可视化滑动变阻器演示教具的创新与改进

谭振兴　刘信生　朱新培

在初中物理教学中，为揭示滑动变阻器电阻丝中电流路径与真正接入电路中有效部分的隐性化特征，笔者巧妙地构建生活中LED灯带的不同连接方式，自制了滑动变阻器电阻丝静态实物模型与滑动变阻器电阻丝动态实物模型。在模型演示中，笔者借助点亮的LED灯带显示滑动变阻器电阻丝中电流的路径与接入电路中的有效长度，展现电阻丝随滑片滑动时接入电路中长度变化趋势，实现可视化教学，降低思维门槛，提高实验效果。

一、改进教具开展可视化教学有利于提升学生认知能力

《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）明确要求“物理教学要遵循初中学生身心发展规律，贴近学生生活，关注学习生长点，以鲜活案例、生活经验等引导学生进行理性思考”。初中物理实验既是物理教学的重要内容，又是教学难点，特别是物理实验器材的原理与功能对初中学生来说是一个思维陡坡。随着信息技术的发展，教师恰当地应用信息技术可以使抽象的实验直观化，使模糊的物理模型形象化，使难以观察的实验现象可视化，使隐性的物理规律显性化，使微小实验现象放大化。例如，滑动变阻器是初中物理重要电学实验器材之一，其在探究欧姆定律、测小灯泡电阻与测用电器电功率等（课标要求学生掌握的）电学实验中占有重要地位。滑动变阻器还是分析动态电路知识的核心教学内容。滑动变阻器（如图1）工作原理是操作者移动滑杆上的金属滑片改变接入电路中电阻线长度进而改变电阻值。在学习滑动变阻器的结构与原理时，由于实验室里的普通滑动变阻器接线柱较多、接入电路中的方法多样、表面涂有绝缘漆的电阻丝（通常是镍铬合金丝）在瓷筒上紧密缠绕等原因，学生不易观察滑动变阻器接入电路中的工作部分及工作电阻的变化规律。由于滑动变阻器结构复杂，加之初中学生认知能力有限，他们很难正确地分析滑动变阻器上的哪部分电阻丝真正接入电路，移动滑片时接入电路中的电阻值如何变化，这是教学痛点，教师教起来累，学生学起来也苦。形象化展示滑动变阻器接入电路中电阻丝的有效部分及长度的变化趋势，是降低学生的认知负荷、提高物理实验教学效率的关键。为此，笔者运用LED灯带自制滑动变阻器模型教具，以期实现接入电路的滑动变阻器中电阻丝（即静态）可视化，进而实现在移动滑片时接入电路中电阻丝电阻值（电阻丝长度）变化趋势（即动态）可视化。

二、滑动变阻器中电阻丝的静态可视化模型建构与展示

（一）电路设计原理

为了直观地显示滑动变阻器的瓷筒上电阻丝接入电路中的有效部分，笔者根据滑动变阻器的结构与原理，巧妙地使用市面上的LED灯带来替代涂有漆包线的镍铬合金丝（电阻丝）；用白色PVC管替代瓷筒；将整条灯带依次环绕并固定在PVC管壁上，以便更好地呈现流过电阻丝的电流路径和接入电路中的工作电阻。

具体的电路设计方案：先将带贴片的整条LED灯带均匀环绕在自制的滑动变阻器模型的PVC管上，在整条LED灯带的中部某处用剪刀将负极导线剪断，再将LED灯带两端的负极导线分别接到滑动变阻器的下端两接线柱上，将金属杆上滑动的金属滑片固定在剪断的该圈灯带的正极导线上，最后将滑动变阻器模型按照要求接入12 V电路中进行实验（如图2）。

（二）实物模型制作与展示

笔者准备如下实验器材：额定电压为12 V、2835号裸板一盘、5 m LED灯带2根，直径10 cm、长度50 cm的白色PVC圆管一根，长约10 cm的铝合金方管8根，直径2 cm、长52 cm的铝合金圆管一根，直径10 cm、长度2 cm的铝合金圆环两枚，铝合金小金属片一枚，金属接线柱两枚，12 V电源一台，30 W电烙铁一支，手持充电钻一把，等等。

实物模型制作步骤如下。

第一步，制作铝合金支架与金属滑片。

首先，笔者按照实验电路，用氩弧焊机将6根铝合金方管焊接成2个正放的梯形支架，分别将铝合金圆环固定在梯形支架顶端，在每个圆环上方分别焊接一小段铝合金方管。

然后，取一截长、宽、高分别为3 cm的铝合金方管，用打孔机在其中央位置打一直径2 cm的圆孔，用焊机将铝合金小金属片固定在其侧面，将其套在直径2 cm、长52 cm的铝合金圆管上自由滑动，相当于变阻器的金属滑片。

最后，将铝合金圆管平放，用焊机将其焊接在小段铝合金方管上方（相当于变阻器的金属杆）；将PVC管水平地插入两个铝合金圆环中（相当于变阻器的瓷筒），用手持充电钻在PVC管前侧两边各开一小孔，将两金属接线柱安装于各孔中，完成模型框架的制作。

第二步，绕制LED灯带，安装接线柱。

笔者先将一根长5 m的LED灯带背面的双面胶纸撕掉并等间距地从左向右环绕PVC管侧壁粘贴好，在第13圈灯带的正极导线上用电烙铁焊上一枚小金属铁片，再将滑杆上金属滑片紧贴在小金属铁片上。用剪刀小心地将灯带的负极金属线剪断，将灯带两端的负极导线（可以在此处另加铜导线）分别用电烙铁焊接在、金属接线柱上，接着将灯带两端的正极导线（也在此处另加铜导线）分别用电烙铁焊接在模型下端的、两个接线柱上（如图3）。将另外一根LED灯带背面的双面胶带撕掉后，利用前一根灯带的间隙，从左向右缠绕，将灯带自带的正极导线接在接线柱上、负极导线接在接线柱上（需要用导线在PVC管的内壁上进行连接）。

第三步，展示模型。

首先，笔者将滑动变阻器模型置于桌面上，用带鳄鱼夹的导线将12 V电源的正极接在模型上面金属杆的一端（由于金属杆是导体，其任意一端接入电路中的作用是相同的），将电源负极接在左下端接线柱上。闭合电路，滑动变阻器间的灯带发光，笔者借此模拟（演示）滑动变阻器接入电路中电阻丝就是部分（如圖4a）。

然后，笔者用带鳄鱼夹的导线将12 V电源的正极接在模型上面金属杆的右端，将电源负极接在右下端接线柱上。闭合电路，滑动变阻器间的灯带发光，说明此时接入滑动变阻器的电阻丝就是部分（如图4b）。

最后，笔者用带鳄鱼夹的导线将12 V电源的正极接在模型左下端接线柱上，将负极接在右下端接线柱上。闭合电路，滑动变阻器间的灯带均发光（是一条完整的灯带），说明此时接入电路中的是整个电阻丝（如图4c）。

三、滑动变阻器电阻丝阻值变化的动态可视化模型建构与展示

以上设计的滑动变阻器教具仍存在一定的缺陷，即金属杆上的滑片不能随意移动来显示接入电路电阻丝长度变化，笔者称其为电阻丝的静态可视化滑动变阻器模型。能否设计制作一款滑动变阻器教具，以LED灯带接入电路的长度变化来实时显示接入电路的电阻丝长度的变化呢？笔者经过探索，设计出电阻丝的动态可视化滑动变阻器模型。以下详细介绍该模型的设计原理、模型制作与展示过程。

（一）电路设计原理

为了能够用点亮的LED灯带实时显示滑动变阻器接入电路中电阻丝长度的变化，笔者将原模型进行改装：①将一根灯带等分成20段，分别将各段灯带等间距且平行地贴在PVC管上；②将20段LED灯带的负极导线并联连接在一起，接在滑动变阻器模型上方的、两个接线柱上；③将每段灯带正极导线从左向右分别接在三脚三档船形开关的中间接线柱上；④将所有船形开关的左边接线柱并接在一起后接入模型下方的接线柱上，右边接线柱并接在一起后接入模型下方的接线柱上。、接线柱一定要接电源正极端，、接线柱一定要接电源负极端（如图5）。笔者移动金属杆上的轮式滑片能够实现改变船形开关的通断来控制LED灯带亮灭的功能，用来动态显示滑动变阻器电阻丝阻值的变化情况。

（二）实物模型制作与演示

笔者准备如下实验器材：额定电压为12 V、长5 m的LED灯带1根，直径10 cm、长度50 cm的白色PVC圆管一根，KDC三脚三档按钮船形翘板开关20枚，长约50 cm、四周棱长2.5 cm的正方形空心铝管一根，12 V蓄电池一个，3D打印系统一套，手工锯、充电钻各一把，带有矩形固定支架的塑料圆轮一枚，30 W电烙铁一个，剪刀一把，金属导线若干。

实物模型制作步骤如下。

第一步，制作3D打印支架与轮式滑片：①运用专业软件设计滑动变阻器模型支架一副（支架内的圆孔直径约为10 cm，上端方孔边长为2.5 cm）；②设计高3 cm、带正方形内孔边长为2.5 cm的滑套一枚，用3D打印机打印出这些部件备用；③将滑套穿过正方形空心铝管，使用螺丝刀旋紧自攻螺丝，将带有转轴的塑料圆轮固定在滑套下方作为滑动变阻器滑杆下的滑片模型；④用手工锯沿着PVC管的侧面从上到下锯开宽度为1.5 cm的凹槽（槽宽等于船形开关的宽度，以便放置船形开关）；⑤将PVC管的两端分别横向插入模型支架的圆孔中，让开槽的部分朝正上方，同样用螺丝刀将自攻螺丝由前侧小孔中旋入，使两支架固定在PVC管上；⑥将带滑片模型的滑杆两端分别水平插入支架上端的方孔中加以固定。

第二步，连接与安装船形开关同LED灯带。首先将同一根LED灯带上用剪刀截取20段，每段长度约15 cm，撕掉背面的双面胶纸并将每段灯带平行且等间距地贴在PVC管上（所有的灯带左侧为正极、右侧为负极），然后将灯带端口从PVC管槽口处垂直向前侧绕制，一直绕到PVC管的后侧。由于三脚三档的船形开关本质上是单刀双掷开关，当开关置于水平位置“O”处时为“空档”，中间接线柱悬空，此时电路断开。当开关置于“Ⅰ”档时，中间接线柱与“Ⅰ”接线柱接通。当开关置于“Ⅱ”档时，中间接线柱与“Ⅱ”接线柱接通（如图6）。

笔者按照电阻丝动态可视化电路图进行如下操作：①用铜导线将每个船形开关中间接线柱与槽口处对应的LED灯带端点的正极接通；②用电烙铁焊接牢固，从左向右将开关编号为1，2，3，…，13，…，20；③将20个船形开关的“Ⅱ”接线柱用铜导线并联在一起后接到滑动变阻器左下角接线柱，以同样的方法将20个船形开关的“Ⅰ”接线柱用铜导线并联在一起后接到滑动变阻器右下角接线柱；④将20个船形开关依据编号自左向右插入PVC管上侧的槽口中，用热熔胶进行固定；⑤用铜导线将滑动变阻器模型后侧的每条LED灯带的负极依次并联好；⑥将铜导线的两端穿过PVC管侧壁的小孔分别接在模型上侧的、接线柱上。电烙铁通电后，笔者用焊锡将以上所有连接点焊接牢固。一副滑动变阻器电阻丝的长度随滑片移动而改变的LED灯带模型就这样制成了（如图7）。

模型展示方法如下。

为避免LED灯带发光刺眼，出于简便、实用的考虑，笔者选用两节干電池串联的3 V电源为系统供电。

笔者将塑料滑轮（滑片的模型）置于滑杆靠右的位置上，用带鳄鱼夹的导线将电池的正极接变阻器模型右下角接线柱，将电池负极接左上角接线柱。随即模型间的LED灯带发光（如图8a），说明滑动变阻器的部分的电阻丝接入电路中。笔者向左推动塑料滑轮，此时滑轮右侧的LED灯带均发光，且灯带发光的圈数在增加（如图8b）。当滑轮推至滑杆最左端时，所有灯带全部发光，说明此时滑动变阻器的电阻丝全部接入电路中，接入电路中电阻丝的电阻值最大。随后，笔者将电池的正极由变阻器模型的接线柱改接到左下角接线柱上，此时间的LED灯带发光（如图8c），说明此时滑动变阻器的部分的电阻丝接入电路中。笔者向右推动塑料滑轮，滑轮左侧的LED灯带发光的圈数越多，说明接入电路中的电阻丝越长，电阻值也越大。

该滑动变阻器模型最大的优点是：使用LED灯带不仅能直观地显示滑动变阻器接入电路的电阻丝中电流的路径，而且能显示电阻丝随滑片滑动时接入电路的长度及长度变化趋势。这样，数字化实验教学的价值得以充分体现。

四、新型可视化实验教具简易实用值得推广

苏州大学朱正元教授曾经说过，教师制作的物理演示教具要“简单、明了、尺寸够大”。“简单”就是要发挥“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”的精神，以身边生活用品为主要器材进行低成本制作。“明了”就是必須突出实验主题，删繁就简，主次分明。“尺寸够大”就是突出可视化的特性，使微小的实验现象与过程放大化，给学生以“高见度、强视觉”的感官冲击力。实验室中滑动变阻器瓷筒被涂有绝缘漆的电阻丝紧密缠绕，让生活阅历不深的初中学生在刚开始接触它的时候感觉“一头雾水”，无法识别滑动变阻器结构的真面目。教师将滑动变阻器接入电路后，学生对于哪部分电阻丝真正接入电路及移动滑片如何改变电路电阻值有一定认知难度。为了突破学生的认知障碍，降低思维台阶，教师运用创造性思维来精心设计方案，合理利用信息技术找到破解难点的方法与策略。

教师在物理实验中践行“知识问题化、问题情境化、情境生活化”的教学理念，利用生活中常用的LED灯带的不同种电路连接方式，对滑动变阻器接入电路的电阻丝的电流路径与电阻值变化规律开展可视化教学，对物理问题进行情境化处理，降低了学生思维难度，真正体现课标“知行合一，学以致用”的要求。需要指出的是，滑动变阻器电阻丝静态实物模型和滑动变阻器电阻丝动态实物模型都不是真正的实验室滑动变阻器演示器具。为便于学生思考与理解滑动变阻器是如何改变电路中电阻的，教师在课堂教学中一定要站在学生立场上发现真实疑问，创新设计原理、收集生活资源、建构科学模型。教师应积极设计创新实验，开展实践活动，帮助学生提升科学思维能力，使“做中学”“用中学”“创中学”的理念落地生根。

注：本文系广东省中小学教师培训中心专项科研项目立项课题“深度学习理论下的初中物理创新实验教学研究”（立项号：GDSP-2021-E005）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准：2022年版[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 李先全.深度挖掘演示实验资源 精准整合科学探究策略——以“物体的内能”演示实验教学为例[J].物理教学探讨，2022（4）：14-16.

[3] 刘信生，陶士金.TPACK理论框架下数字化实验的行动研究——以“探究电磁铁磁性强弱的决定因素”为例[J].中学物理教学参考，2022（25）：49-53.

（作者谭振兴系广东省湛江市第二中学正高级教师；刘信生系安徽省庐江县龙桥镇初级中学高级教师；朱新培系江西省兴国县平川中学高级教师）

责任编辑：祝元志