可視化滑動變阻器演示教具的創(chuàng)新與改進

譚振興　劉信生　朱新培

在初中物理教學中，為揭示滑動變阻器電阻絲中電流路徑與真正接入電路中有效部分的隱性化特征，筆者巧妙地構(gòu)建生活中LED燈帶的不同連接方式，自制了滑動變阻器電阻絲靜態(tài)實物模型與滑動變阻器電阻絲動態(tài)實物模型。在模型演示中，筆者借助點亮的LED燈帶顯示滑動變阻器電阻絲中電流的路徑與接入電路中的有效長度，展現(xiàn)電阻絲隨滑片滑動時接入電路中長度變化趨勢，實現(xiàn)可視化教學，降低思維門檻，提高實驗效果。

一、改進教具開展可視化教學有利于提升學生認知能力

《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）明確要求“物理教學要遵循初中學生身心發(fā)展規(guī)律，貼近學生生活，關注學習生長點，以鮮活案例、生活經(jīng)驗等引導學生進行理性思考”。初中物理實驗既是物理教學的重要內(nèi)容，又是教學難點，特別是物理實驗器材的原理與功能對初中學生來說是一個思維陡坡。隨著信息技術的發(fā)展，教師恰當?shù)貞眯畔⒓夹g可以使抽象的實驗直觀化，使模糊的物理模型形象化，使難以觀察的實驗現(xiàn)象可視化，使隱性的物理規(guī)律顯性化，使微小實驗現(xiàn)象放大化。例如，滑動變阻器是初中物理重要電學實驗器材之一，其在探究歐姆定律、測小燈泡電阻與測用電器電功率等（課標要求學生掌握的）電學實驗中占有重要地位?；瑒幼冏杵鬟€是分析動態(tài)電路知識的核心教學內(nèi)容?；瑒幼冏杵鳎ㄈ鐖D1）工作原理是操作者移動滑桿上的金屬滑片改變接入電路中電阻線長度進而改變電阻值。在學習滑動變阻器的結(jié)構(gòu)與原理時，由于實驗室里的普通滑動變阻器接線柱較多、接入電路中的方法多樣、表面涂有絕緣漆的電阻絲（通常是鎳鉻合金絲）在瓷筒上緊密纏繞等原因，學生不易觀察滑動變阻器接入電路中的工作部分及工作電阻的變化規(guī)律。由于滑動變阻器結(jié)構(gòu)復雜，加之初中學生認知能力有限，他們很難正確地分析滑動變阻器上的哪部分電阻絲真正接入電路，移動滑片時接入電路中的電阻值如何變化，這是教學痛點，教師教起來累，學生學起來也苦。形象化展示滑動變阻器接入電路中電阻絲的有效部分及長度的變化趨勢，是降低學生的認知負荷、提高物理實驗教學效率的關鍵。為此，筆者運用LED燈帶自制滑動變阻器模型教具，以期實現(xiàn)接入電路的滑動變阻器中電阻絲（即靜態(tài)）可視化，進而實現(xiàn)在移動滑片時接入電路中電阻絲電阻值（電阻絲長度）變化趨勢（即動態(tài)）可視化。

二、滑動變阻器中電阻絲的靜態(tài)可視化模型建構(gòu)與展示

（一）電路設計原理

為了直觀地顯示滑動變阻器的瓷筒上電阻絲接入電路中的有效部分，筆者根據(jù)滑動變阻器的結(jié)構(gòu)與原理，巧妙地使用市面上的LED燈帶來替代涂有漆包線的鎳鉻合金絲（電阻絲）；用白色PVC管替代瓷筒；將整條燈帶依次環(huán)繞并固定在PVC管壁上，以便更好地呈現(xiàn)流過電阻絲的電流路徑和接入電路中的工作電阻。

具體的電路設計方案：先將帶貼片的整條LED燈帶均勻環(huán)繞在自制的滑動變阻器模型的PVC管上，在整條LED燈帶的中部某處用剪刀將負極導線剪斷，再將LED燈帶兩端的負極導線分別接到滑動變阻器的下端兩接線柱上，將金屬桿上滑動的金屬滑片固定在剪斷的該圈燈帶的正極導線上，最后將滑動變阻器模型按照要求接入12 V電路中進行實驗（如圖2）。

（二）實物模型制作與展示

筆者準備如下實驗器材：額定電壓為12 V、2835號裸板一盤、5 m LED燈帶2根，直徑10 cm、長度50 cm的白色PVC圓管一根，長約10 cm的鋁合金方管8根，直徑2 cm、長52 cm的鋁合金圓管一根，直徑10 cm、長度2 cm的鋁合金圓環(huán)兩枚，鋁合金小金屬片一枚，金屬接線柱兩枚，12 V電源一臺，30 W電烙鐵一支，手持充電鉆一把，等等。

實物模型制作步驟如下。

第一步，制作鋁合金支架與金屬滑片。

首先，筆者按照實驗電路，用氬弧焊機將6根鋁合金方管焊接成2個正放的梯形支架，分別將鋁合金圓環(huán)固定在梯形支架頂端，在每個圓環(huán)上方分別焊接一小段鋁合金方管。

然后，取一截長、寬、高分別為3 cm的鋁合金方管，用打孔機在其中央位置打一直徑2 cm的圓孔，用焊機將鋁合金小金屬片固定在其側(cè)面，將其套在直徑2 cm、長52 cm的鋁合金圓管上自由滑動，相當于變阻器的金屬滑片。

最后，將鋁合金圓管平放，用焊機將其焊接在小段鋁合金方管上方（相當于變阻器的金屬桿）；將PVC管水平地插入兩個鋁合金圓環(huán)中（相當于變阻器的瓷筒），用手持充電鉆在PVC管前側(cè)兩邊各開一小孔，將兩金屬接線柱安裝于各孔中，完成模型框架的制作。

第二步，繞制LED燈帶，安裝接線柱。

筆者先將一根長5 m的LED燈帶背面的雙面膠紙撕掉并等間距地從左向右環(huán)繞PVC管側(cè)壁粘貼好，在第13圈燈帶的正極導線上用電烙鐵焊上一枚小金屬鐵片，再將滑桿上金屬滑片緊貼在小金屬鐵片上。用剪刀小心地將燈帶的負極金屬線剪斷，將燈帶兩端的負極導線（可以在此處另加銅導線）分別用電烙鐵焊接在、金屬接線柱上，接著將燈帶兩端的正極導線（也在此處另加銅導線）分別用電烙鐵焊接在模型下端的、兩個接線柱上（如圖3）。將另外一根LED燈帶背面的雙面膠帶撕掉后，利用前一根燈帶的間隙，從左向右纏繞，將燈帶自帶的正極導線接在接線柱上、負極導線接在接線柱上（需要用導線在PVC管的內(nèi)壁上進行連接）。

第三步，展示模型。

首先，筆者將滑動變阻器模型置于桌面上，用帶鱷魚夾的導線將12 V電源的正極接在模型上面金屬桿的一端（由于金屬桿是導體，其任意一端接入電路中的作用是相同的），將電源負極接在左下端接線柱上。閉合電路，滑動變阻器間的燈帶發(fā)光，筆者借此模擬（演示）滑動變阻器接入電路中電阻絲就是部分（如圖4a）。

然后，筆者用帶鱷魚夾的導線將12 V電源的正極接在模型上面金屬桿的右端，將電源負極接在右下端接線柱上。閉合電路，滑動變阻器間的燈帶發(fā)光，說明此時接入滑動變阻器的電阻絲就是部分（如圖4b）。

最后，筆者用帶鱷魚夾的導線將12 V電源的正極接在模型左下端接線柱上，將負極接在右下端接線柱上。閉合電路，滑動變阻器間的燈帶均發(fā)光（是一條完整的燈帶），說明此時接入電路中的是整個電阻絲（如圖4c）。

三、滑動變阻器電阻絲阻值變化的動態(tài)可視化模型建構(gòu)與展示

以上設計的滑動變阻器教具仍存在一定的缺陷，即金屬桿上的滑片不能隨意移動來顯示接入電路電阻絲長度變化，筆者稱其為電阻絲的靜態(tài)可視化滑動變阻器模型。能否設計制作一款滑動變阻器教具，以LED燈帶接入電路的長度變化來實時顯示接入電路的電阻絲長度的變化呢？筆者經(jīng)過探索，設計出電阻絲的動態(tài)可視化滑動變阻器模型。以下詳細介紹該模型的設計原理、模型制作與展示過程。

（一）電路設計原理

為了能夠用點亮的LED燈帶實時顯示滑動變阻器接入電路中電阻絲長度的變化，筆者將原模型進行改裝：①將一根燈帶等分成20段，分別將各段燈帶等間距且平行地貼在PVC管上；②將20段LED燈帶的負極導線并聯(lián)連接在一起，接在滑動變阻器模型上方的、兩個接線柱上；③將每段燈帶正極導線從左向右分別接在三腳三檔船形開關的中間接線柱上；④將所有船形開關的左邊接線柱并接在一起后接入模型下方的接線柱上，右邊接線柱并接在一起后接入模型下方的接線柱上。、接線柱一定要接電源正極端，、接線柱一定要接電源負極端（如圖5）。筆者移動金屬桿上的輪式滑片能夠?qū)崿F(xiàn)改變船形開關的通斷來控制LED燈帶亮滅的功能，用來動態(tài)顯示滑動變阻器電阻絲阻值的變化情況。

（二）實物模型制作與演示

筆者準備如下實驗器材：額定電壓為12 V、長5 m的LED燈帶1根，直徑10 cm、長度50 cm的白色PVC圓管一根，KDC三腳三檔按鈕船形翹板開關20枚，長約50 cm、四周棱長2.5 cm的正方形空心鋁管一根，12 V蓄電池一個，3D打印系統(tǒng)一套，手工鋸、充電鉆各一把，帶有矩形固定支架的塑料圓輪一枚，30 W電烙鐵一個，剪刀一把，金屬導線若干。

實物模型制作步驟如下。

第一步，制作3D打印支架與輪式滑片：①運用專業(yè)軟件設計滑動變阻器模型支架一副（支架內(nèi)的圓孔直徑約為10 cm，上端方孔邊長為2.5 cm）；②設計高3 cm、帶正方形內(nèi)孔邊長為2.5 cm的滑套一枚，用3D打印機打印出這些部件備用；③將滑套穿過正方形空心鋁管，使用螺絲刀旋緊自攻螺絲，將帶有轉(zhuǎn)軸的塑料圓輪固定在滑套下方作為滑動變阻器滑桿下的滑片模型；④用手工鋸沿著PVC管的側(cè)面從上到下鋸開寬度為1.5 cm的凹槽（槽寬等于船形開關的寬度，以便放置船形開關）；⑤將PVC管的兩端分別橫向插入模型支架的圓孔中，讓開槽的部分朝正上方，同樣用螺絲刀將自攻螺絲由前側(cè)小孔中旋入，使兩支架固定在PVC管上；⑥將帶滑片模型的滑桿兩端分別水平插入支架上端的方孔中加以固定。

第二步，連接與安裝船形開關同LED燈帶。首先將同一根LED燈帶上用剪刀截取20段，每段長度約15 cm，撕掉背面的雙面膠紙并將每段燈帶平行且等間距地貼在PVC管上（所有的燈帶左側(cè)為正極、右側(cè)為負極），然后將燈帶端口從PVC管槽口處垂直向前側(cè)繞制，一直繞到PVC管的后側(cè)。由于三腳三檔的船形開關本質(zhì)上是單刀雙擲開關，當開關置于水平位置“O”處時為“空檔”，中間接線柱懸空，此時電路斷開。當開關置于“Ⅰ”檔時，中間接線柱與“Ⅰ”接線柱接通。當開關置于“Ⅱ”檔時，中間接線柱與“Ⅱ”接線柱接通（如圖6）。

筆者按照電阻絲動態(tài)可視化電路圖進行如下操作：①用銅導線將每個船形開關中間接線柱與槽口處對應的LED燈帶端點的正極接通；②用電烙鐵焊接牢固，從左向右將開關編號為1，2，3，…，13，…，20；③將20個船形開關的“Ⅱ”接線柱用銅導線并聯(lián)在一起后接到滑動變阻器左下角接線柱，以同樣的方法將20個船形開關的“Ⅰ”接線柱用銅導線并聯(lián)在一起后接到滑動變阻器右下角接線柱；④將20個船形開關依據(jù)編號自左向右插入PVC管上側(cè)的槽口中，用熱熔膠進行固定；⑤用銅導線將滑動變阻器模型后側(cè)的每條LED燈帶的負極依次并聯(lián)好；⑥將銅導線的兩端穿過PVC管側(cè)壁的小孔分別接在模型上側(cè)的、接線柱上。電烙鐵通電后，筆者用焊錫將以上所有連接點焊接牢固。一副滑動變阻器電阻絲的長度隨滑片移動而改變的LED燈帶模型就這樣制成了（如圖7）。

模型展示方法如下。

為避免LED燈帶發(fā)光刺眼，出于簡便、實用的考慮，筆者選用兩節(jié)干電池串聯(lián)的3 V電源為系統(tǒng)供電。

筆者將塑料滑輪（滑片的模型）置于滑桿靠右的位置上，用帶鱷魚夾的導線將電池的正極接變阻器模型右下角接線柱，將電池負極接左上角接線柱。隨即模型間的LED燈帶發(fā)光（如圖8a），說明滑動變阻器的部分的電阻絲接入電路中。筆者向左推動塑料滑輪，此時滑輪右側(cè)的LED燈帶均發(fā)光，且燈帶發(fā)光的圈數(shù)在增加（如圖8b）。當滑輪推至滑桿最左端時，所有燈帶全部發(fā)光，說明此時滑動變阻器的電阻絲全部接入電路中，接入電路中電阻絲的電阻值最大。隨后，筆者將電池的正極由變阻器模型的接線柱改接到左下角接線柱上，此時間的LED燈帶發(fā)光（如圖8c），說明此時滑動變阻器的部分的電阻絲接入電路中。筆者向右推動塑料滑輪，滑輪左側(cè)的LED燈帶發(fā)光的圈數(shù)越多，說明接入電路中的電阻絲越長，電阻值也越大。

該滑動變阻器模型最大的優(yōu)點是：使用LED燈帶不僅能直觀地顯示滑動變阻器接入電路的電阻絲中電流的路徑，而且能顯示電阻絲隨滑片滑動時接入電路的長度及長度變化趨勢。這樣，數(shù)字化實驗教學的價值得以充分體現(xiàn)。

四、新型可視化實驗教具簡易實用值得推廣

蘇州大學朱正元教授曾經(jīng)說過，教師制作的物理演示教具要“簡單、明了、尺寸夠大”?！昂唵巍本褪且l(fā)揮“壇壇罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”的精神，以身邊生活用品為主要器材進行低成本制作?！懊髁恕本褪潜仨毻怀鰧嶒炛黝}，刪繁就簡，主次分明。“尺寸夠大”就是突出可視化的特性，使微小的實驗現(xiàn)象與過程放大化，給學生以“高見度、強視覺”的感官沖擊力。實驗室中滑動變阻器瓷筒被涂有絕緣漆的電阻絲緊密纏繞，讓生活閱歷不深的初中學生在剛開始接觸它的時候感覺“一頭霧水”，無法識別滑動變阻器結(jié)構(gòu)的真面目。教師將滑動變阻器接入電路后，學生對于哪部分電阻絲真正接入電路及移動滑片如何改變電路電阻值有一定認知難度。為了突破學生的認知障礙，降低思維臺階，教師運用創(chuàng)造性思維來精心設計方案，合理利用信息技術找到破解難點的方法與策略。

教師在物理實驗中踐行“知識問題化、問題情境化、情境生活化”的教學理念，利用生活中常用的LED燈帶的不同種電路連接方式，對滑動變阻器接入電路的電阻絲的電流路徑與電阻值變化規(guī)律開展可視化教學，對物理問題進行情境化處理，降低了學生思維難度，真正體現(xiàn)課標“知行合一，學以致用”的要求。需要指出的是，滑動變阻器電阻絲靜態(tài)實物模型和滑動變阻器電阻絲動態(tài)實物模型都不是真正的實驗室滑動變阻器演示器具。為便于學生思考與理解滑動變阻器是如何改變電路中電阻的，教師在課堂教學中一定要站在學生立場上發(fā)現(xiàn)真實疑問，創(chuàng)新設計原理、收集生活資源、建構(gòu)科學模型。教師應積極設計創(chuàng)新實驗，開展實踐活動，幫助學生提升科學思維能力，使“做中學”“用中學”“創(chuàng)中學”的理念落地生根。

注：本文系廣東省中小學教師培訓中心專項科研項目立項課題“深度學習理論下的初中物理創(chuàng)新實驗教學研究”（立項號：GDSP-2021-E005）的階段性研究成果。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2] 李先全.深度挖掘演示實驗資源 精準整合科學探究策略——以“物體的內(nèi)能”演示實驗教學為例[J].物理教學探討，2022（4）：14-16.

[3] 劉信生，陶士金.TPACK理論框架下數(shù)字化實驗的行動研究——以“探究電磁鐵磁性強弱的決定因素”為例[J].中學物理教學參考，2022（25）：49-53.

（作者譚振興系廣東省湛江市第二中學正高級教師；劉信生系安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級中學高級教師；朱新培系江西省興國縣平川中學高級教師）

責任編輯：祝元志