变阻器型动态电路复习的项目式教学设计与实施

林游 肖永琴

摘   要：以“制作光电烟雾报警器”为驱动性问题，开展初中物理“变阻器型动态电路复习”的项目式教学。学生通过完成“了解烟雾报警器原理”“制作烟雾检测电路”“制作报警反应”“寻找更多敏感电阻的实际应用”等四个项目任务，调动内驱力，提高学习兴趣，最终落实课程目标和素养目标的达成。

关键词：项目式学习；初中物理；动态电路复习

项目式学习模式下的教与学作为培养学生学科核心素养的重要途径之一，得到越来越多教育界人士的认可，在国内关于项目式学习已有得研究多集中在跨学科、多学科的领域，在综合实践活动、研究性活动中应用较多，但在单学科的常规课堂教学中应用得非常少[ 1 ]。而只有立足于课堂的、关注以学科为中心的、落实学科课程标准的项目式学习模式的开发和实践，才能使项目式学习真正走进每一个教师的常态课堂，才会真正去改变学生的学习历程。本文结合“变阻器型动态电路复习——制作光电烟雾报警器”的课例实践，探索项目式学习如何与初中物理复习课融合。

1  项目主题分析

课程标准要求：“理解欧姆定律。会看、会画简单的电路图。会连接简单的串、并联电路。能说出生产生活中采用简单串联、并联电路的实例，了解电路中的电流、电压特点”[ 2 ]。变阻器型动态电路的复习课可以全面涵盖课程标准中对电路的各项要求，传感器在当今生产生活中应用广泛，笔者选取学生生活中常见的，且对火灾预防有重大意义的烟雾报警器（光传感器）为情境载体，最终确立驱动性问题——制作光电烟雾报警器。

如图1所示，光电烟雾传感器中光源和光传感器位置呈90°角，正常情况下光源发出的光无法照射到传感器。当烟雾进入盒子内部时，由于烟雾颗粒对光产生漫反射，使得部分光照到传感器上，产生光电流输出，光电流驱动报警电路，达到报警目的。

光电烟雾传感器中的光传感器即光敏电阻，是初中教学中常见的一种变阻器，但多数学生只从习题上见过。能够亲手利用它制作煙雾报警器，极大地提高了学生的学习兴趣和学习热情，运用光敏电阻制作的过程，是对电路的设计连接、电流电压的判断、欧姆定律的理解的综合应用，既达成课标要求，又能帮助学生形成真实问题解决的思路方法，达成复习课素养发展的教学目标。

2  项目教学目标

（一）通过对检测烟雾传感器电路的设计，巩固电路分析、欧姆定律、滑动变阻器型动态电路的定性分析方法等相关知识，对简易传感器及其实际应用有较深刻的认识，并提高和同伴合作交流、表达能力。

（二）通过挑战设计与制作报警电路，提高电路分析能力，初步养成批判、反思意识。

（三）从执行项目的全过程中，初步了解工程项目的实施过程，形成团队合作意识，提高解决实际问题的能力。

（四）在设计报警器的过程中，形成预防火灾的日常安全意识，建立正确的科学态度和社会责任感。

3  项目任务及教学流程（见图 2）

4  项目实施过程及学生学习成果

4.1  设计并制作检测烟雾的电路

（1）设计电路

请学生设计简易检测烟雾电路（要求：{1}用滑动变阻器作为可变电阻； {2}改变电阻时，电流表或电压表示数增大；{3}画出电路图，并分析变化过程。）

【学生展示】学生共展示了6种不同电路设计（见图3）

【学生评价】方案一、二、三的电路设计符合电路设计的要求。

【学生评价】方案四和方案五中，虽然能达到要求，但当滑片位于最左端时，电路会发生短路故障，所以并联电路的方案不合适。

【教师评价】肯定学生的评价。

【学生评价】方案六，当滑片位于最左端时电路也会短路。

【学生评价】方案六，不会短路，就是电流表示数不变，但电压表示数会变化。

【教师引导】既然大家存在分歧，不妨按这个小组同学的设计连接电路，试试看。

学生经过操作后发现，发现滑片自左向右移，电流表示数不变，电压表示数变小。

【追问】为什么电流表示数不变呢？而电压表示数变小呢？

学生讨论后从电路分析的角度重新分析电路，并正确解释现象。

【教师评价】方案一、二、三、六都符合电路设计要求。

（2）选择器材

【学习支架】教师提供资料，光敏电阻有这些特性：第一，由硫化镉等半导体材料制成；第二，其在无光照时，呈高阻状态，暗电阻一般可达1.5 MΩ；第三，光照时，电阻迅速降低，亮电阻值可小至5 kΩ下。

【问题】当烟雾浓度增大，光强如何变化？光敏电阻的阻值如何变化？

【学生回答】考虑到烟雾的遮光作用，烟雾浓度增大，光强变弱，光敏电阻的阻值变大。

【追问】鉴于光敏电阻的这一特性，之前的四个方案中哪些方案是可行的，为什么？

【学生重新评价】学生分组讨论得出结论：只有方案三可行。方案六的变阻器需要三个接线柱肯定不可行；光敏电阻的阻值很大，电路中电流很小，方案一电流表无法测量，只能用看出电压的变化；方案二电压表随光敏电阻阻值的减小而减小，显然也不可行；方案三电压表随光敏电阻阻值的减小而增大，该方案行。

【问题】电压表示数要有明显变化，定值电阻如何选择？依据？（提供20 Ω ，200 Ω ，2 kΩ）

【学生回答】2 kΩ。根据串联分压的原理，太小的电阻分压太少电压变化不明显。

【教师引导】请大家画出最终确定的检测电路注明元件的具体参数，并进行实物电路的安装调试。

学生画电路图，并实验（见图4）。

4.2  设计并制作带有铃声的报警反应电路

【学习支架】完成烟雾检测电路后，需加入铃声的报警反应，请阅读该型号蜂鸣器相关参数，完善电路设计并进行安装调试。

学生画电路图，并实验（见图5）。

【学生评价】我们的产品，需要烟雾浓度要很浓的时候遮光效果才比较明显才会触发报警，能否实现在烟雾较少的时候就能够报警呢？

【学生评价】可以呀，可以改变电源电压，改变电阻阻值等。

【教师评价】这个想法非常好，我们的产品和实际的烟雾报警器还有很大差别，有很多可以改进的地方，比如实际烟雾报警器中有加入三极管的放大作用，所以大家可以思考并尝试对产品进行升级迭代。

【教师设疑】敏感电阻在生产生活中还有哪些实际应用？

【学生回答】电子控温装置、汽车地磅、汽车尾气检测仪等。

【教师设疑】大家课后可以尝试用不同的敏感类电路继续设计产品，感受半导体的神奇。

5  项目教学反思及建议

传统的复习课，由于学生对已经学过的知识的新鲜感下降，参与热情低，因此本节课将项目式教学和初中物理动态电路复习相融合。从本项目的实施看，项目的驱动性问题，极大调动了学生的学习热情，学生不仅能够主动基于自身已有经验构建知识网络，以高阶思维带动低阶认知[ 4 ]，部分学生还在课后继续对敏感类电阻进行研究，制作了雨天感应关窗系统（湿度传感器），作品获第37届福州市科技创新大赛二等奖。一个真实且富有挑战性的驱动性问题，使复习课达成了知识的回顾与整合、能力的纵向深化延伸、素养的横向发散拓展的教学目标。

基于项目式学习模式的复习课堂是否高效？传统的动态电路复习课，在一个课时中可以完成开关类和变阻器类动态电路定性分析的复习，但在项目式学习模式下本节课只完成变阻器型动态电路的复习。然而，所谓高效课堂，应是在相同的教学时间内达成更多的教学目标，不仅让学生建构物理观念，更要发展学生的科学思维等，让学科核心素养得到提升。教学的真正意义在于唤醒灵魂，只有学生真正参与课堂，学习才真实发生了。从这个角度看，本节课是高效的，虽然知识的容量上比传统课堂要少，但落实的教学目标远比传统课堂多很多，表现在：源于真实情境概括出具有挑战性的项目，培养建模意识；用已有知识设计方案并正确实施方案；基于证据对同伴的方案提出质疑和改进，建立批判性思维；学会与他人合作，大胆表达自己的观点；动手安装电路，解决问题，培养了动手能力，成就感和自我认同感得到提升等。

综上所述，项目式学习模式能够让学科核心素養显形，很适合与初中物理复习课堂结合。

参考文献：

［1］ 候肖，胡久华.在常规课堂教学中实施项目式学习[J].教育学报，2016（8）.

［2］ 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022版）[S].北京：北京师范大学出版社.2022.4.

［3］ 从余.烟雾报警器的制作[J].实用电子文摘，1996（4）.

［4］ 钱永昌，郑远鹏.学习素养视角下项目式学习特征再认识[J].福建基础教育研究，2021（7）.