抄起身边的家伙 玩出精彩的课堂
——“自制模拟调光灯”教学案例分析

(南京师范大学附属中学新城初级中学，江苏 南京 210019)

1 问题的提出

苏科版初中物理第14章的引入是以小明和小华想设计调光灯为探究背景，以任务驱动的方式将探究逐步引向深入。随着问题的展开，要完成组装调光灯的任务，则必须解决碰到的每一个问题。因此教科书以此为线索，让学生掌握电阻的概念，引导学生掌握变阻器的用法，再回归到完成调光灯的任务中来，发现最关键的问题是要搞清电流与电压、电阻的关系，也就是欧姆定律。在加深了对欧姆定律的理解后，最终以综合实践活动的形式，由学生自主选择器材，设计、组装一盏调光灯，来实现本章一开始就提出的任务。这既是对本章内容的回顾总结，又是对本章知识的具体应用，更是对学生的操作技能的提高，通过具体的实物制作，使得学生感悟理论对实践的指导价值，在操作中取得直接经验并获得愉悦的体验。

自制模拟调光灯在设计时首先要考虑电路的安全问题，要让学生利用欧姆定律的知识来设计合适的电路。其次是自制的调光灯不但要能够调光，而且调光的范围还要够大、够精细。如何利用身边的器材来实现这样的功能？身边能够利用来做变阻器的非铅笔芯莫属，但是铅笔芯的型号很多，应该选择哪一种型号的铅笔芯呢？选择的依据是什么呢？这些都是在自制模拟调光灯时需要解决的问题。

2 活动过程

2.1 设计任务，挖掘学生潜能

自制模拟调光灯的首要任务是让学生设计电路。学生设计的电路一般都是如图1所示，在此电路中当滑动变阻器接入电路的电阻很小时，显然灯泡是不安全的。

师：如果考虑到灯泡的安全，图1设计的电路有什么问题？应该如何改进？

生：当滑片移动到最左端时，此时灯两端的电压是3V，超过灯泡的额定电压，所以不安全，因此可以在电路中串联一个定值电阻。

图1

图2

师：如图2所示，请同学们计算出此定值电阻最小为多少？

学生算出R1=1.7Ω。

师：我们手边没有1.7Ω的定值电阻，只提供了一根铅笔芯，用它来替代图2中的R1和R，如何在铅笔芯上截取一段1.7Ω的电阻？

此问题的设计思路是想让学生说出先要测量一根铅笔芯的总电阻，然后根据电阻与长度成正比来截取适当长度，但是学生经过讨论与交流后，又发现了更好的方法。

方法1：在灯泡两端并联一个电压表，闭合开关后移动滑片，直到电压表的示数为2.5V，那么此时铅笔芯最左端与滑片间的电阻大小为1.7Ω；

方法2：在电路中串联一个电流表，闭合开关后移动滑片，直到电流表的示数为0.3A，那么此时铅笔芯最左端与滑片间的电阻大小1.7Ω；

方法3：测量出这根铅笔芯的电阻和这根铅笔芯的长度，再根据铅笔芯的电阻与长度成正比的关系，算出R1=1.7Ω的铅笔芯长度。

教育家陶行知先生说过:“人生两宝,双手和大脑。”动手动脑是培养学生创新能力的有效方法，这就要求我们教师要放手让学生去思考去动手，给学生充足的时间和空间按照自己的想法去实践,去验证自己所学的东西,从而调动学生学习的积极性。

2.2 实践操作，优选实验器材

笔者提供了3种型号的铅笔芯(6B、HB、2H)给学生，让他们把这3根长度相同、型号不同的铅笔芯分别接入模拟调光电路中，并移动滑片，通过观察灯泡亮度的变化，让学生们判断哪种型号的铅笔芯更适合调光电路？

生：把6B铅笔芯接在电路中，移动滑片时发现灯一直很亮，并且亮度的变化不明显；把2H铅笔芯接在电路中移动滑片时，发现灯的亮度变化很明显，可以从不亮到很亮，但是铅笔芯的可调节的长度短了点，当滑片在大约为全长的四分之三到全长之间调节时，灯是不亮的；而把HB铅笔芯接在电路中移动滑片时，发现灯亮度的变化很明显，而且铅笔芯的可调节长度较长，只是就算把全长接入电路也没有出现不亮的情况，所以觉得最适合的铅笔芯是HB型号的。

师：你们觉得造成这种情况的原因是什么？

生：它们的电阻不同。

师：它们的电阻大小可能情况是什么？

生：R2H>RHB>R6B。

2.3 理论分析，寻找真正原因

在接下来的分组测量中，学生们测出了3根铅笔芯的电阻大小。然后让他们分别在这3根铅笔芯上标注电阻为1.7Ω的位置，并讨论交流：为何在调光电路中3根铅笔芯的调节效果不一样，表1为学生的分析结果。

表1

学生的分析情况如下：

(1) 6B铅笔芯的电阻可调节范围太小(0-1.3Ω)，所以发现灯的亮度变化不大，但是可以看出它的调节精度很高；

(2) HB铅笔芯的电阻可调节范围增大不少(0-8.3Ω)，所以发现灯的亮度变化较大，虽然调节的精度不是很高，通过比较发现HB铅笔芯的效果是最好的；

(3) 2H铅笔芯的电阻可调节范围最大(0-18.3Ω)，灯的亮度变化比较大，但调节的精度最差，虽然有16cm的调节长度，但是有大约四分之一的长度是没有用的，此时灯泡根本不亮。

通过测量发现，要让“2.5V，0.3A”小灯泡发光的最小电压约是0.5V，此时电流约为0.16A。如果电源电压是3V，那么此时滑动变阻器接入电路的电阻大约为15.6Ω。当把HB铅笔芯接入电路时，因为它的最大电阻为10Ω，所以就算把全长接入电路时，灯泡也不会熄灭。把HB铅笔芯接入电路，它的可调长度最长，所以学生感觉它最适合。如果把2H铅笔芯接入电路，因为它的最大电阻是20Ω，所以当它的接入电阻在15.6Ω-20Ω之间时，灯泡是不亮的。因为有这么一段接入电路时灯不亮，所以学生觉得这一段没有用，是浪费的，因此学生认为2H铅笔芯不合适。综上所述，如果从调节精度上来看，HB铅笔芯确实要比2H铅笔芯好，但如果从灯泡亮度的变化范围上看，2H铅笔芯要好过HB铅笔芯。

2.4 问题成串，拓展学生思维

师：如果增大电源电压，情况如何？

生：当电源电压增大时，对于灯泡而言额定电压还是2.5V，需要串联的定值电阻的阻值更大，那么在现有长度不变的情况下，其它调节情况都是一样的，此时6B铅笔芯可调长度更短了，所以不适合。

师：如果不规定铅笔芯长度，哪根更合适呢？

生：6B铅笔芯，因为其精度很高，可以让灯泡亮度变化得更细致。

师：滑动变阻器为何不选用铅笔芯？

学生也仅仅能说出铅笔芯容易断，其它的则需要给出具体数据，并加以引导。

思考1：选择一个最大电阻是20Ω的滑动变阻器的电阻丝与2H(电阻也是20Ω)的铅笔芯进行长度与粗细的对比，你有什么发现？

学生通过观察滑动变阻器，发现其电阻丝细且长，认为两者的调节精度相差太大。

思考2：如果把铅笔芯制成与电阻丝同长度和同粗细，那么铅笔芯的电阻可能是合金丝电阻的多少倍呢？

让学生先猜想，然后给出具体数据。通过实际测量，20Ω的滑动变阻器的电阻丝的长度约为15m，直径约为0.65mm，横截面积为0.332mm2；而20Ω的2H铅笔芯长度为0.175m，直径大约为2mm，横截面积为3.14mm2，通过计算发现如果把铅笔芯也做成和电阻丝相同长度与粗细，那么铅笔芯的电阻大约是合金丝电阻的810倍，可见电阻丝的调节精度比铅笔芯高出很多倍，这是滑动变阻器选用合金丝的原因之一。

3 教学反思

(1) 通过“自制模拟调光灯”的实践活动，学生利用身边的物品，不但实现了调光的基本功能，而且还对多个问题进行了探究，比如：选择哪一种型号铅笔芯调光范围更广，精度更高？通过铅笔芯与滑动变阻器的比较，让学生有调节精度这个意识。

(2) 本节课虽然让学生对铅笔芯的选择方面有了很好的认识与理解，但是在实际操作过程中发现：用回形针作为固定滑片时与铅笔芯接触并不太好，会出现灯时亮时不亮的情况，如果换作金属鳄鱼夹夹住铅笔芯滑动，又会出现夹断铅笔芯或者滑动不灵活的情况，所以未能选择合适的物体作为滑片是本节课的遗憾。

(3) 电路故障的分析与判断是学生学习电学时的一个难点，在“自制模拟调光灯”的实践活动中，由于铅笔芯特别容易折断，所以学生操作过程中就有可能出现电路故障，因此在这堂课上可以增加电路故障问题的分析与讨论，以加深学生对于电路故障的认识，并加以排除。