數(shù)字媒體助力物理實(shí)驗(yàn)落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

江西省南昌市第十九中學(xué)(330002) 高 靜

2017版的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出物理學(xué)科核心素養(yǎng)由“物理觀念”“科學(xué)探究”“科學(xué)思維”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”構(gòu)成。物理實(shí)驗(yàn)可以為學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)創(chuàng)設(shè)生動(dòng)的物理學(xué)習(xí)情景，學(xué)生借助于實(shí)驗(yàn)情景所提供的信息去發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題，促進(jìn)對(duì)知識(shí)的掌握。實(shí)驗(yàn)過程不可能總是一帆風(fēng)順的，學(xué)生在經(jīng)歷曲折和不斷克服困難的過程中可磨練意志，養(yǎng)成不怕受挫、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的良好習(xí)慣。實(shí)驗(yàn)中還存在著豐富的辯證唯物主義等教育素材，對(duì)學(xué)生形成正確的科學(xué)觀起著促進(jìn)作用。

由于課堂教學(xué)時(shí)間和空間以及人的感受器官等因素的限制，傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)有時(shí)不能有效完成教學(xué)任務(wù)，此時(shí)可以發(fā)揮數(shù)字媒體的優(yōu)勢(shì)和潛能，彌補(bǔ)學(xué)生直觀感知的不足，減小其抽象思維的難度。利用數(shù)字媒體突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。第一，運(yùn)用數(shù)字媒體記錄實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，可以突破由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化快、過程難以捕捉導(dǎo)致不利于觀察分析的難點(diǎn)，還可以及時(shí)取得傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中需要的數(shù)據(jù)使學(xué)生全程觀察數(shù)據(jù)的變化過程，為后期的數(shù)據(jù)分析處理提供便利。第二，運(yùn)用數(shù)字媒體模擬不可能或不適宜在課堂內(nèi)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程，使抽象的知識(shí)以形象具體的動(dòng)畫形式呈現(xiàn)給學(xué)生。有利于學(xué)生在頭腦中建構(gòu)立體形象，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解。第三，運(yùn)用數(shù)字媒體使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中不明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變的明顯，滿足教學(xué)的要求。第四，運(yùn)用數(shù)字媒體輔助建立物理模型。運(yùn)用數(shù)字媒體，在一定的范圍內(nèi)，直觀、具體、夸張地模擬物理問題的主要因素和本質(zhì)，忽略次要因素，協(xié)助學(xué)生化抽象為具體，逐步建立物理模型，最大限度地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力。

下面，以滬粵版9年級(jí)物理上冊(cè)“怎樣認(rèn)識(shí)和測(cè)量電流”為例闡述如何讓數(shù)字媒體助力物理實(shí)驗(yàn)并落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1 教材分析

電流是初中電學(xué)的基本概念，是電學(xué)中三個(gè)基本物理量之一，電流表是最基本的實(shí)驗(yàn)儀器，正確使用電流表是學(xué)生必須要學(xué)會(huì)的基本實(shí)驗(yàn)技能。本節(jié)知識(shí)也是今后學(xué)習(xí)歐姆定律、電阻、電功率等概念的重要基礎(chǔ)，為形成電場(chǎng)能、電磁能等能量觀念做好鋪墊。對(duì)微觀電子的運(yùn)動(dòng)及其所形成的宏觀現(xiàn)象(電流)的探索和認(rèn)識(shí)是學(xué)生初步形成物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀等物理觀念的重要基礎(chǔ)。

2 學(xué)情分析

學(xué)生學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容時(shí)通常會(huì)遭遇三個(gè)困惑，一是大量的自由電荷怎樣從無規(guī)則運(yùn)動(dòng)變成定向移動(dòng)形成電流的；二是電流具有方向性；三是金屬導(dǎo)體中自由電子定向移動(dòng)的方向與電流的方向相反的理解。出現(xiàn)以上困惑的根源是微觀原子世界是看不見的也是摸不著的，為突破這一難點(diǎn)利用數(shù)字媒體模擬電荷的移動(dòng)輔助真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)，通過類比和建模的科學(xué)思維，幫助學(xué)生理解并構(gòu)建電流概念。

3 教學(xué)目標(biāo)

物理知識(shí)：知道電荷的定向移動(dòng)形成電流，知道電流方向的規(guī)定。

科學(xué)思維：運(yùn)用類比的方法理解電流的形成和方向；通過對(duì)微觀電荷、電子運(yùn)動(dòng)的分析推理，建立宏觀現(xiàn)象與微觀原理之間的聯(lián)系。

科學(xué)探究：通過閱讀說明書，獲取有關(guān)電流表的信息；通過實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)會(huì)用電流表測(cè)量電流。

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過對(duì)常用電器額定電流及人體安全電流的了解，理解電流的實(shí)際意義，感受電流與人類的生活息息相關(guān)，在實(shí)驗(yàn)操作中，養(yǎng)成規(guī)范的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。

4 教學(xué)策略

一是通過實(shí)驗(yàn)感知微觀世界電荷運(yùn)動(dòng)與電流之間關(guān)系，從物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)微觀角度感知電流形成的原因和電流方向的規(guī)定；二是應(yīng)用數(shù)字媒體模擬電荷的運(yùn)動(dòng)解釋實(shí)驗(yàn)所呈現(xiàn)的與電流有關(guān)的宏觀現(xiàn)象，幫助學(xué)生在對(duì)微觀和宏觀現(xiàn)象的分析過程中，應(yīng)用物質(zhì)觀觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念分析電流形成的原因和電流方向的規(guī)定；三是引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)電流表的使用方法。

5 教學(xué)過程

5.1 電荷的轉(zhuǎn)移

演示實(shí)驗(yàn)：用細(xì)線把一束餐巾紙條和一束錫箔紙條分別放在感應(yīng)起電機(jī)的兩根放電桿上鐵球的一側(cè)，放電桿上的鐵球沒有帶電時(shí)，餐巾紙條和錫箔紙條只受拉力和重力，靜止在豎直方向；放電桿上的鐵球帶電時(shí)，餐巾紙條緊貼鐵球、錫箔紙條偏離鐵球(見圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)情景

問題思考：為什么放電桿上的鐵球帶電時(shí)，餐巾紙條緊貼鐵球、錫箔紙條偏離鐵球(帶電物體能吸引輕小物體；錫箔紙條與鐵球接觸后帶上同種電荷，同種電荷相互排斥而張開。)電荷從鐵球上轉(zhuǎn)移到錫箔紙上的過程中會(huì)不會(huì)產(chǎn)生我們無法直接感知的現(xiàn)象？

數(shù)字媒體的應(yīng)用：播放視頻：介紹原子核式結(jié)構(gòu)、摩擦起電的實(shí)質(zhì)(見圖2)。

圖2 摩擦起電的實(shí)質(zhì)

設(shè)計(jì)目的與核心素養(yǎng)體現(xiàn)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)問題情景，數(shù)字媒體引導(dǎo)學(xué)生從原子結(jié)構(gòu)、電荷運(yùn)動(dòng)的角度開啟電流產(chǎn)生原因的探究之旅，初步學(xué)習(xí)應(yīng)用物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念，解決實(shí)際問題。

5.2 電荷定向運(yùn)動(dòng)形成電流

演示實(shí)驗(yàn)步驟：利用感應(yīng)起電機(jī)使自制萊頓瓶?jī)?chǔ)存一定電荷，用導(dǎo)線把氖泡和驗(yàn)電器相連，再用導(dǎo)線把自制萊頓瓶和氖管相連。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：氖管發(fā)光，驗(yàn)電器的指針偏轉(zhuǎn)(見圖3)。

圖3 電流形成的原因：電荷的定向移動(dòng)

問題思考：驗(yàn)電器的指針偏轉(zhuǎn)說明什么？氖泡發(fā)光與電荷移動(dòng)之間有怎樣的聯(lián)系？氖泡為什么很快又熄滅了？怎樣讓氖泡持續(xù)發(fā)光？

數(shù)字媒體的應(yīng)用：

(1)用手機(jī)錄制實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并同時(shí)使用希沃傳屏技術(shù)把手機(jī)錄制的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象同步到電子白板教學(xué)一體機(jī)上。

(2)動(dòng)畫模擬電流形成的原因：金屬導(dǎo)體里有大量自由電子，它們可以自由移動(dòng)。平時(shí)它們的運(yùn)動(dòng)是雜亂無章的，可是接上電源之后，它們就受到了推動(dòng)，出現(xiàn)所有電子同時(shí)向同一個(gè)方向的定向移動(dòng)，這些定向移動(dòng)的自由電荷便在導(dǎo)體中形成了電流(見圖4)。

圖4 電流形成的原因

設(shè)計(jì)目的與核心素養(yǎng)體現(xiàn)點(diǎn)：

(1)課堂上演示該實(shí)驗(yàn)是為了確保實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生除了要觀察氖泡的發(fā)光情況，還要觀察驗(yàn)電器的指針是否偏轉(zhuǎn)，加之氖泡的光強(qiáng)很弱且通電時(shí)間極短，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一閃即逝，使用希沃傳屏技術(shù)可以放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提高實(shí)驗(yàn)的可視度，同時(shí)錄制實(shí)驗(yàn)視頻，便于重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以便學(xué)生既能清楚看見氖泡發(fā)光，也能看清驗(yàn)電器的指針偏轉(zhuǎn)。

(2)對(duì)微觀電子的運(yùn)動(dòng)及其所形成的宏觀現(xiàn)象(電流)的探索和認(rèn)識(shí)是學(xué)生初步形成物質(zhì)觀、守恒觀等物理觀念的重要基礎(chǔ)。根據(jù)導(dǎo)體中電荷運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，運(yùn)用數(shù)字媒體模擬電荷運(yùn)動(dòng)的主要因素和本質(zhì)，忽略次要因素將看不見摸不著的電荷運(yùn)動(dòng)以直觀、具體的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，協(xié)助學(xué)生化抽象為具體，逐步建立起物理模型，最大限度地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力。引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用類比與建模的科學(xué)思維方法，幫助學(xué)生逾越認(rèn)知障礙，建構(gòu)電流的概念。

5.3 電荷定向移動(dòng)與電流的方向

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：學(xué)生嘗試讓發(fā)光二極管亮起來。

問題思考：大家觀察到什么現(xiàn)象？如果將二極管反過來接會(huì)怎樣？

數(shù)字媒體的應(yīng)用：用Flash介紹二極管的工作原理。

設(shè)計(jì)目的與核心素養(yǎng)體現(xiàn)點(diǎn)：讓學(xué)生在科學(xué)探究的過程中，借助二極管的特性明確電流方向的規(guī)定性，感受對(duì)比、歸納等認(rèn)知事物的科學(xué)思維方法。

5.4 電荷定向移動(dòng)與電流的大小

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：將一只小燈泡和一節(jié)干電池連接，再將同一只小燈泡和兩節(jié)串聯(lián)的干電池連接，比較兩次燈泡的亮度。

問題思考：小燈泡的亮度有什么不同？該現(xiàn)象是什么原因造成的？

數(shù)字媒體的應(yīng)用：動(dòng)畫模擬電流大小不同的原因(見圖5)。

圖5 電流的大小

設(shè)計(jì)目的與核心素養(yǎng)體現(xiàn)點(diǎn)：動(dòng)畫模擬電流大小形成的原因，讓學(xué)生直觀、形象的感知到單位時(shí)間里通過橫截面的電荷量的大小不同。從物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)與相互作用的角度認(rèn)識(shí)電流的實(shí)質(zhì)，建構(gòu)電流形成原因的模型，為后面電學(xué)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

5.5 電流表測(cè)量電流的大小

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：學(xué)生通過閱讀電流表的使用說明書，嘗試用電流表測(cè)量一個(gè)小燈泡的電流。

數(shù)字媒體的應(yīng)用：手機(jī)拍攝使用電流表過程中所犯的錯(cuò)誤；使用希沃傳屏把照片傳到電子白板教學(xué)一體機(jī)上。

設(shè)計(jì)目的與核心素養(yǎng)體現(xiàn)點(diǎn)：數(shù)字媒體助力物理實(shí)驗(yàn)、提供電流表使用的案例，讓學(xué)生判斷連接是否正確，并引導(dǎo)學(xué)生歸納正確使用電流表的方法。培養(yǎng)學(xué)生自主閱讀、善于觀察、勤于思考、合作探究和表達(dá)交流等學(xué)習(xí)習(xí)慣。學(xué)生通過燈泡的亮暗來感知電流的大小以及掌握正確使用電流表的方法，為后面相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)做好鋪墊。

6 結(jié)束語

本文的案例是應(yīng)用數(shù)字媒體助力物理實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生建構(gòu)物理概念，還可以應(yīng)用數(shù)字媒體助力物理實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生探尋物理規(guī)律、利用數(shù)字媒體將家庭實(shí)驗(yàn)引入物理教學(xué)，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的落實(shí)。