基于問題解決的物理教學(xué)設(shè)計(jì)探討
——以“設(shè)計(jì)和制作一個(gè)模擬的調(diào)光燈”為例*

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)新城中學(xué)黃山路分校,江蘇 南京 210019)

“基于問題解決的教學(xué)設(shè)計(jì)”是指在一定的教學(xué)情境中提出問題，師生通過各種認(rèn)知活動(dòng)，經(jīng)過一系列的思維加工過程，使問題從初始狀態(tài)到達(dá)成狀態(tài)的教學(xué)方案。這種教學(xué)設(shè)計(jì)有助于學(xué)生在科學(xué)探究時(shí)經(jīng)歷“提出問題—分析問題—提出假設(shè)—檢驗(yàn)假設(shè)—得出結(jié)論”的過程，學(xué)習(xí)科學(xué)思維方法，有助于提升學(xué)生問題解決的能力和科學(xué)思維的品質(zhì)，本文以“設(shè)計(jì)和制作一個(gè)模擬的調(diào)光燈”為例，介紹在初中物理綜合實(shí)踐活動(dòng)中如何應(yīng)用問題解決策略進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

1 教材地位和學(xué)情分析

1.1 教材地位

“設(shè)計(jì)和制作一個(gè)模擬的調(diào)光燈”綜合實(shí)踐活動(dòng)與蘇科版初中物理教材第十四章“歐姆定律”章首提出的目標(biāo)任務(wù)相呼應(yīng)，這既是對(duì)本章內(nèi)容的回顧總結(jié)，又是本章知識(shí)的具體應(yīng)用；活動(dòng)本身取材于生活，來源于生活。本綜合實(shí)踐活動(dòng)通過操作訓(xùn)練，有助于提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力；有助于學(xué)生進(jìn)一步地理解滑動(dòng)變阻器的原理、并熟練使用；進(jìn)一步理解電流與電壓、電阻的關(guān)系，為后續(xù)電功率的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)；有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)電學(xué)的積極性和自主性。

1.2 學(xué)情分析

初三學(xué)生身心發(fā)展不均衡，一方面具有很強(qiáng)的求知欲和充沛的精力，有意愿了解常見的家用電器，已具備簡(jiǎn)單的電學(xué)知識(shí)和思維方法；但另一方面，多數(shù)學(xué)生還是以形象思維為主，喜歡動(dòng)手實(shí)

踐，對(duì)直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較感興趣，但對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的物理規(guī)律的理性思考深度不夠。

2 教學(xué)目標(biāo)

學(xué)生會(huì)利用滑動(dòng)變阻器改變電流大小的原理，制作一個(gè)亮度可調(diào)節(jié)的調(diào)光燈，以激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力，發(fā)展他們的思維能力和創(chuàng)新意識(shí)。

3 教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)為：應(yīng)用問題解決策略，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)出電路，思考控制調(diào)光燈亮度的方法。

教學(xué)難點(diǎn)為：電源電壓的選擇以及起保護(hù)作用的定值電阻大小的確定。

4 活動(dòng)器材

所用器材為：直流電源、小燈泡(2.5V 0.3A)、燈座、開關(guān)、各種鉛筆芯、導(dǎo)線、金屬回形針、各種規(guī)格的定值電阻、電壓表等，也可以自選其他合適材料。

5 設(shè)計(jì)思路

“設(shè)計(jì)和制作一個(gè)模擬的調(diào)光燈”綜合實(shí)踐活動(dòng)屬于技術(shù)設(shè)計(jì)類活動(dòng)，為了幫助學(xué)生主動(dòng)投入、目標(biāo)明確地開展活動(dòng)，筆者認(rèn)為需要進(jìn)行“活動(dòng)動(dòng)員”，讓學(xué)生感受各種功能的無極調(diào)光臺(tái)燈，了解設(shè)計(jì)調(diào)光燈的方法；在動(dòng)手操作的過程中，需要充分發(fā)揮學(xué)習(xí)小組的集體作用，允許學(xué)生試錯(cuò)，以培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力。

6 教學(xué)過程

6.1 復(fù)習(xí)溫故

師：前面我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了歐姆定律，你們能用歐姆定律的知識(shí)來解決以下問題嗎？

問題1：身邊只有一個(gè)9V的直流電源，怎樣讓一個(gè)“2.5V 0.3A”的小燈泡正常發(fā)光？

引導(dǎo)學(xué)生思考、討論后得出：應(yīng)串聯(lián)一個(gè)合適的電阻。繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生畫出電路圖，并對(duì)照電路圖連接實(shí)物。

設(shè)計(jì)意圖：通過問題，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)歐姆定律和串聯(lián)電路分壓的原理，同時(shí)通過實(shí)物連接，進(jìn)一步提高學(xué)生實(shí)踐操作的熟練程度，為本節(jié)課的設(shè)計(jì)和制作作好鋪墊。

6.2 教學(xué)開展

師：剛才，大家用所學(xué)知識(shí)解決了一個(gè)實(shí)際問題。在本章開始的時(shí)候，我們?cè)粝铝艘粋€(gè)問題還沒解決。

問題2：在本章章首語中，收音機(jī)的音量需要調(diào)節(jié)，舞臺(tái)燈光的亮度需要調(diào)節(jié)，電扇的轉(zhuǎn)速也需要調(diào)節(jié)……這些都是通過改變電路中電流的大小來實(shí)現(xiàn)的。那么，電路中的電流大小是如何改變的？

通過章首語創(chuàng)設(shè)活動(dòng)情境，提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考改變電流的方式，除了改變電壓還可以改變電阻，思考如何方便地改變電路中電阻的大小。

問題3：在設(shè)計(jì)和制作調(diào)光燈時(shí)應(yīng)該注意哪些問題?你有什么好的創(chuàng)意？

通過展示圖片和模型，學(xué)生發(fā)現(xiàn)調(diào)光燈在生活中非常常見，由此受到啟發(fā)，激起實(shí)踐操作的欲望，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生充分討論，總結(jié)制作調(diào)光燈的注意事項(xiàng)。

(1) 設(shè)計(jì)的調(diào)光燈亮度要能連續(xù)調(diào)節(jié)；

(2) 在調(diào)節(jié)過程中要避免燒壞燈泡；

(3) 制作時(shí)不僅要安全、牢固，還要注意美觀。

根據(jù)調(diào)光燈的功能和設(shè)計(jì)制作的要求，讓學(xué)生思考以下問題。

問題4：(1) 如何改變電路中電流大小？你打算選擇什么材料來制作變阻器？為什么？

引導(dǎo)學(xué)生討論、思考得出：可以通過改變導(dǎo)體接入電路中的長(zhǎng)度來改變電路中的電流大小，因此可以選擇電阻隨長(zhǎng)度變化較大的材料，如鉛筆芯等。

(2) 電路中還需要哪些元件？應(yīng)選用怎樣的規(guī)格？為什么？

引導(dǎo)學(xué)生注意電源的電壓最低是9V，應(yīng)從串聯(lián)分壓的原理出發(fā)，并注意其他電學(xué)元件允許通過的最大電流，合理選擇電路元件。

(3) 怎樣確保電路安全？你打算采取哪些保護(hù)措施？為什么這些措施能起保護(hù)作用？

引導(dǎo)學(xué)生分析、計(jì)算出保護(hù)電阻至少應(yīng)選取的值。根據(jù)調(diào)光燈的功能、設(shè)計(jì)要求和選擇的元件，畫出符合設(shè)計(jì)要求的電路圖。

(4) 你打算讓你的電路有哪些功能？其中基本功能是什么？附加功能是什么？

根據(jù)調(diào)光燈的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)是創(chuàng)新的第一步，在設(shè)計(jì)電路時(shí)進(jìn)行問題分解，分散學(xué)生設(shè)計(jì)過程中選擇元件的難點(diǎn)。同時(shí)，在電路的設(shè)計(jì)中，學(xué)生根據(jù)自己的產(chǎn)品的基本功能和附加功能，衍生出許多不同類型電路，這些設(shè)計(jì)的電路圖都是在原有的電路知識(shí)基礎(chǔ)上拓展而成的，有利于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)和創(chuàng)新的能力。

學(xué)生分組討論設(shè)計(jì)方案，交流觀點(diǎn)，進(jìn)行修改和完善，設(shè)計(jì)并畫出電路圖。教師肯定學(xué)生的電路設(shè)計(jì)，并展示各組設(shè)計(jì)出的電路圖(如圖1、圖2)。

圖1

圖2

各組的電路圖可能不一樣，教師應(yīng)給予適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)，只要能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，都應(yīng)及時(shí)鼓勵(lì)。

各組按照自己設(shè)計(jì)的電路圖分工準(zhǔn)備和制作。完成制作后，小組之間進(jìn)行交流，請(qǐng)各組同學(xué)上講臺(tái)展示制作成果并演示，進(jìn)行自我評(píng)價(jià)和同伴評(píng)價(jià)，教師或同伴對(duì)富有創(chuàng)意的小組給予表揚(yáng)。

問題5：在實(shí)際制作中，你遇到了什么問題？又是怎么解決的？

制作過程中可能會(huì)遇到許多原來沒有想到的問題或發(fā)現(xiàn)原來設(shè)計(jì)方案中的不足，師生討論過程中共同商議解決方法或調(diào)整解決方案。

培養(yǎng)學(xué)生將知識(shí)轉(zhuǎn)化為技術(shù)

的能力的同時(shí)，還要考慮產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)、產(chǎn)品使用時(shí)是否可靠安全等問題。

7 教學(xué)反思

通過層層遞進(jìn)的5個(gè)問題，利用問題解決的教學(xué)設(shè)計(jì)，進(jìn)行“設(shè)計(jì)和制作調(diào)光燈”的綜合實(shí)踐活動(dòng)教學(xué)，從課堂實(shí)際教學(xué)效果來看，基本達(dá)成了教學(xué)目標(biāo)。在設(shè)計(jì)和制作的過程中，學(xué)生表現(xiàn)出強(qiáng)烈的創(chuàng)造欲望，并迸發(fā)出許多新奇的創(chuàng)意，如有學(xué)生直接利用電位器調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度；有學(xué)生將兩根鉛筆芯并在一起，形成一個(gè)滑道，這樣既保證了滑片與鉛筆芯的良好接觸，又使得滑片在滑動(dòng)過程中方便、可靠；還有學(xué)生選擇豐富多彩的外觀，使得調(diào)光燈充滿了生活氣息等。雖然學(xué)生對(duì)于調(diào)光燈的設(shè)計(jì)思路清晰，但動(dòng)手制作能力差的特點(diǎn)也在課堂中暴露出來，因此，在教學(xué)中教師需要引導(dǎo)學(xué)生正確使用工具和幫助學(xué)生掌握操作技巧。