例談初中電學(xué)習(xí)題“可視化”教學(xué)

蔣守霞

[摘要]在物理教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生分析解答電路分析問題時(shí)容易出錯(cuò)。為了展示學(xué)生分析電路的思維過程，可以將電學(xué)小實(shí)驗(yàn)與習(xí)題分析解答思路的“可視化”相結(jié)合，把其中的物理思維（思考方法和思考路徑）通過圖形或者微課呈現(xiàn)出來，還原學(xué)生的思維路徑，暴露并糾正學(xué)生解題中的錯(cuò)誤，進(jìn)而提升學(xué)生分析解答電路問題的能力。

[關(guān)鍵詞]初中電學(xué)習(xí)題;可視化;直觀性

[中圖分類號(hào)]G633.7? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A? [文章編號(hào)]1674-6058（2020）02-0038-03

電學(xué)是初中物理比較難的內(nèi)容，從電路連接的基本方式到歐姆定律，再到電功、電功率，最后到電熱（焦耳定律），臺(tái)階一個(gè)比一個(gè)高，每個(gè)臺(tái)階都會(huì)有人掉隊(duì)。講好電學(xué)、學(xué)好電學(xué)，成了教師和學(xué)生的高目標(biāo)。傳統(tǒng)教學(xué)中，教師辛苦地講，學(xué)生費(fèi)力地聽，由于內(nèi)容比較抽象，教師講完了，學(xué)生當(dāng)時(shí)知道了，但過不了多久又忘了，原因是沒有“可視化”的思維印跡。解決這個(gè)問題的有效方法之一是將學(xué)生分析解答問題的過程用“可視化”的思維印跡展示出來，讓錯(cuò)因在學(xué)生的腦海中留下深刻的印象，進(jìn)而讓出錯(cuò)的學(xué)生糾正錯(cuò)誤，讓沒有出錯(cuò)的學(xué)生避免出現(xiàn)類似的錯(cuò)誤。

初中電學(xué)知識(shí)體現(xiàn)“五多一大”，即概念多、規(guī)律多、實(shí)驗(yàn)多、公式多、應(yīng)用多、中考占分比大。電學(xué)習(xí)題紛繁復(fù)雜，下面在分析典型問題的基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的拓展引申，展示“可視化”的思維。

一、填寫電表符號(hào)問題

[例1]如圖1所示，試在甲、乙兩個(gè)圓圈內(nèi)選填“電壓表”和“電流表”的符號(hào)，使兩燈組成并聯(lián)電路。

（1）解題思路：為了描述問題方便，將兩個(gè)燈泡命名為L₁和L₂。要使兩燈組成并聯(lián)電路，甲左側(cè)的燈L₁一定能亮，如圖2，如何使乙左側(cè)的燈L₂發(fā)光呢？電流從電源正極流出，經(jīng)過分支點(diǎn)，電流分流，其中一條必須經(jīng)過甲，如圖3，再走乙左側(cè)燈泡L₂，到達(dá)支點(diǎn)電流匯合后，經(jīng)過導(dǎo)線，再經(jīng)過閉合的開關(guān)S，流到電源負(fù)極。綜上所述，甲圈起了導(dǎo)線連接作用（電流表），乙圈起著斷路的作用（電壓表），如圖4為正確答案。上述分析突出了解題思路的結(jié)構(gòu)性與邏輯性。

（2）學(xué)生錯(cuò)誤呈現(xiàn)：分析全班學(xué)生對(duì)此題的解答情況，發(fā)現(xiàn)有的學(xué)生解答錯(cuò)誤。有的學(xué)生的解答過程如圖5，在交流中發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍認(rèn)為分支點(diǎn)在兩個(gè)燈泡之間，此時(shí)電流有兩條路徑，既可以走導(dǎo)線，也可以走燈泡和乙圈所在路徑。

（3）學(xué)生解題思路的“可視化”分析：將學(xué)生的思維路徑暴露出來后，筆者就明白他們對(duì)串聯(lián)電路的部分短路特點(diǎn)認(rèn)識(shí)不足。在此題的講解中，筆者將錯(cuò)就錯(cuò)，沿著學(xué)生的思路進(jìn)行如下教學(xué)設(shè)計(jì)：先去掉電壓表，簡化電路如圖5，此時(shí)附和的學(xué)生很多，“對(duì)的，我就是這么想的……”贊同聲不絕。電流的流向從電源正極流出后，流經(jīng)L₁，學(xué)生的分歧點(diǎn)在L₁上方，很多學(xué)生認(rèn)為走L₂和電流表，經(jīng)過開關(guān)，回到電源負(fù)極;少部分學(xué)生認(rèn)為電流經(jīng)過L₁后，走上方導(dǎo)線，走開關(guān)S回到電源負(fù)極。為了突破這一學(xué)習(xí)難點(diǎn)，筆者找了一張白紙，遮住了L₂上方的導(dǎo)線，引導(dǎo)學(xué)生分析此時(shí)的電路連接方式，學(xué)生異口同聲地說道“串聯(lián)電路”，電路呈現(xiàn)如圖6所示，接下來筆者進(jìn)一步引導(dǎo)：“如果此時(shí)老師拿一根導(dǎo)線短接L₂和電流表，情況又如何呢？”設(shè)置懸念，引導(dǎo)學(xué)生探究，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

安排學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)L₁發(fā)光，L₂不發(fā)光，電流表無示數(shù)，說明L₂和電流表被短路。學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的電路圖如圖7所示，不滿足使兩燈組成并聯(lián)電路的題干要求，且通過分析和實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生對(duì)導(dǎo)線的短路作用的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步深化。

變式訓(xùn)練一：如圖8所示，電路中有L₁、L₂兩盞燈，請(qǐng)?jiān)趫D中圓圈內(nèi)分別填入A或V的符號(hào)，要求開關(guān)閉合時(shí)L₁、L₂都能發(fā)光，且兩電表的示數(shù)均不為零。

變式訓(xùn)練二：如圖9所示電路中有兩個(gè)小燈，請(qǐng)?jiān)趫D中圓圈內(nèi)，分別填入電燈、電流表或電壓表的符號(hào)。要求開關(guān)斷開時(shí)兩燈均不發(fā)光;開關(guān)閉合時(shí)兩燈均能發(fā)光，且兩電表的示數(shù)均不為零。

教學(xué)感悟：課堂教學(xué)中將學(xué)生的思維以“可視化”的方式呈現(xiàn)，教師一步步引導(dǎo)，再通過物理實(shí)驗(yàn)克服學(xué)生思維上的“障礙點(diǎn)”，最后充分運(yùn)用學(xué)校已有的信息技術(shù)，通過云痕大數(shù)據(jù)平臺(tái)，將類似題型呈現(xiàn)給學(xué)生，進(jìn)行變式訓(xùn)練，使得課堂教學(xué)更高效。同時(shí)筆者將這一知識(shí)點(diǎn)做成微課發(fā)布在校內(nèi)數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺(tái)上，以滿足不同學(xué)習(xí)進(jìn)度的學(xué)生的學(xué)習(xí)需要。

二、多開關(guān)連接問題

多開關(guān)連接問題，常通過開關(guān)改變電路連接方式，

學(xué)生解答這類問題時(shí)，也容易出錯(cuò)。

[例2]如圖10所示電路中，電源電壓不變，已知R₁=6?，R₂=4?，當(dāng)S₁和S₂都閉合時(shí)，電流表A₁的示數(shù)為1 A，電流表A的示數(shù)為2.5 A，求：

（1）電阻R₃的阻值和電壓表的示數(shù);

（2）當(dāng)S₁和S₂都斷開時(shí)，電流表A₁、A和電壓表V的示數(shù)。

分析：多開關(guān)問題，運(yùn)用分析法畫出符合題目要求的等效電路圖。當(dāng)S₁和S₂都閉合時(shí)，閉合的S₂將電阻R₂短路，如圖11，無電流通過電阻R₂，將R₂去掉如圖12，經(jīng)過電路簡化學(xué)生較容易看出電壓表并聯(lián)在導(dǎo)線兩端，電壓表測(cè)導(dǎo)線電壓（這是學(xué)生的易錯(cuò)點(diǎn)），電壓表去掉后，電路進(jìn)一步簡化為圖13，此時(shí)R₁和R₃并聯(lián)，電流表A₁測(cè)R₁支路電流，電流表A測(cè)干路電流。

當(dāng)S₁和S₂都斷開時(shí)，等效電路圖如圖14所示，R₁和R₂串聯(lián)，電流表A₁的示數(shù)為1 A，電流表A的示數(shù)與電流表A₁的示數(shù)相等，電壓表測(cè)R₂兩端電壓。

解答：（1）

（2）因?yàn)槭谴?lián)電路，且電源電壓為6 V，所以

教學(xué)感悟：學(xué)生的典型錯(cuò)誤是在問題（1）中當(dāng)S₁和S₂都閉合時(shí)等效電路圖畫不出或者畫錯(cuò)，原因在于學(xué)習(xí)簡單電路時(shí)多開關(guān)問題沒有掌握好，對(duì)短路或部分短路現(xiàn)象識(shí)別不清導(dǎo)致的錯(cuò)誤。對(duì)此類問題的教學(xué)建議是引導(dǎo)學(xué)生鞏固多開關(guān)問題，多畫一畫不同情境下的等效電路圖。

變式訓(xùn)練：如圖15所示電路中，

（1）若使L₁、L₂串聯(lián)，則應(yīng)閉合_____，斷開_____;

（2）若使L₁、L₂并聯(lián)，則應(yīng)閉合_____，斷開_____;

（3）如果只閉合S₃而斷開S₁、S₂，則燈_____亮;

（4）如果只閉合S₁和S₂而斷開S₃，則燈_____亮;

（5）同時(shí)閉合開關(guān)_____，電源短路是不允許的。

解析：（1）使L₁、L₂串聯(lián)，串聯(lián)是把用電器逐個(gè)順次連接起來的，此時(shí)電流從電源正極流出，經(jīng)過用電器L₁、L₂回到電源負(fù)極，只有一條路徑，如圖16。此時(shí)畫出等效電路圖，簡化電路是最好的方式，如圖17，所以，使L₁、L₂串聯(lián)，則應(yīng)閉合S₂，斷開S₁和S₃。

（2）使L₁、L₂并聯(lián)，如圖18和圖19，則應(yīng)閉合S₁和S₃，斷開S₂。

（3）按照題目要求，只閉合S₃而斷開S₁和S₂，等效電路圖如圖20，此時(shí)沒有電流的流通路徑，所以燈都不亮。

（4）閉合S₁和S₂，斷開S₃，等效電路圖如圖21，圖22和圖23所示，只有L₂亮，閉合的開關(guān)S₁將S₂和L₁短路。

（5）同時(shí)閉合開關(guān)S₂和S₃，等效電路圖如圖24和圖25所示，此時(shí)電源被短路。

三、電路故障分析題

串并聯(lián)電路的典型故障通常有兩類：短路和斷路。

（1）電流表無示數(shù)：斷路或電流表被短路。

（2）電壓表無示數(shù)：電壓表與電源之間有斷路或電壓表測(cè)量部分短路。

（3）燈泡不亮的話，要結(jié)合電流表和電壓表一起判斷：若電流表無示數(shù)，則多數(shù)情況是斷路;若電壓表也無示數(shù)，則電壓表以外斷路;如果電壓表有示數(shù)，而電流表無示數(shù)，則電壓表測(cè)量部分?jǐn)嗦?若電流表有示數(shù)，而電壓表無示數(shù)，一般是燈泡短路。

[例4]如圖26所示，當(dāng)開關(guān)S閉合后，兩個(gè)燈泡均發(fā)光，兩電表均有示數(shù)。過一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)電壓表示數(shù)變?yōu)?，電流表示數(shù)增大。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)除燈泡外其余器材的連接良好，造成這種情況的原因可能是（）。

A.燈L₁斷路??? B.燈L₂短路

C.燈L₁短路??? D.燈L₁、L₂斷路

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)一：模擬燈泡L₁短路的情形，取一根導(dǎo)線并接到L₁的兩端，閉合開關(guān)，燈泡L₂發(fā)光，且亮度增加，電流表示數(shù)變大，電壓表無示數(shù)（被短路）。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)一中，電流路徑的“可視化”分析如圖27和圖28，此時(shí)電路從兩個(gè)用電器變?yōu)橹挥蠰₂，電阻變小，電流變大，電壓表示數(shù)根據(jù)歐姆定律分析U=IR_導(dǎo)線=I x 0=0。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)二：模擬燈泡L₁斷路的情形，將燈泡L₁從燈座上取下來，閉合開關(guān)，燈L₂不亮，電流表無示數(shù)，電壓表示數(shù)變大，為電源電壓（初中物理將電源看成理想電源，不考慮電池內(nèi)電阻）。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)二中，電流路徑的“可視化”分析如圖29和圖30，此時(shí)L₁斷路，串聯(lián)電路斷路，L₂不亮，電流表示數(shù)為0，那為什么電壓表示數(shù)變大呢？雖然L₂熄滅，電流表無示數(shù)，但是L₂和電流表、閉合的開關(guān)S、導(dǎo)線都是導(dǎo)體，電壓表可以連接到電源兩極上，從測(cè)L₁兩端的電壓變?yōu)闇y(cè)電源電壓。

初中物理將電源看成理想的電源，不考慮電源內(nèi)電阻，但學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)內(nèi)電阻仍然有較大影響，為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，建議教師做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，用內(nèi)電阻較小的學(xué)生電源，以減小電源內(nèi)電阻的影響。同樣，教師可以引導(dǎo)學(xué)生做燈L₂短路、斷路的模擬實(shí)驗(yàn)，這里就不再一一探討了。

總之，解題是學(xué)習(xí)物理的必由之路，習(xí)題課教學(xué)也是中學(xué)物理教學(xué)必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。教師在講解習(xí)題時(shí)，強(qiáng)化“可視化”思維的展示，首先要順應(yīng)學(xué)生的“錯(cuò)”，使學(xué)生得到較大的認(rèn)同感，然后結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)和微課等信息技術(shù)手段，克服思維障礙，再辨析概念，進(jìn)一步深化學(xué)生對(duì)相關(guān)規(guī)律的理解，進(jìn)而提升學(xué)生運(yùn)用有關(guān)規(guī)律、方法解決問題的能力。

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