基于思維進(jìn)階的“電表示數(shù)變化”問(wèn)題鏈專題教學(xué)設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)春姑

摘 ? 要：歐姆定律的綜合應(yīng)用是初中物理學(xué)科的重要內(nèi)容。在涉及多個(gè)電表，尤其是電路結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，學(xué)生往往缺乏問(wèn)題解決的方向和思路。對(duì)此，要求能遵循學(xué)生學(xué)習(xí)思維的發(fā)生與發(fā)展過(guò)程，從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，以問(wèn)題鏈引導(dǎo)思維進(jìn)階，通過(guò)典型問(wèn)題的變式訓(xùn)練培養(yǎng)分析、推理、判斷和計(jì)算能力，從定性和定量角度培育解決實(shí)際問(wèn)題所需的必備品質(zhì)和關(guān)鍵能力。

關(guān)鍵詞：思維進(jìn)階;問(wèn)題鏈;電表示數(shù)變化

“電表示數(shù)變化”屬于動(dòng)態(tài)電路問(wèn)題。《福建省初中學(xué)科教學(xué)與考試指導(dǎo)意見(jiàn)》[ 1 ]指出，要通過(guò)實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用歐姆定律分析串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的電阻特點(diǎn)，分析動(dòng)態(tài)電路中電流和電壓的變化情況，并能解釋現(xiàn)象和進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)動(dòng)態(tài)電路問(wèn)題，可通過(guò)問(wèn)題鏈提供概念學(xué)習(xí)的初始狀態(tài)和發(fā)展過(guò)程需要經(jīng)歷的不同層級(jí)，以相互關(guān)聯(lián)的問(wèn)題組由淺入深地實(shí)現(xiàn)思維進(jìn)階。本文基于學(xué)習(xí)進(jìn)階[ 2 ]的理念，指導(dǎo)學(xué)生聚焦“電表示數(shù)變化”主題的學(xué)習(xí)，幫助建構(gòu)動(dòng)態(tài)電路的認(rèn)知模型，以獲得思維方式依次進(jìn)階和逐級(jí)深化。

1 ?典型問(wèn)題

電路中的電流或電壓在一定條件下會(huì)發(fā)生變化，該變化在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，如圖1的煤氣檢測(cè)電路、圖2的油量表。請(qǐng)結(jié)合圖示回答下列問(wèn)題：

（1）圖1所示電路中，電源電壓不變，R為定值電阻，Q為氣敏元件（其阻值隨煤氣濃度的升高而增大）。閉合開(kāi)關(guān)S，當(dāng)煤氣濃度升高時(shí)電流表示數(shù)如何變化，輸出信號(hào)電壓Uab是變大、變小還是不變？

（2）圖2中的油量表是什么表改裝的？當(dāng)油面下降時(shí)，接入電路電阻的阻值和油量表示數(shù)將發(fā)生怎樣的變化？

解析：分析電路可知，在煤氣檢測(cè)裝置中，煤氣濃度升高時(shí)氣敏元件阻值增大，電路中總電阻變大，電流變小;輸出信號(hào)測(cè)量的是氣敏元件的電壓，因?yàn)槠渥柚翟龃?，分壓更多，所以Uab變大。對(duì)于油量表，當(dāng)油面下降時(shí)，R接入電路的電阻線更長(zhǎng)，電路中總電阻增大，所以電流變小。

小結(jié)：此類問(wèn)題關(guān)鍵是明確動(dòng)態(tài)電路電阻所發(fā)生的變化，然后靈活應(yīng)用歐姆定律分析由電阻變化引發(fā)的電流和電壓的變化情況。

2 ?思維進(jìn)階1

電路中的開(kāi)關(guān)閉合與斷開(kāi)可能改變電路元件的連接方式，并引起電表示數(shù)發(fā)生變化。如圖3，電源電壓不變，當(dāng)S1由閉合到斷開(kāi)時(shí)，電流表和電壓表的示數(shù)將怎樣變化？

解析：與圖2因滑動(dòng)變阻器滑片移動(dòng)引起電路阻值發(fā)生變化不同，圖3是開(kāi)關(guān)斷開(kāi)與閉合引起電路連接方式發(fā)生變化。S1斷開(kāi)，L與R串聯(lián)，電壓表測(cè)量R兩端的電壓;S1閉合，L被短路，只有R工作，電流表測(cè)量電路電流，電壓表的示數(shù)等于電源電壓。當(dāng)S1由閉合到斷開(kāi)時(shí)，燈L接入電路與R串聯(lián)，使總電阻變大;因?yàn)殡娫措妷翰蛔?，所以電路中電流變?又R與L串聯(lián)，根據(jù)串聯(lián)電路的分壓規(guī)律可知此時(shí)測(cè)量R兩端電壓的電壓表因?yàn)闊鬖的分壓，所以其示數(shù)也將變小。

小結(jié)：通過(guò)設(shè)置符合學(xué)生思維發(fā)生與發(fā)展規(guī)律的問(wèn)題鏈作為學(xué)習(xí)的支架，引導(dǎo)思維進(jìn)階——開(kāi)關(guān)斷開(kāi)與閉合時(shí)，電路中各元件是怎樣連接的，還可指導(dǎo)學(xué)生畫(huà)出動(dòng)態(tài)電路變化的等效電路圖，幫助確定電流表和電壓表是測(cè)哪段電路的電流和電壓，最后根據(jù)歐姆定律和串并聯(lián)電路的特點(diǎn)進(jìn)行全面分析。

3 ?思維進(jìn)階2

將圖3的定值電阻改為如圖4的滑動(dòng)變阻器，通過(guò)滑動(dòng)變阻器滑片移動(dòng)形成動(dòng)態(tài)電路，這是一類典型問(wèn)題。閉合圖4所示電路中的開(kāi)關(guān)S，向左移動(dòng)滑片，試分析電流表和電壓表示數(shù)的變化情況。

解析：圖中滑片向左移動(dòng)，使電路總電阻變小、電流變大;在不考慮燈泡電阻變化的前提下，根據(jù)歐姆定律的變形U=IR可知燈泡在電流增大的情況下將分得更高的電壓，所以與燈串聯(lián)的變阻器分得的電壓相應(yīng)地變小，即圖中電壓表示數(shù)變小。

變式訓(xùn)練：對(duì)圖4，繼續(xù)移動(dòng)電壓表位置，得到變式題圖5;將電壓表改為電流表得到變式題圖6，或增加電壓表得到圖7。另外，也可增加元件，如電阻或燈泡，改為混聯(lián)電路，得到圖8、9的變式;也可增加開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)與閉合改變電路結(jié)構(gòu)，得到更為復(fù)雜的電路，如圖10。

小結(jié)：“學(xué)起于思，思源于疑”。學(xué)生的思維活動(dòng)起源于問(wèn)題，通過(guò)情境問(wèn)題化可有效地引發(fā)學(xué)生思考[ 3 ]。圖3-10正是通過(guò)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)與閉合，或滑動(dòng)變阻器滑片的移動(dòng)，圍繞知識(shí)內(nèi)在的邏輯順序、事物發(fā)展的規(guī)律順序和學(xué)生認(rèn)知的思維規(guī)律順序，形成系列化的動(dòng)態(tài)電路變化情境，緊扣主題，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”傳輸。學(xué)生通過(guò)深度學(xué)習(xí)，厘清解答動(dòng)態(tài)電路電表示數(shù)發(fā)生變化的原因、判斷依據(jù)和分析方法，在學(xué)習(xí)進(jìn)階過(guò)程中使所學(xué)習(xí)的知識(shí)條理化和系統(tǒng)化，達(dá)到“動(dòng)一點(diǎn)而動(dòng)全身”的學(xué)習(xí)效果。

4 ?思維進(jìn)階3

除了定性分析，對(duì)動(dòng)態(tài)電路進(jìn)行定量計(jì)算也是一項(xiàng)重要能力。如圖11，R1=10Ω，滑動(dòng)變阻器R2的最大阻值為50Ω，電源電壓6V。當(dāng)S閉合，滑片P由B端移到A端過(guò)程中，電流表和電壓表的示數(shù)變化范圍分別是多少？

解析：教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有序思維，依次明確電路結(jié)構(gòu)及其變化，并確定電流表和電壓表的測(cè)量對(duì)象。當(dāng)滑片P向左移動(dòng)時(shí)，電流表和電壓表示數(shù)都變大;當(dāng)滑片在B端時(shí)，R總=10Ω+50Ω=60Ω，I=U/R總=6V/60Ω=0.1A，U1=IR1=0.1A×10Ω=1V;滑片P移動(dòng)到A端，R2接入電路的電阻為0，此時(shí)，I=U/R1=6V/10Ω=0.6A，R1兩端電壓為電源電壓;所以，電流表和電壓表的示數(shù)變化范圍分別是0.1A～0.6A和 1V～6V。在完成此題的基礎(chǔ)上，對(duì)圖11進(jìn)行圖12的變式。其中，R1改為6Ω，電源電壓、R2的最大阻值不變，電壓表和電流表的量程分別為“0～3V”“0～0.6A”，則R2允許的取值范圍是多少？（答案為4Ω-6Ω）。

5 ?結(jié)語(yǔ)

本專題圍繞電表示數(shù)變化的動(dòng)態(tài)電路問(wèn)題，精心設(shè)置情境，遵循學(xué)生思維的發(fā)展規(guī)律，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從基礎(chǔ)題入手，有序分析“開(kāi)關(guān)閉合與斷開(kāi)”“滑動(dòng)變阻器滑片移動(dòng)”“動(dòng)態(tài)電路變化的定量分析”這三種類典型的問(wèn)題。在學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”順序開(kāi)展基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的問(wèn)題鏈模式的學(xué)習(xí)活動(dòng)，從定性與定量的不同角度深入分析問(wèn)題變化所涉及的知識(shí)內(nèi)在的邏輯關(guān)聯(lián)，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)分析和解決動(dòng)態(tài)電路“電表示數(shù)變化”問(wèn)題的思維模型。

參考文獻(xiàn)：

[1]福建省教育廳.福建省初中學(xué)科教學(xué)與考試指導(dǎo)意見(jiàn)[M].福州：福建教育出版社，2017.

[2]張華，阮享彬.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的生活化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)——以“光的折射”為例[J].物理教師，2019（2）.

[3]吳喆，何善亮.物理教學(xué)的“情境化”“去情境化”與“再情境化”[J].物理教師，2017（11）.