基于 STEM理念下“滑动变阻器”的教学设计

基于 STEM理念下“滑动变阻器”的教学设计

费志明

海宁市教研室，浙江嘉兴 314400

【内容摘要】本文基于STEM理念和学生思维特点，通过“滑动变阻器”的制作过程。帮助学生深度认识滑动变阻器原理，从而促进学生的科学、工程、技术等素养发展。

【关键词】STEM 问题情境 教学设计 制作

一、设计思想

“变阻器”顾名思义，电阻值能发生改变的电器。重点在于“变”上。初中学生对电阻的概念已经形成，对影响电阻大小的因素也已有所了解。但依然无法与生活实践中运用的变阻器联系在一起。本节内容基于STEM理念，加入变阻器的设计制作与使用环节，以学生已有的知识为出发点，让学生在设计与制作中发现问题，分析问题，解决问题，在活动中找到书本知识与生活实践运用相联系的桥梁，并在基于完成变阻器制作的团队合作过程中锻炼学生们的知识运用能力，动手实践能力，分工协作能力。

二、教材分析

《变阻器》是浙教版《科学》八年级上册第4章第4节的内容。变阻器在生产、生活和科学研究中有着广泛的使用，滑动变阻器，旋钮式变阻器，敏感电阻等。本节以滑动变阻器的设计原理以及正确使用为切入点，让学生理解台灯调光器，电风扇档位调节器，音响声音调节旋钮背后的真正奥秘。这些生活实例能引起学生学习兴趣的同时，也能促使学生关注生产、生活实际，树立学以致用的科学观念。本节内容是学生在学习了电流的形成，物质的导电性之后，为学生能进一步深入分析电路中电流大小的变化起到承上启下作用。

三、学情分析

学生通过前面几节内容的学习，对电流的形成，物质的导电性以及两者的联系都已有了一定的知识基础。学生都能看到生活中随处可见的不同外形的变阻器，却还无法透过现象找到它们背后其实是同一个设计原理。影响导体电阻大小的因素很多，本节内容引导学生从多样因素中探究找出变阻效果好，操作可行且方便的方法。并融入STEM教育，分小组完成变阻器的制作任务，这就需要学生具备较强的动手实践能力、小组合作能力和沟通交流能力，同时也考验着学生的设计能力与问题解决的能力。

四、教学策略与手段

本节课通过生活常见变阻器引入设问，激发学生学习兴趣。再结合教师的组织和引导学生以小组合作自主探究形式找到变阻器改变阻值最合适的方式。最后通过小组合作完成变阻器的制作并正确使用，让学生从做中学，在学中做，进一步提升知识与操作技能。

五、教学过程

（一）情境引入

视频播放，台灯的亮暗变化，电扇的转动快慢。

出示一盏通电的台灯如（图1），让学生操作调节亮暗；

利用教室里的电扇，让学生操作调节快慢。 图1

问：为什么调节这些装置时灯的亮度和电扇的转速都会发生变化呢？

设计意图 从学生生活实际情境出发，给与他们切身体验。感知科学就在我们身边，同时激发学生进一步探究的兴趣。

（二）合作探究

1.探究变阻原理

学生任务1 根据影响导体电阻大小的因素（导体材料，导体长度，导体横截面积），进行小组合作探究，尝试不同方法改变灯泡的亮度，并比较得出操作最简便的方法（改变长度）。

材料用具 2节干电池、电流表、小灯泡、开关、导线、连接成串联电路如图2，相同长度横截面积的铜丝和镍铬合金丝，长度相同横截面积不同的镍铬合金丝。

图2

2.自制变阻器

学生任务2 请同学们小组合作，利用以下器材制作一个滑动变阻器，并连入图2进行正确使用。

材料用具 圆柱体陶瓷筒，圆柱体金属筒，裸露的镍铬合金丝和铜丝，带漆包线的镍铬合金丝和铜丝，小刀，金属片夹。

讨论与交流

问：铜丝和镍铬合金丝选择哪个作为材料比较合适，为什么？

生：镍铬合金丝，相同横截面积，产生相同电阻大，它要短，使用方便。

问：直的合金丝和绕成螺线状的合金丝选择哪个更好，为什么？

生：绕成螺线状的，直的太长使用不方便，绕起来后可以缩短整体长度。

问：对于合金丝所绕的物体材料，选择图3中的哪个比较更科学，为什么？

图3

生：陶瓷筒，它是绝缘体，安全性高些。

问：在绕法上你会选择图4中的哪一种，为什么？

图4

生：B。 A绕法，线圈之间间间隔过大的话，滑片处于间隔中会引起断路，表面凹凸不平，接触点移动也不方便。

问：B中绕的紧密后，线圈间都相互接触了，可能引起短路，怎么解决这个问题？

生：合金丝外面包绝缘体（漆包线），

这样线圈之间就绝缘了。

问：那外面都绝缘了，我的金属滑片

怎么跟合金丝接触呢？

生：去除漆包线与滑片接触地方的绝缘层如图5。 图5

3.变阻器的再制作

学生任务3 根据刚才大家讨论的结果，请同学们按照正确的步骤重新制作一个最大阻值为10欧姆的滑动变阻器，然后接入电路，通过正确的操作来改变灯的亮暗。

步骤一：通过计算选取10mm²粗的带漆包线的镍铬合金丝（1Ω/1M·1mm²）和陶瓷筒

步骤二：将合金丝的一头留出，用大拇指将其按在陶瓷筒的左端（陶瓷筒左端留出部分空白）。

步骤三：用另一只手将合金丝一圈圈从左往右紧绕在陶瓷筒上，线圈之间紧紧靠住，不要重叠，绕至合金线末端留出线头。双手按紧后平移至居中位置。

步骤四：另一位同学将金属夹片夹住绕好的线圈并来回滑动几次，留下划痕。

步骤五：用小刀将漆包线上划痕处的油漆轻轻刮去（注意安全，不要划到手）。

步骤六：几人合作将滑动变阻器接入电路滑动，观察灯的亮暗变化。

4.比对标准元件

请将我们重新制作好的滑动变阻器与标准元件如图6图7进行比对。

图6 图7

问：为什么标准元件的漆包线两端都用两个金属环固定？

生：将线圈固定住，不像我们需要人用手按住。也能防止在滑片移动过程中，摩擦时紧绕的线圈变松散。

问：金属滑片为什么固定在一根水平杆上？

生：这样可以保证滑片滑动的轨迹固定，正好与合金丝去除漆的水平位置一直重合。金属片不固定，我们刚才用手滑动每次轨迹就不一样。

问：那这根杆子材料的选择有什么要求？

生：像导线一样的导体，它就相当于我们制作时的导线。

问：图6金属杆只有一端有接线柱，图7金属杆两端都有接线柱，你觉得在使用过程中有什么区别吗？

生：没有区别，两端接任意一端都是为了与滑片向连接。

问：陶瓷筒上线圈两端有两个接线柱，你觉得在使用过程中接哪个接线柱有什么区别吗？

生：有区别。接入电路的电阻是线圈上接入的接线柱至滑片之间的合金线阻值。接不同的接线柱，金属片往相同方向滑动，变阻效果相反。

问：如果是接上面的两个接线柱，或者接了下面的两个接线柱会怎么样？

生：无论向哪边移动滑片都无法起到变阻作用。

问：所以滑动变阻器要变阻的话，接线柱必须怎么连接？

生：一上一下。

设计意图：介于学生对导体电阻大小的影响因素已在前一节课有所学习，学生有能力通过相互合作成功的改变灯的亮度，体验不同因素变阻效果的同时，也能使其获得一定的成就感，以提升进一步探究的动力。设计小组合作自制滑动变阻器这样一个前置试错环节，预期制作结果必然各式各样，再通过小组讨论分析，全班交流，可以对滑动变阻器制作时的选材要求和用到的科学原理留下更加深刻的印象，以便再进行二次制作时操作就会更加精准。学生在操作过自己的简约版滑动变阻器后，再比对标准元件，去探索它的正确使用方法时就有了台阶。本节课将重点难点内容都融入在了变阻器制作的这个工程项目中，给学生带来STEM教学具有的不一样的体验。

（三）作业设计

请根据今天所学的科学知识和技能，制作一个旋钮式变阻器。

六、教学反思

《变阻器》这节内容重点在于变阻器的设计原理以及正确使用上，本节课的教学非常科学的融入了STEM教育理念。首先创设问题情境（生活中的变阻器），探究科学原理（寻找合适的变阻方法），制作方案的优化设计（变阻器制作的选材和操作技能的优化），产品的评价与完善（与标准元件的比对分析）。在各个环节中，需要每个学生积极的参与学习与制作，在利用已有科学知识的基础上，还要借助于设计能力和动手操作能力以及团队中相互合作协调的能力。旨在让学生体验到在解决实际问题时，往往需要将科学知识与科学技术，数学建模及工程制作等多方面的知识与技能相结合，才能事半功倍。融入STEM教学的课堂中，学生都充满着学习兴趣，积极地思考，充分地交流，分工协作为共同的目标执着地探索，每位学生都有自信，有信心，有价值感和成就感。在学中做，在做中学的探究式教学法，也很好地体现了以生为本的教学理念，在获得科学知识的同时，也提升了科学技能，培养了科学的情感态度与价值观，真正体现了以培养学生科学素养为核心。

【参考文献】

[1]罗伯特.基于项目的stem学习一个整合科学技术工程和数学的学习方式［M］.上海科技教育出版社.2016:123-135

[2] 林小婷.基于STEM教育理念的初中物理实验教学初探［J］.湖南中学物理.2020(03) ：54-55

[3] 万志炎. 以学生为中心的初中STEM课堂教学变革[J]. 新课程研究. 2020(03): 41-42

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