在初中物理综合实践活动中渗透工程教育①——以“设计简单电路”为例

(江苏省苏州阳山实验中学，江苏 苏州 215151)

1 问题的提出

工程是将自然科学理论应用到具体问题解决中的过程。在基础教育中应渗透工程教育，可让学生感受工程实施的基本环节：需求分析、产品设计、模型制作、测试改进。

苏科版初中物理教材在部分章的最后设有综合实践活动，针对被目前我国基础教育过分强调分科而忽略综合的现状，率先引入该项活动。其目的不仅是复习本章的知识，更是综合应用跨学科知识解决实际问题，是在物理教学中渗透工程教育的良好素材。笔者以“设计简单电路”为例，探讨渗透工程教育的教学设计。

2 在综合实践活动中渗透工程教育的教学设计与实施

2．1 教学目标

“设计简单电路”是《电路初探》一章的综合实践活动，可为后面学习欧姆定律奠定基础，主要安排了“病房呼叫系统”“楼梯灯”等项目，其教学目标为：

(1)通过具体项目的实施，了解工程实施的一般环节：需求分析、产品设计、生产制造、测试改进，提升学生的工程素养；

(2)通过工程需求分析，提高学生的建模能力；

(3)通过工程设计过程，提高学生的电路设计能力；

(4)通过作品测试，提高学生的技术素养。

2.2．1 设计一个病房呼叫模拟系统

(1)需求分析

教师播放医院病房呼叫系统的视频，提问：病人对该病房呼叫系统的要求是什么？护士对该系统的要求是什么？他们如何操作？

生：病人按了按钮后，要求护士站喇叭会响；护士要通过看工作屏上的指示灯，找到正在呼叫的床位。

教师追问：要实现该系统功能，需要哪些电学元件？

生：按钮是开关，一个床位需要一个开关和对应的指示灯，另外还需要电铃、电源、导线等。

(2)产品设计

师：如果医院里只有一张床位，电路如何设计？

学生设计电路图，先小组讨论，然后师生交流，提出了两种方案：一是灯泡和电铃并联，开关在干路上；二是灯泡、电铃、开关串联。笔者没有否定任何一种方案，因为它们都符合要求。

师：如果医院里有两张床位，电路应如何设计？

学生再进行设计、交流，也提出了两种方案：一是第一张病床的电路中开关、灯、铃串联，再与第二张病床的电路并联；二是第一张病床的电路中的开关、灯串联，再与第二张病床的电路并联，将一只电铃放在干路中。通过比较分析，大家一致认为第二种方案较好。

(3)生产制造

师：根据第二种设计方案，将讲台作为护士站，每组(共6个组)的课桌作为一张病床，讲台上放有电源、蜂鸣器、6个灯泡(3个LED灯，3个普通钨丝灯泡)，给每组提供开关、双芯电线等，请大家将其连好。

学生都非常投入，但不少小组遇到了技术问题：活动中会用到双芯电线、开关、电源、灯泡、电铃、短导线，如何使之构成闭合电路?最终通过小组互助解决了问题，连好了电路(图1)。

图1

(4)测试改进

笔者准备的灯泡中有3只LED灯，还故意放了3只普通小灯泡，在测试中发现：闭合开关时3只LED灯出现了预料的结果，灯亮、铃响，而使用普通小灯泡的3组都出现了只有铃响、但灯不亮的现象。面对这个现象，让学生思考：可能是什么原因造成的？有的学生说是灯断路，但很快被同伴否定了，因为与灯泡串联的蜂鸣器能响。有的学生说是灯泡短路，但将灯泡单独接在电源上时灯泡能亮，说明灯泡也没有故障。这时，笔者说：“等大家学完下一章欧姆定律后，谜底就能解开了。”

(5)点评

在教学中选用了工作电压变化范围较大的蜂鸣器的原因是由于各灯间是并联的，当有多张床位的开关同时闭合时，灯的总电阻将会变小，蜂鸣器将会分到更多的电压，所以一定会响。但当多组开关闭合时，LED灯的亮度将会变暗，普通的钨丝灯泡甚至不亮，这给学生更多的实际体验，根据学生现有知识水平，他们认为两种灯通电时都能亮，但不知道电阻的区别，这激发了学生后续学习欧姆定律的兴趣。

2.2．2 楼梯开关系统

(1)需求分析

在新授课的教学中，例题的讲解至关重要，有助于学生完善解题步骤，规范答题，本文例题中的题目，为预习提纲中思维延伸的题目.教师带领学生一同做题，总结解题步骤与方法.

教师播放楼梯灯的视频，提问：用户在黑暗的环境下上楼的要求是什么？下楼的要求又是什么？

生：楼梯灯可以在楼下开，也可以在楼上开，同样楼上、楼下关灯都可以。

师：要实现该功能，需要哪些电学元件？

生：需要两只开关、一只灯泡、电源、导线等。

(2)产品设计

先让学生尝试设计电路，然后师生交流，他们提出了如图2所示的两种方案：前者只有当灯亮时，楼上、楼下才都能关灯，但灯亮时需要两个开关都闭合；后者只有当灯熄灭时，楼上、楼下才都能开灯，但关灯时需要两个开关都断开。以上两种方案都不能实现楼梯灯的功能，学生感到很困惑。

图2

笔者采用两根不同颜色的铁棒自制教具，介绍楼梯灯电路的原理、单刀双掷开关模型及电路符号(图3)。

图3

学生又设计了如图4所示的电路，师生交流。

图4

(3)生产制造

笔者提供了一个楼梯灯的简易模型(图5)，用学校废旧的宣传板作为“墙外侧”，在“墙外侧”用记号笔画上楼梯，分别在楼梯下方和楼梯上方开孔，将两只单刀双掷开关用双面胶固定于孔上，开关面板露出墙外。楼梯中间再开一个小孔，方便装进灯泡。在面板背面用双面胶固定一个由两节电池组成的电源。笔者先做好这些准备工作，将连线的关键步骤留给学生。

图5

由于学生对单刀双掷开关不太熟悉，笔者先介绍这种开关：电流从L流入，开关的两种状态决定电流从L1或者L2流出。

学生面对真实情境，模拟安装楼梯灯，虽然难度较大，不少小组第一次连接时失败了，但笔者提供的低电压条件允许学生失败，学生可以不断思考、尝试。

(4)测试改进

学生先在小组内进行电路连接、测试，然后在班上交流，有5个小组顺利完成了任务，有一组没有完成任务(图6)，究其原因是他们没有认真阅读单刀双掷开关的使用说明书，厘清其内部的连线方式。此时，笔者强调：在生活中使用各种电器元件前一定要认真阅读说明书，只要平时学习时能理解透相关原理，就能轻松地看懂这类说明书。

图6

(5)点评

笔者在楼梯灯的教学环节中，不是先讲授单刀双掷开关，再设计楼梯灯电路图，而是让学生先尝试设计电路，发现用现有知识无法解决问题，激发了学生学习新知识的兴趣。而对于单刀双掷开关的学习，笔者用两个不同颜色的金属棒作为连接楼上楼下开关的导线，用鳄鱼夹夹在不同金属棒上表示开关处在不同状态，上下两个鳄鱼夹若夹在同样的金属棒上，则楼梯灯亮，否则不亮。通过形象的情境模拟，建构单刀双掷开关的模型，降低了学生学习的难度。

3 教学反思

(1)活动教学目标的提炼不仅要从物理学科角度考虑，还要从学科综合角度考虑，即本课不仅要复习串、并联电路知识，提高学生的电路设计能力、抽象概括和建模能力，还要通过项目实施过程让学生体会工程实施的一般步骤，提升学生的工程素养。

(2)工程教育要抓住课堂教学主阵地，提高学生的核心素养，如对第一个项目笔者精心准备器材、营造病房环境，让学生很快就能“入戏”，设计、连接电路，使“病床”能呼叫“护士站”。再如在楼梯灯项目中，笔者课前先将“墙面”开孔，做好器材准备等工作，在课堂上让学生完成重要任务。

(3)在综合实践活动中要强调真项目、真探究。学生对完成一个有实际意义的真实项目有浓厚的兴趣，“病房呼叫系统”比较复杂，但学生在教室中搭建了一个能实现该功能的系统，而且成本很低，在普通灯泡不亮、但铃响的环节中，还进行了真实故障排除的探究过程，楼梯灯的安装也是高仿真活动。

(4)在综合实践活动中要考虑学生安全问题。由于综合实践活动基于真实项目，不仅要对学生进行安全教育，提高其安全意识，还要让学生在绝对安全的环境下进行活动。在本活动的两个电路中，笔者都是采用低压电源，保证了学生的安全，同时让学生讨论在220V的环境中安全连接楼梯灯的问题。

(5)在综合实践活动中要让学生了解工程实施的步骤及意义。本活动的两个项目都是以需求分析开始，意在让学生说出电路系统的所有功能。在需求分析后再进行设计、生产制造、测试。每个步骤稳步推进，若在后面阶段才发现需求分析出错或设计出错，其工程实施成本将大幅度增加。