楊小知

利用掌上教研平臺提升物理教研效率
——以“電路設計——分壓器電路中滑動變阻器的選擇”為例

楊小知

以變阻器的教學設計為例，講述教師能夠通過微信教研平臺，獲得教學素材，啟發(fā)教學思路，從而進行合理的教學設計，引導學生通過圖形分析得出分壓器電路中選擇滑動變阻器的原則，培養(yǎng)和提升其數(shù)據(jù)分析能力。教師還能通過平臺與同行進行交流探討，獲得更多的探索和教學視角，開拓了教師的思路。

掌上教研 物理教學 分壓電路 滑動變阻器

隨著微信功能越發(fā)強大，它已逐步成為教育教學管理的有力工具，也成為教師備課、教研、師生互動的高效平臺。上海市長寧區(qū)為優(yōu)化教研方式，保證區(qū)域教研活動的開展，搭建了“米美妙”物理教研平臺，利用該平臺，教研員及教師能夠及時發(fā)布信息、匯總想法、傳播經(jīng)驗、促進交流，打破時空界限，有效提升了教研活動的效率。筆者以“電路設計——分壓器電路中滑動變阻器的選擇”一課為例，利用微信平臺進行掌上教研的探索。

一、提供教育資訊，激發(fā)教師探討

“米美妙”物理教研平臺發(fā)布了一條教研資訊“分壓電路：試試你獲取信息的能力”。發(fā)布者用繪圖軟件繪制出分壓電路（圖1）負載兩端的電壓U與滑動變阻器和負載并聯(lián)那部分電阻x之間的函數(shù)關系，如圖2所示。具體參數(shù)如下：電源電動勢3V，電源內(nèi)阻r=5Ω，滑動變阻器電阻R=20Ω，負載電阻R0分別為40Ω、30Ω、20Ω、10Ω、5Ω。從U-x圖像中，你能獲取到哪些信息？

圖1 分壓電路

圖2 U-x圖

留言中教師們暢所欲言，有教師說，負載電阻和變阻器阻值相差10倍時，移動滑片時負載電壓幾乎是線性變化的；有教師說，隨著負載電阻的增加，圖線趨向線性；有教師說，負載電阻越大，x通過電流越小，能耗越小。

滑動變阻器是中學物理中的重要實驗器材，初中階段，由于認知水平的限制，教學中只研究限流接法，高中階段，分壓器接法的教學則可以全方位提升學生的科學素養(yǎng)：電路接線可以提高實驗操作水平，培養(yǎng)將電路圖和實物圖聯(lián)系起來的抽象思維能力；負載和滑動變阻器的選擇可以幫助學生學會電路設計中電路及器材選擇的基本原則；動態(tài)、極值等問題的分析，又可以加深對閉合電路多個物理量間關系的理解，建立用數(shù)學工具解決物理問題的思維方法。

為幫助學生更好、更深入地學習滑動變阻器，筆者基于此信息優(yōu)化研究課——“電路設計——分壓器電路中滑動變阻器的選擇”。這節(jié)課是針對本校高二選修物理的學生開設的一節(jié)研究型課。課前，學生已經(jīng)學習了限流電路與分壓電路的特點，在此基礎上，可以對電路設計中器材選擇的難點——滑動變阻器的選擇進行探究。在這節(jié)課中，筆者以探究為主線，以實驗為主要教學手段，讓學生體會電路設計中電路及器材選擇的基本原則，通過DIS學生實驗，研究分壓電路中如何進行負載和滑動變阻器的搭配才能達到最佳的調(diào)節(jié)效果，體驗并分析滑動變阻器的阻值對電路可調(diào)性的影響，突破教學難點。

二、辨析總結信息，改進提升教學

在電路一章的教學中，滑動變阻器的三種常見接法是重點，除限流接法學生在初中就熟悉之外，分壓和雙臂環(huán)路兩種接法都需要用到四個接線柱中的三個，學生普遍感覺比較難，特別是分壓電路中負載和滑動變阻器如何搭配，調(diào)節(jié)滑片過程中的動態(tài)分析和極值問題都是難點，對學生的能力要求比較高。為此，筆者設計了實驗，幫助學生通過圖形的分析得出分壓器電路中選擇滑動變阻器的原則。

（一）教學設計

筆者在示教板內(nèi)部嵌有兩個相同的分壓電路（如圖3所示），兩個相同的小燈泡，兩只外觀相同的滑動變阻器；請兩位學生配合以相同的速度移動滑片，觀察小燈泡的亮度變化情況。

圖3

學生們發(fā)現(xiàn)其中一個負載小燈泡亮度變化均勻；而另一個變化不均勻，前面不亮，后來一下子亮起來。這個強烈的反差引起了學生的討論，普遍的觀點是滑動變阻器雖然外觀相同，但總阻值不同；對于總阻值的大小，學生的觀點并不一致。由此引出了用DIS實驗來研究分壓器電路中負載兩端的電壓隨調(diào)節(jié)幅度的變化曲線。

由于滑動變阻器不能夠定量讀出電阻值，教師提示學生用電阻箱來替代滑動變阻器，并引導學生思考，如何能做到等效？學生經(jīng)過討論得出：讓兩個電阻箱的阻值之和不變，一部分在干路上，一部分與負載并聯(lián)（如圖4所示）。

圖4

為避免受溫度影響，筆者用2.2kΩ的定值電阻替代小燈泡，引導學生進行小組實驗設計。每一小組需要完成三組數(shù)據(jù)：分別用兩個電阻箱等效替代0—100Ω，0—10000Ω，0—100000（99999）Ω的滑動變阻器，每次調(diào)節(jié)總阻值的1/10，完成11個數(shù)據(jù)點的采集。同樣是調(diào)節(jié)1/10，但不同的滑動變阻器調(diào)節(jié)的阻值卻不同，橫坐標取哪個量才能使三條曲線分布在同一個范圍內(nèi)，具有可比性呢？學生討論后認為應該是調(diào)節(jié)的比例，即調(diào)節(jié)長度占總長度的比例，也就是x/l。

在厘清思路之后，教師對實驗操作進行了精細的指導。首先按要求連接好電路，實驗前將電壓傳感器短接調(diào)零，建立表格及變量x/l，依次調(diào)節(jié)R1=0Ω，R2=100Ω，R1=10Ω，R2=90Ω……R1=100Ω，R2=0Ω，每次調(diào)節(jié)后點擊記錄電壓值，并在變量x/l中依次輸入0，0.1，0.2……1.0，以x/l為橫坐標，U為縱坐標，畫出離散點。第二組實驗前鎖定已得曲線，并重新建立表格，完成第二、三組實驗，在設置中調(diào)節(jié)顏色，以區(qū)別三次實驗的結果。

圖5是一組同學得到的U-x/l圖線截屏，圖中“·”代表0—100Ω的滑動變阻器，“×”代表0—10000Ω的滑動變阻器，“▲”代表0—100000（99999）Ω的滑動變阻器，圖線清晰地反映了對于同一負載（2.2kΩ），選擇總阻值越小的滑動變阻器，輸出電壓調(diào)節(jié)越均勻，反之則先不變后突變。

圖5 U-x/l圖線截屏

由此得到這節(jié)課的主旨：滑動變阻器總阻值相對負載電阻較小時，負載電壓隨調(diào)節(jié)幅度變化比較均勻； 滑動變阻器總阻值相對負載電阻較大時，負載電壓隨調(diào)節(jié)幅度在前階段變化平緩，后階段突然增加。即滑動變阻器總阻值相對負載電阻較小時，負載電壓的可調(diào)性比較好。

（二）基于掌上教研平臺的思考

高中物理實驗教學中，對實驗數(shù)據(jù)的分析，可以認識等效替代、數(shù)形結合等研究方法；對實驗數(shù)據(jù)的處理過程，認識由實驗歸納到總結物理規(guī)律，由感性到理性是物理學研究的基本過程。筆者通過閱讀微信平臺的教師留言，發(fā)現(xiàn)還有許多可以與學生交流探討的方面。

微信平臺留言中，有教師稱，x=25Ω處有個交點。由于給定的參數(shù)中電源有內(nèi)阻，當滑片移至最右端時，x越大，外電阻越大，路端電壓越大，故x=25Ω處實際不可能有交點，可能是圖片精度不高引起的視覺誤差。從實驗中得到的U-x/l圖線可以看出，最右邊的三個數(shù)據(jù)點并不重合，線性最差組的U最大，而這一組實驗恰為負載遠小于滑動變組器總阻值的情況。教學中，可以引導學生思考：為什么最左邊的三點重合，而最右邊的三點不重合？為什么最右邊三點中線性最差那組輸出電壓最大？這些問題的思考可以加深學生對閉合電路的理解。

也有教師說，R0和R比值越小，U與x比值先變小后變大，即流過x部分的電流先變小后變大。這條支路上電流Ix的動態(tài)分析，一般都會用函數(shù)推理的方法：

閉合電路歐姆定律及分流關系有：

整理得：

對分母配方得：

可知Ix的最小值出現(xiàn)在滑動變阻器支路部分阻值和干路上所有電阻（含電源內(nèi)阻）阻值之和相等時。由二次函數(shù)的特點又可判斷Ix隨x先變小再變大。

以上推理對學生的能力要求較高，轉換一下思路，實驗中線性最差的線上過原點的割線斜率是先變小后變大，這個斜率的物理意義是輸出電壓與滑動變阻器并聯(lián)部分電阻的比值，也就是滑動變阻器支路上的電流強度。因此電流先變小后變大的規(guī)律，也可以通過圖線得到。

再看圖2最下面一條圖線，上述割線斜率最小值位置出現(xiàn)在滑動變阻器并聯(lián)部分電阻為12.5Ω時，干路上的總阻值是滑動變阻器干路部分阻值加上內(nèi)阻，剛好也為12.5Ω。這和函數(shù)推理的結果吻合，一個來自理論，一個來自實驗，相得印證。教師可以引導學生碰到問題時能夠從多個維度思考，理論結合實踐。

微信給大家的學習和生活帶來了巨大的變革。信息技術不再單是課堂教學的輔助手段，而逐漸成為了教育教學的推進力量?！懊酌烂睢闭粕辖萄衅脚_不僅使教師可以將好的資源呈現(xiàn)于掌上，分享于同行，使教師們隨時隨地獲取，而且拉近了教師之間的距離，另外，教師在通過掌上平臺分享自己的教學經(jīng)驗的同時，也零距離獲得了好的建議，這使得物理學科教研更加接地氣，也更具有實效性。

楊小知上海市延安中學200336