利用掌上教研平臺提升物理教研效率
——以“電路設(shè)計——分壓器電路中滑動變阻器的選擇”為例

楊小知

利用掌上教研平臺提升物理教研效率
——以“電路設(shè)計——分壓器電路中滑動變阻器的選擇”為例

楊小知

以變阻器的教學(xué)設(shè)計為例，講述教師能夠通過微信教研平臺，獲得教學(xué)素材，啟發(fā)教學(xué)思路，從而進行合理的教學(xué)設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生通過圖形分析得出分壓器電路中選擇滑動變阻器的原則，培養(yǎng)和提升其數(shù)據(jù)分析能力。教師還能通過平臺與同行進行交流探討，獲得更多的探索和教學(xué)視角，開拓了教師的思路。

掌上教研 物理教學(xué) 分壓電路 滑動變阻器

隨著微信功能越發(fā)強大，它已逐步成為教育教學(xué)管理的有力工具，也成為教師備課、教研、師生互動的高效平臺。上海市長寧區(qū)為優(yōu)化教研方式，保證區(qū)域教研活動的開展，搭建了“米美妙”物理教研平臺，利用該平臺，教研員及教師能夠及時發(fā)布信息、匯總想法、傳播經(jīng)驗、促進交流，打破時空界限，有效提升了教研活動的效率。筆者以“電路設(shè)計——分壓器電路中滑動變阻器的選擇”一課為例，利用微信平臺進行掌上教研的探索。

一、提供教育資訊，激發(fā)教師探討

“米美妙”物理教研平臺發(fā)布了一條教研資訊“分壓電路：試試你獲取信息的能力”。發(fā)布者用繪圖軟件繪制出分壓電路（圖1）負(fù)載兩端的電壓U與滑動變阻器和負(fù)載并聯(lián)那部分電阻x之間的函數(shù)關(guān)系，如圖2所示。具體參數(shù)如下：電源電動勢3V，電源內(nèi)阻r=5Ω，滑動變阻器電阻R=20Ω，負(fù)載電阻R0分別為40Ω、30Ω、20Ω、10Ω、5Ω。從U-x圖像中，你能獲取到哪些信息？

圖1 分壓電路

圖2 U-x圖

留言中教師們暢所欲言，有教師說，負(fù)載電阻和變阻器阻值相差10倍時，移動滑片時負(fù)載電壓幾乎是線性變化的；有教師說，隨著負(fù)載電阻的增加，圖線趨向線性；有教師說，負(fù)載電阻越大，x通過電流越小，能耗越小。

滑動變阻器是中學(xué)物理中的重要實驗器材，初中階段，由于認(rèn)知水平的限制，教學(xué)中只研究限流接法，高中階段，分壓器接法的教學(xué)則可以全方位提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)：電路接線可以提高實驗操作水平，培養(yǎng)將電路圖和實物圖聯(lián)系起來的抽象思維能力；負(fù)載和滑動變阻器的選擇可以幫助學(xué)生學(xué)會電路設(shè)計中電路及器材選擇的基本原則；動態(tài)、極值等問題的分析，又可以加深對閉合電路多個物理量間關(guān)系的理解，建立用數(shù)學(xué)工具解決物理問題的思維方法。

為幫助學(xué)生更好、更深入地學(xué)習(xí)滑動變阻器，筆者基于此信息優(yōu)化研究課——“電路設(shè)計——分壓器電路中滑動變阻器的選擇”。這節(jié)課是針對本校高二選修物理的學(xué)生開設(shè)的一節(jié)研究型課。課前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了限流電路與分壓電路的特點，在此基礎(chǔ)上，可以對電路設(shè)計中器材選擇的難點——滑動變阻器的選擇進行探究。在這節(jié)課中，筆者以探究為主線，以實驗為主要教學(xué)手段，讓學(xué)生體會電路設(shè)計中電路及器材選擇的基本原則，通過DIS學(xué)生實驗，研究分壓電路中如何進行負(fù)載和滑動變阻器的搭配才能達到最佳的調(diào)節(jié)效果，體驗并分析滑動變阻器的阻值對電路可調(diào)性的影響，突破教學(xué)難點。

二、辨析總結(jié)信息，改進提升教學(xué)

在電路一章的教學(xué)中，滑動變阻器的三種常見接法是重點，除限流接法學(xué)生在初中就熟悉之外，分壓和雙臂環(huán)路兩種接法都需要用到四個接線柱中的三個，學(xué)生普遍感覺比較難，特別是分壓電路中負(fù)載和滑動變阻器如何搭配，調(diào)節(jié)滑片過程中的動態(tài)分析和極值問題都是難點，對學(xué)生的能力要求比較高。為此，筆者設(shè)計了實驗，幫助學(xué)生通過圖形的分析得出分壓器電路中選擇滑動變阻器的原則。

（一）教學(xué)設(shè)計

筆者在示教板內(nèi)部嵌有兩個相同的分壓電路（如圖3所示），兩個相同的小燈泡，兩只外觀相同的滑動變阻器；請兩位學(xué)生配合以相同的速度移動滑片，觀察小燈泡的亮度變化情況。

圖3

學(xué)生們發(fā)現(xiàn)其中一個負(fù)載小燈泡亮度變化均勻；而另一個變化不均勻，前面不亮，后來一下子亮起來。這個強烈的反差引起了學(xué)生的討論，普遍的觀點是滑動變阻器雖然外觀相同，但總阻值不同；對于總阻值的大小，學(xué)生的觀點并不一致。由此引出了用DIS實驗來研究分壓器電路中負(fù)載兩端的電壓隨調(diào)節(jié)幅度的變化曲線。

由于滑動變阻器不能夠定量讀出電阻值，教師提示學(xué)生用電阻箱來替代滑動變阻器，并引導(dǎo)學(xué)生思考，如何能做到等效？學(xué)生經(jīng)過討論得出：讓兩個電阻箱的阻值之和不變，一部分在干路上，一部分與負(fù)載并聯(lián)（如圖4所示）。

圖4

為避免受溫度影響，筆者用2.2kΩ的定值電阻替代小燈泡，引導(dǎo)學(xué)生進行小組實驗設(shè)計。每一小組需要完成三組數(shù)據(jù)：分別用兩個電阻箱等效替代0—100Ω，0—10000Ω，0—100000（99999）Ω的滑動變阻器，每次調(diào)節(jié)總阻值的1/10，完成11個數(shù)據(jù)點的采集。同樣是調(diào)節(jié)1/10，但不同的滑動變阻器調(diào)節(jié)的阻值卻不同，橫坐標(biāo)取哪個量才能使三條曲線分布在同一個范圍內(nèi)，具有可比性呢？學(xué)生討論后認(rèn)為應(yīng)該是調(diào)節(jié)的比例，即調(diào)節(jié)長度占總長度的比例，也就是x/l。

在厘清思路之后，教師對實驗操作進行了精細(xì)的指導(dǎo)。首先按要求連接好電路，實驗前將電壓傳感器短接調(diào)零，建立表格及變量x/l，依次調(diào)節(jié)R1=0Ω，R2=100Ω，R1=10Ω，R2=90Ω……R1=100Ω，R2=0Ω，每次調(diào)節(jié)后點擊記錄電壓值，并在變量x/l中依次輸入0，0.1，0.2……1.0，以x/l為橫坐標(biāo)，U為縱坐標(biāo)，畫出離散點。第二組實驗前鎖定已得曲線，并重新建立表格，完成第二、三組實驗，在設(shè)置中調(diào)節(jié)顏色，以區(qū)別三次實驗的結(jié)果。

圖5是一組同學(xué)得到的U-x/l圖線截屏，圖中“·”代表0—100Ω的滑動變阻器，“×”代表0—10000Ω的滑動變阻器，“▲”代表0—100000（99999）Ω的滑動變阻器，圖線清晰地反映了對于同一負(fù)載（2.2kΩ），選擇總阻值越小的滑動變阻器，輸出電壓調(diào)節(jié)越均勻，反之則先不變后突變。

圖5 U-x/l圖線截屏

由此得到這節(jié)課的主旨：滑動變阻器總阻值相對負(fù)載電阻較小時，負(fù)載電壓隨調(diào)節(jié)幅度變化比較均勻； 滑動變阻器總阻值相對負(fù)載電阻較大時，負(fù)載電壓隨調(diào)節(jié)幅度在前階段變化平緩，后階段突然增加。即滑動變阻器總阻值相對負(fù)載電阻較小時，負(fù)載電壓的可調(diào)性比較好。

（二）基于掌上教研平臺的思考

高中物理實驗教學(xué)中，對實驗數(shù)據(jù)的分析，可以認(rèn)識等效替代、數(shù)形結(jié)合等研究方法；對實驗數(shù)據(jù)的處理過程，認(rèn)識由實驗歸納到總結(jié)物理規(guī)律，由感性到理性是物理學(xué)研究的基本過程。筆者通過閱讀微信平臺的教師留言，發(fā)現(xiàn)還有許多可以與學(xué)生交流探討的方面。

微信平臺留言中，有教師稱，x=25Ω處有個交點。由于給定的參數(shù)中電源有內(nèi)阻，當(dāng)滑片移至最右端時，x越大，外電阻越大，路端電壓越大，故x=25Ω處實際不可能有交點，可能是圖片精度不高引起的視覺誤差。從實驗中得到的U-x/l圖線可以看出，最右邊的三個數(shù)據(jù)點并不重合，線性最差組的U最大，而這一組實驗恰為負(fù)載遠(yuǎn)小于滑動變組器總阻值的情況。教學(xué)中，可以引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么最左邊的三點重合，而最右邊的三點不重合？為什么最右邊三點中線性最差那組輸出電壓最大？這些問題的思考可以加深學(xué)生對閉合電路的理解。

也有教師說，R0和R比值越小，U與x比值先變小后變大，即流過x部分的電流先變小后變大。這條支路上電流Ix的動態(tài)分析，一般都會用函數(shù)推理的方法：

閉合電路歐姆定律及分流關(guān)系有：

整理得：

對分母配方得：

可知Ix的最小值出現(xiàn)在滑動變阻器支路部分阻值和干路上所有電阻（含電源內(nèi)阻）阻值之和相等時。由二次函數(shù)的特點又可判斷Ix隨x先變小再變大。

以上推理對學(xué)生的能力要求較高，轉(zhuǎn)換一下思路，實驗中線性最差的線上過原點的割線斜率是先變小后變大，這個斜率的物理意義是輸出電壓與滑動變阻器并聯(lián)部分電阻的比值，也就是滑動變阻器支路上的電流強度。因此電流先變小后變大的規(guī)律，也可以通過圖線得到。

再看圖2最下面一條圖線，上述割線斜率最小值位置出現(xiàn)在滑動變阻器并聯(lián)部分電阻為12.5Ω時，干路上的總阻值是滑動變阻器干路部分阻值加上內(nèi)阻，剛好也為12.5Ω。這和函數(shù)推理的結(jié)果吻合，一個來自理論，一個來自實驗，相得印證。教師可以引導(dǎo)學(xué)生碰到問題時能夠從多個維度思考，理論結(jié)合實踐。

微信給大家的學(xué)習(xí)和生活帶來了巨大的變革。信息技術(shù)不再單是課堂教學(xué)的輔助手段，而逐漸成為了教育教學(xué)的推進力量?！懊酌烂睢闭粕辖萄衅脚_不僅使教師可以將好的資源呈現(xiàn)于掌上，分享于同行，使教師們隨時隨地獲取，而且拉近了教師之間的距離，另外，教師在通過掌上平臺分享自己的教學(xué)經(jīng)驗的同時，也零距離獲得了好的建議，這使得物理學(xué)科教研更加接地氣，也更具有實效性。

楊小知上海市延安中學(xué)200336