎo)，而問題來(lái)自能夠激發(fā)學(xué)生探究欲望的問題情境，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)情境就是問題情境的一種.二維電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路，首先是給學(xué)生創(chuàng)設(shè)一種生活化、自主化的實(shí)驗(yàn)情境，學(xué)生不是從給定的現(xiàn)成器材和現(xiàn)成方案出發(fā)來(lái)完成實(shí)驗(yàn)的“訓(xùn)練”，他們需要開動(dòng)腦筋，從身邊鍋碗瓢盆中擇善而取，動(dòng)手制作，動(dòng)腦設(shè)計(jì)來(lái)完成探究主題，整個(gè)過(guò)程是不斷解決原始劣構(gòu)問題的過(guò)程.這樣鮮活的情境才能激活學(xué)生的求知系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的原動(dòng)力[3].

3.2 操作性與動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)

物理是格致的學(xué)問，學(xué)好物理不僅需要?jiǎng)幽X還需要?jiǎng)邮郑挥袆?dòng)手實(shí)踐才能引發(fā)深入的動(dòng)腦思考.二維電路的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)操作性，盡量將演示實(shí)驗(yàn)變?yōu)槿巳丝蓜?dòng)手的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，將在校實(shí)驗(yàn)變?yōu)樵诩铱商骄康纳顚?shí)驗(yàn)，意在給學(xué)生創(chuàng)造更多動(dòng)手參與的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生先動(dòng)心，后動(dòng)手，再動(dòng)腦.實(shí)驗(yàn)教學(xué)之所以是一種不可取代的物理教學(xué)方式就在于其實(shí)踐性，熟練的實(shí)驗(yàn)技能是一個(gè)方面，創(chuàng)新實(shí)踐能力是更重要的另一個(gè)方面.

3.3 開放性與創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)

科學(xué)思維的終極價(jià)值在于創(chuàng)新，科學(xué)探究與科學(xué)思維密切相關(guān)，科學(xué)探究不僅是獲取知識(shí)的過(guò)程，更是思維發(fā)展的過(guò)程，滲透創(chuàng)新思維是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的題中之義.二維電路的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不應(yīng)局限在對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)的重復(fù)、模仿與補(bǔ)充，而應(yīng)在思維培養(yǎng)中承擔(dān)起主導(dǎo)作用.二維電路的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生從非常規(guī)的角度思考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析，本質(zhì)上是為了發(fā)展學(xué)生的發(fā)散思維、批判思維，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維能力.