基于问题解决的物理教学设计探讨——以“设计和制作一个模拟的调光灯”为例*

(南京师范大学附属中学新城中学黄山路分校,江苏 南京 210019)

“基于问题解决的教学设计”是指在一定的教学情境中提出问题，师生通过各种认知活动，经过一系列的思维加工过程，使问题从初始状态到达成状态的教学方案。这种教学设计有助于学生在科学探究时经历“提出问题—分析问题—提出假设—检验假设—得出结论”的过程，学习科学思维方法，有助于提升学生问题解决的能力和科学思维的品质，本文以“设计和制作一个模拟的调光灯”为例，介绍在初中物理综合实践活动中如何应用问题解决策略进行教学设计。

1 教材地位和学情分析

1.1 教材地位

“设计和制作一个模拟的调光灯”综合实践活动与苏科版初中物理教材第十四章“欧姆定律”章首提出的目标任务相呼应，这既是对本章内容的回顾总结，又是本章知识的具体应用；活动本身取材于生活，来源于生活。本综合实践活动通过操作训练，有助于提高学生的实践操作能力；有助于学生进一步地理解滑动变阻器的原理、并熟练使用；进一步理解电流与电压、电阻的关系，为后续电功率的学习奠定了基础；有助于激发学生学习电学的积极性和自主性。

1.2 学情分析

初三学生身心发展不均衡，一方面具有很强的求知欲和充沛的精力，有意愿了解常见的家用电器，已具备简单的电学知识和思维方法；但另一方面，多数学生还是以形象思维为主，喜欢动手实

践，对直观的实验现象比较感兴趣，但对实验现象对应的物理规律的理性思考深度不够。

2 教学目标

学生会利用滑动变阻器改变电流大小的原理，制作一个亮度可调节的调光灯，以激发其学习兴趣和求知欲望，培养他们的动手能力，发展他们的思维能力和创新意识。

3 教学重难点

教学重点为：应用问题解决策略，引导学生设计出电路，思考控制调光灯亮度的方法。

教学难点为：电源电压的选择以及起保护作用的定值电阻大小的确定。

4 活动器材

所用器材为：直流电源、小灯泡(2.5V 0.3A)、灯座、开关、各种铅笔芯、导线、金属回形针、各种规格的定值电阻、电压表等，也可以自选其他合适材料。

5 设计思路

“设计和制作一个模拟的调光灯”综合实践活动属于技术设计类活动，为了帮助学生主动投入、目标明确地开展活动，笔者认为需要进行“活动动员”，让学生感受各种功能的无极调光台灯，了解设计调光灯的方法；在动手操作的过程中，需要充分发挥学习小组的集体作用，允许学生试错，以培养学生的发散思维和创新能力。

6 教学过程

6.1 复习温故

师：前面我们已经学习了欧姆定律，你们能用欧姆定律的知识来解决以下问题吗？

问题1：身边只有一个9V的直流电源，怎样让一个“2.5V 0.3A”的小灯泡正常发光？

引导学生思考、讨论后得出：应串联一个合适的电阻。继续引导学生画出电路图，并对照电路图连接实物。

设计意图：通过问题，引导学生复习欧姆定律和串联电路分压的原理，同时通过实物连接，进一步提高学生实践操作的熟练程度，为本节课的设计和制作作好铺垫。

6.2 教学开展

师：刚才，大家用所学知识解决了一个实际问题。在本章开始的时候，我们曾留下了一个问题还没解决。

问题2：在本章章首语中，收音机的音量需要调节，舞台灯光的亮度需要调节，电扇的转速也需要调节……这些都是通过改变电路中电流的大小来实现的。那么，电路中的电流大小是如何改变的？

通过章首语创设活动情境，提出问题，引导学生思考改变电流的方式，除了改变电压还可以改变电阻，思考如何方便地改变电路中电阻的大小。

问题3：在设计和制作调光灯时应该注意哪些问题?你有什么好的创意？

通过展示图片和模型，学生发现调光灯在生活中非常常见，由此受到启发，激起实践操作的欲望，同时引导学生充分讨论，总结制作调光灯的注意事项。

(1) 设计的调光灯亮度要能连续调节；

(2) 在调节过程中要避免烧坏灯泡；

(3) 制作时不仅要安全、牢固，还要注意美观。

根据调光灯的功能和设计制作的要求，让学生思考以下问题。

问题4：(1) 如何改变电路中电流大小？你打算选择什么材料来制作变阻器？为什么？

引导学生讨论、思考得出：可以通过改变导体接入电路中的长度来改变电路中的电流大小，因此可以选择电阻随长度变化较大的材料，如铅笔芯等。

(2) 电路中还需要哪些元件？应选用怎样的规格？为什么？

引导学生注意电源的电压最低是9V，应从串联分压的原理出发，并注意其他电学元件允许通过的最大电流，合理选择电路元件。

(3) 怎样确保电路安全？你打算采取哪些保护措施？为什么这些措施能起保护作用？

引导学生分析、计算出保护电阻至少应选取的值。根据调光灯的功能、设计要求和选择的元件，画出符合设计要求的电路图。

(4) 你打算让你的电路有哪些功能？其中基本功能是什么？附加功能是什么？

根据调光灯的功能进行设计是创新的第一步，在设计电路时进行问题分解，分散学生设计过程中选择元件的难点。同时，在电路的设计中，学生根据自己的产品的基本功能和附加功能，衍生出许多不同类型电路，这些设计的电路图都是在原有的电路知识基础上拓展而成的，有利于培养学生应用知识和创新的能力。

学生分组讨论设计方案，交流观点，进行修改和完善，设计并画出电路图。教师肯定学生的电路设计，并展示各组设计出的电路图(如图1、图2)。

图1

图2

各组的电路图可能不一样，教师应给予适当的评价，只要能达到设计要求，都应及时鼓励。

各组按照自己设计的电路图分工准备和制作。完成制作后，小组之间进行交流，请各组同学上讲台展示制作成果并演示，进行自我评价和同伴评价，教师或同伴对富有创意的小组给予表扬。

问题5：在实际制作中，你遇到了什么问题？又是怎么解决的？

制作过程中可能会遇到许多原来没有想到的问题或发现原来设计方案中的不足，师生讨论过程中共同商议解决方法或调整解决方案。

培养学生将知识转化为技术

的能力的同时，还要考虑产品的外观设计、产品使用时是否可靠安全等问题。

7 教学反思

通过层层递进的5个问题，利用问题解决的教学设计，进行“设计和制作调光灯”的综合实践活动教学，从课堂实际教学效果来看，基本达成了教学目标。在设计和制作的过程中，学生表现出强烈的创造欲望，并迸发出许多新奇的创意，如有学生直接利用电位器调节台灯的亮度；有学生将两根铅笔芯并在一起，形成一个滑道，这样既保证了滑片与铅笔芯的良好接触，又使得滑片在滑动过程中方便、可靠；还有学生选择丰富多彩的外观，使得调光灯充满了生活气息等。虽然学生对于调光灯的设计思路清晰，但动手制作能力差的特点也在课堂中暴露出来，因此，在教学中教师需要引导学生正确使用工具和帮助学生掌握操作技巧。