抓住新聞巧設(shè)情境 任務(wù)驅(qū)動設(shè)計電路

摘 要：情境教學是具有一定情感氛圍的教學活動。本文將抽象的電路設(shè)計教學融入到參觀博物館的場景中，通過任務(wù)設(shè)置及角色扮演的方式，激發(fā)學生設(shè)計電路的內(nèi)在動力，讓學生化身“電路設(shè)計工程師”，完成博物館的電路設(shè)計工程。在教學過程中，教師通過布置設(shè)計電路、評價電路、完善電路的一系列任務(wù)，能夠讓學生將理論知識與實踐操作相結(jié)合，從而有效提升他們的深度思維能力。

關(guān)鍵詞：情景教學；綜合實踐；電路設(shè)計

1 前言

蘇科版物理教材九年級上冊（以下簡稱教材）的第十三章“電路初探”的“綜合實踐活動”的“設(shè)計簡單電路”中，讓學生設(shè)計病房呼叫電路、選答器電路、樓梯燈電路、交通信號燈電路。^［1］這些實踐活動都源于生活又相互獨立。如果教師僅讓學生按照課本流水賬似的設(shè)計一個又一個電路，教學就會缺少整體性、連貫性和情境性。筆者曾思考是否能讓學生只設(shè)計一個生活中的電路，比如電吹風或者交通信號燈內(nèi)部的電路，并將其研究透徹。然而，實際生活中的電吹風或交通信號燈的內(nèi)部電路涉及半導(dǎo)體芯片、數(shù)控電路等復(fù)雜知識，這對于初學電路設(shè)計的中學生而言過于困難?；谶@樣的實際情況，“電路設(shè)計”的教學情境設(shè)計面臨著挑戰(zhàn)。

“不憤不啟，不悱不發(fā)，舉一隅不以三隅反，則不復(fù)也。”孔子的這段話，在肯定啟發(fā)式教學作用的情況下，尤其強調(diào)了學生在接受教師啟發(fā)之前主動進入學習情境的重要性。營造良好的教學情境能充分調(diào)動學生學習的主動性和積極性，啟發(fā)學生思維，開發(fā)學生智力，是提高中學學科教學實效的重要方法。教學情境是課堂教學的基本要素，創(chuàng)設(shè)教學情境是教師的一項常規(guī)教學工作，創(chuàng)設(shè)有價值的教學情境則是教學改革的重要追求。

在教學中，教師可以創(chuàng)設(shè)以下幾種情境。

（1）生活展現(xiàn)情境：教師把學生帶入社會生活和自然場景中，利用圖片和語言描繪情境，從而建立情境與教學內(nèi)容的相關(guān)性。

（2）實物演示情境：以特定實物為中心，適當配置必要的背景元素，并將實物及其背景相結(jié)合，構(gòu)成一個完整的教學整體，以此來模擬并演示特定情境。

（3）問題情境：以特定問題為核心，將該問題作為學習的起點、方向、主線和催化劑，促使學生因問題的驅(qū)動而產(chǎn)生學習行為。

（4）背景情境：借助背景創(chuàng)設(shè)情境，將“物理學史”“中國古代生產(chǎn)勞動文化”“歷史典故”“新聞時事”等與教學相關(guān)的內(nèi)容融入課堂，作為引人入勝的背景資料。

綜上所述，筆者以2023年淮安市“圓明園獸首展”新聞為導(dǎo)引，并以“參觀博物館”為情境線索，結(jié)合教材內(nèi)容，提出一種“電路設(shè)計”課程的教學設(shè)計方案。

2 巧設(shè)情境——抓住熱點新聞

2023年9月至12月，淮安市博物館展出了圓明園獸首（見圖1）。此次展出弘揚了中國的傳統(tǒng)文化，展示了中國古代精益求精的工匠精神。走進博物館，在聲、光、電科技的輔助下，獸首及其他文物栩栩如生，讓人在聯(lián)想到還有其他獸首漂流海外的同時，心中還會涌起一股強烈的愛國之情。教師通過播放新聞的方式，帶領(lǐng)學生一起“走進”博物館，讓學生身臨其境，為接下來“電路設(shè)計”的教學創(chuàng)設(shè)情境。

博物館教學情境的創(chuàng)設(shè)形象具體，使學生身臨其境。這樣的情境能有效地激發(fā)學生的學習興趣，讓他們化身為“工程師”與“設(shè)計師”，成為學習的主人。這樣的情境展示了學科知識在實際生活中的應(yīng)用價值，幫助學生深刻理解學科知識的內(nèi)涵，激發(fā)他們學習的動力和熱情，同時也培養(yǎng)了學生的愛國情懷，有效地實現(xiàn)了教育的育人功能。

3 任務(wù)驅(qū)動——電路設(shè)計

“電路設(shè)計”的核心環(huán)節(jié)是方案設(shè)計。在方案設(shè)計過程中，教師引導(dǎo)學生運用已有知識，按照他們自身的思維模式進行設(shè)計，并引領(lǐng)他們經(jīng)歷反思、再設(shè)計的螺旋上升過程。通過這一過程，學生能夠?qū)崿F(xiàn)自我質(zhì)疑、自我建構(gòu)和自我生長。

3.1 任務(wù)一：設(shè)計博物館入口通道閘門電路

設(shè)計要求：所有游客先刷身份證（身份開關(guān)）再進行人臉識別（刷臉開關(guān)），認證成功后通道閘門才能打開（見圖2）。

教師讓學生思考需要哪些器材，并讓其畫出電路。

教師利用白板投屏展示學生設(shè)計的通道閘門電路圖（見圖3）。

師：為什么兩個開關(guān)是串聯(lián)的？

生：同時滿足兩個開關(guān)閉合的條件，電動機才能工作。

師：將兩個開關(guān)并聯(lián)可以嗎？

生：若兩個開關(guān)并聯(lián)，刷臉或者刷身份證就能讓通道閘門打開，不夠安全。

師：還有哪里有類似的通道閘門？

生：高鐵站、飛機場等。

設(shè)計意圖：按照參觀博物館的順序，學生首先“來到”的就是通道閘門處。通道閘門需要在滿足刷身份證和人臉識別的雙重條件下才能打開。在這一任務(wù)中，學生需要思考通道閘門開關(guān)的連接方式，這一任務(wù)鍛煉了他們對串聯(lián)、并聯(lián)電路知識的應(yīng)用能力。另外，通過聯(lián)系生活實際，學生學會了如何將一個問題遷移到同一類問題，這一過程鍛煉了學生的知識遷移能力。

3.2 任務(wù)二：設(shè)計展廳呼叫電路

背景：擁擠的展廳可能會發(fā)生安全事故，游客可通過求助開關(guān)向安保室尋求幫助。

設(shè)計要求1：在某一展廳按下求助開關(guān)后，安保室燈亮鈴響。

教師展示學生設(shè)計的電路圖（見圖4）。

設(shè)計要求2：展廳由一個變?yōu)槎鄠€，在已有電路的基礎(chǔ)上進行修改。

教師展示學生的作品（見圖5）。

學生評價1：圖5（a）的方案不知道是哪個展廳報警的。

學生評價2：圖5（b）的方案可行。但是電路中的電鈴太多，如果多展室同時報警，安保廳會很吵。

學生評價3：圖5（c）的方案雖然解決了安保室吵的問題，但是只要電鈴損壞，就會導(dǎo)致整個呼叫電路癱瘓，因此電路需要經(jīng)常檢修。

綜上所述，圖5（b）及圖5（c）的方案均符合要求。如果將電路設(shè)計情境遷移到設(shè)計病房呼叫電路，床位很多的情況，圖5（c）的方案更好些。

設(shè)計意圖：為了降低設(shè)計難度，教師將博物館展廳的呼叫電路設(shè)計分層次展開，為學生搭建思維臺階。同時，教師將展廳呼叫電路與病房呼叫電路相結(jié)合，讓學生辯證地思考圖5（b）及圖5（c）方案的優(yōu)缺點，避免學生陷入“唯課本論”的局限。

3.3 任務(wù)三：設(shè)計展廳的雙控吊燈電路

接下來，教師帶著學生一起“來到”寬敞的展廳，展廳中間有一盞大吊燈，展廳的前后各有一個能獨立控制燈光的開關(guān)。

教師演示：前方開關(guān)閉合吊燈亮起、后方開關(guān)斷開吊燈熄滅；后方開關(guān)閉合吊燈亮起，前方開關(guān)斷開吊燈熄滅（見圖6）。

教師引導(dǎo)：若提供兩個開關(guān)、一個燈泡、電源與導(dǎo)線，該如何設(shè)計電路？

教師投屏學生所繪制的電路圖（見圖7）。

師：將兩個開關(guān)串聯(lián)控制同一燈泡，如圖7（a）所示能實現(xiàn)要求嗎？

生：不能。當某一開關(guān)斷開時，另一開關(guān)無論怎么閉合，燈泡都不會工作。

師：那將兩個開關(guān)并聯(lián)控制同一燈泡，如圖7（b）所示，能實現(xiàn)要求嗎？

生：也不能。當某一開關(guān)閉合時，另一開關(guān)無論閉合還是斷開，燈泡都無法熄滅。

教師在黑板上進行演示，將兩個鱷魚夾分別夾在同一根金屬桿的兩端，以此來模擬兩個普通開關(guān)串聯(lián)的情形。若將一只鱷魚夾與金屬桿分開，則電路發(fā)生斷路。接著，教師再加入一根金屬桿，使兩根金屬桿平行排布在黑板上。若兩個鱷魚夾分別夾在不同金屬桿的一端時（見圖8），這相當于兩個單刀雙擲開關(guān)的刀片分別連接在不同導(dǎo)線的兩端，此時電路處于斷路狀態(tài)；若兩個鱷魚夾夾在同一根金屬桿的兩端時（見圖9），這相當于兩個單刀雙擲開關(guān)的刀片接在相同導(dǎo)線上，此時電路處于通路狀態(tài)。

教師向每組學生分發(fā)兩個單刀雙擲開關(guān)，請學生根據(jù)黑板上的演示電路，動手設(shè)計電路，從而實現(xiàn)燈泡的雙控效果。

設(shè)計意圖：首先，教師通過雙控燈教具的演示激發(fā)學生的學習興趣，從而進一步提高學生的求知欲；然后，學生自己動手設(shè)計出兩種電路，并經(jīng)過分析、質(zhì)疑、評價后，學生的思路陷入僵局；最后，教師使用兩根金屬桿平行排放搭建出兩條電流路徑，巧妙地引出單刀雙擲開關(guān)的結(jié)構(gòu)，讓學生豁然開朗。

3.4 任務(wù)四：設(shè)計博物館展品防盜報警器電路

背景：博物館展品文物具有重要的歷史文化價值和經(jīng)濟價值，為保障其安全，需配備防盜報警裝置。

設(shè)計要求：有異常人員接近和搬動文物時，電鈴響起。

師：報警開關(guān)應(yīng)該在展廳、展柜、展品的哪些位置安裝？

生：在展廳進門處、在展柜門處、在文物的底部等位置。

師：具體在什么情況下，報警開關(guān)會被啟動？

生：夜晚進展廳的時候、展柜門被打開的時候、文物脫離展臺的時候等。

教師展示學生的電路圖設(shè)計方案（見圖10）。

學生評價1：圖10（a）的方案在閉合開關(guān)S2后，電鈴短路且會燒壞電源，除非加保護電阻。

學生評價2：圖10（b）的方案中，電鈴一直在工作，起不到報警作用。

學生評價3：圖10（c）的方案在閉合開關(guān)S1后，電鈴短路。當展柜門被打開或者文物被搬起時，開關(guān)S1斷開，電鈴開始工作，起到報警作用。

設(shè)計意圖：文物保護電路的設(shè)計更具開放性，只要學生言之合理即可，能充分發(fā)揮學生的想象力和創(chuàng)造力。教師先展示學生的設(shè)計電路圖，然后讓學生經(jīng)歷從設(shè)計到評價、從評價到改進、從改進到優(yōu)化的遞進過程。這一過程有助于學生形成深度思維、提升關(guān)鍵能力、養(yǎng)成必備品格，從而全面提升科學素養(yǎng)。文物保護電路的設(shè)計可讓學生充分感受到學科知識在生活中的意義與價值。

4 動手操作——從設(shè)計到實踐

物理學是一門需要實際操作的學科，許多物理現(xiàn)象需要通過實驗來驗證。沒有經(jīng)歷體驗過程的知識，難以轉(zhuǎn)化為個體品質(zhì)。^［2］學生通過實踐操作，能夠體驗自身所設(shè)計電路的功能。這一過程不僅可以培養(yǎng)學生的實際操作技能和實驗?zāi)芰Γ€能有效激發(fā)他們的學習興趣和動力。學生的動手實踐成品如圖11和圖12所示。

實踐1：動手連接雙控燈電路（見圖11）。

設(shè)計意圖：“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行?！彪m然本節(jié)內(nèi)容的重點是電路設(shè)計，但是實踐是檢驗真理的唯一標準，學生只有動手連接電路，才能真正地掌握單刀雙擲開關(guān)的使用方法。另外，教師引導(dǎo)學生將自己設(shè)計的雙控燈、報警器電路制作出來，可以增強學生的成就感。

5 歸納總結(jié)——電路設(shè)計的步驟

根據(jù)本節(jié)課的教學過程，筆者總結(jié)的電路設(shè)計步驟如下。

（1）根據(jù)需要，明確要達到的目的。

（2）分析所需電路元件。

（3）根據(jù)要求設(shè)計出合理的電路（在設(shè)計電路的時候，合理巧用串并聯(lián)、多功能開關(guān)、局部短路）。

（4）檢驗電路是否滿足要求。

6 拓展延伸——從物理走向生活

很多學生展開了想象的“翅膀”，設(shè)計了文物保護電路，提出在打開展柜門時報警、在手伸進展柜時報警、在將展品搬離展柜時報警等多種需求，而傳統(tǒng)開關(guān)并不能滿足這樣的電路設(shè)計需求。學生想利用光控、聲控、壓力開關(guān)等新型開關(guān)，實現(xiàn)更靈敏、更智能的控制效果。學生的想法非常出色，但是智能開關(guān)的工作原理需要學生在學習完教材的第十四章“歐姆定律”后才能理解。鑒于學生的真實需求，教師可以給他們介紹一些原理較為簡單的智能開關(guān)。例如，在生活中使用非常廣泛的干簧管。

視頻介紹：干簧管（磁簧開關(guān)）是一個通過磁場操作的電開關(guān)，干簧管一般是由兩片軟磁性的金屬簧片組成，兩個簧片密封在玻璃管內(nèi)，簧片中間的間隔很小，如圖13所示。當外部有磁場靠近時，兩個簧片被磁化產(chǎn)生不同極性的磁場；當磁場強度足夠大時，兩個簧片就會吸合到一起，這樣開關(guān)就導(dǎo)通了。當外部磁場遠離時，簧片逐漸退磁斷開，開關(guān)斷開。因此，干簧管是一個通過磁場操作的開關(guān)。

小組合作：教師向每組學生分發(fā)一個包含磁控干簧管的電路，請學生將蜂鳴器用銅箔膠帶接入電路，以實現(xiàn)它的報警功能。

設(shè)計意圖：在本節(jié)課的任務(wù)驅(qū)動設(shè)計中，報警電路的設(shè)計是學生最感興趣且對文物保護最具有價值的任務(wù)，也是最具開放性的任務(wù)。學生在思考的過程中，可以張開想象的“翅膀”，想象小偷作案時報警器報警的情形，從而鍛煉自身思維的廣度和深度。學生多次表示想要使用光控、聲控等開關(guān)，說明他們的設(shè)計思路源于課本又高于課本，更加貼近日常生活?；谶@樣的實際需求以及學生暫未學習歐姆定律的學情，教師介紹原理較為簡單的智能開關(guān)——干簧管。教師向每組學生分發(fā)干簧管實物，引導(dǎo)他們將磁體靠近或遠離干簧管來實現(xiàn)其閉合、斷開的功能，他們對此感到新奇、有趣，為今后的物理實踐學習打下興趣基礎(chǔ)。

7 結(jié)語

學生通過本次綜合實踐活動的學習，在思維層面鍛煉了設(shè)計電路、評價電路、優(yōu)化電路的能力，同時也在實踐操作層面提升了動手能力和團結(jié)合作能力。教師通過布置一系列任務(wù)，讓學生在參與中體驗，在體驗中感悟。此后，無論面對多么復(fù)雜的電路設(shè)計問題，學生都將有信心去解決。此外，筆者創(chuàng)設(shè)的參觀博物館情境，增強了學生的民族自豪感。學生紛紛表示要更加努力學習，為增強祖國的綜合國力而奮斗，同時期盼漂流海外的圓明園獸首等文化瑰寶早日回歸祖國。

參考文獻

［1］劉炳昇，李容.義務(wù)教育教科書 物理 九年級 上冊［M］.南京：江蘇鳳凰科學技術(shù)出版社，2020：80-81．

［2］任巧英.物理文化視角下綜合實踐活動課的教學設(shè)計——以初中物理“簡單電路的設(shè)計”教學片段為例［J］.物理教師，2022，43（1）：33-35．