動畫在初中物理概念教學(xué)中的作用

盧藝 秦宇飛 柴萬東

摘 要：概念教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分。學(xué)生在初中階段首次系統(tǒng)地學(xué)習(xí)物理，對一些抽象的物理概念難以理解，甚至是產(chǎn)生理解偏差。因此，在初中物理概念教學(xué)中需要改進教學(xué)手段，攻克此類教學(xué)難點。動畫有形象直觀、趣味生動的特點，能很好地應(yīng)用到物理教學(xué)中。本文以初中物理“電流”概念教學(xué)為例，針對學(xué)生學(xué)習(xí)的難點及教學(xué)中常見的問題，設(shè)計了電流概念教學(xué)所需的主要動畫，力求利用動畫化抽象為形象的特點，幫助學(xué)生正確理解電流概念，為初中物理概念教學(xué)提供新思路。

關(guān)鍵詞：概念教學(xué)；動畫；電流概念

中圖分類號：G633.7? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）06-0064-04

收稿日期：2023-02-26

通訊作者：柴萬東（1971-），男，漢族，內(nèi)蒙古赤峰市人，碩士研究生導(dǎo)師，教授。研究方向：傳感器應(yīng)用，基本教育理論。

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)“十四五”教育規(guī)劃課題（2022JGH455）

物理教學(xué)分為物理概念教學(xué)、物理規(guī)律教學(xué)、物理實驗教學(xué)、物理習(xí)題教學(xué)和物理復(fù)習(xí)教學(xué)。在物理概念教學(xué)中，教師大都采用口頭講述的教學(xué)方式，教學(xué)效果往往達不到預(yù)期，其原因在于教學(xué)方法與學(xué)生理解能力的不適配。初中學(xué)生的抽象思維能力和生活經(jīng)驗不足，不易理解抽象的描述語言，只能機械記憶物理概念，其結(jié)果就是容易遺忘，不能活學(xué)活用，還可能因為學(xué)不會而喪失學(xué)習(xí)物理的興趣。改進物理概念教學(xué)手段尤為重要。目前中學(xué)的信息化軟件、硬件教學(xué)設(shè)施基本都已完善，支持更多信息化技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用，且動畫資源近年來被逐漸開發(fā)并應(yīng)用到了教學(xué)實踐中，取得了不錯的效果[1]。

1 初中物理概念教學(xué)引入動畫的必要性

（1）由物理學(xué)科自身特點所決定。物理學(xué)是一門研究物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)、物體運動及能量變化的科學(xué)，是自然科學(xué)應(yīng)用廣泛的一門基礎(chǔ)學(xué)科，具有抽象度高、邏輯縝密的特點。初中階段所開設(shè)的物理課程，向初學(xué)者描繪了物理世界的基本規(guī)則和整體圖景，需要學(xué)生在學(xué)習(xí)中逐步培養(yǎng)歸納概括能力、想象思維能力和邏輯推演能力，學(xué)生首次接觸比較困難。

動畫能夠?qū)⑽淖帧D像、聲音等整合并生動形象地呈現(xiàn)，把抽象、枯燥的物理概念用生動有趣動畫表現(xiàn)出來，更容易為學(xué)生所接受，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

（2）符合初中學(xué)生思維特點。初中階段學(xué)生處在身心發(fā)展逐步趨于成熟的青少年期，抽象邏輯思維正在慢慢形成，但在很大程度上仍以感性思維為主，需要大量具體形象的事物支持才能理解抽象概念語言，往往需要足夠的感性體驗才能有效地激發(fā)物理學(xué)習(xí)的興趣[2]。他們的認識以經(jīng)驗為主，理解知識大都依賴于日常經(jīng)驗[3]。因為經(jīng)驗有限，學(xué)生在分析問題時往往較片面，經(jīng)常憑借自己的感覺分析問題，具有很強的主觀性，不利于問題的解決。

在教學(xué)中引用動畫符合學(xué)生思維特點的，動畫在設(shè)計時經(jīng)常把日常生活中常見的具體事物作為抽象概念的類比對象，生動且直觀，對于學(xué)生而言，降低了理解抽象物理知識的難度。教師可以在教學(xué)中重復(fù)播放動畫，讓學(xué)生通過動畫直觀地理解物理概念的內(nèi)涵和外延，幫助學(xué)生消化難點、掌握重點。

（3）緊隨教育信息化的發(fā)展。初中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)中明確提出，要重視現(xiàn)代信息技術(shù)在物理教學(xué)中的運用，積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)作為教學(xué)手段的應(yīng)用[4]。這意味著教師要注重利用現(xiàn)代化教學(xué)手段輔助教學(xué)，促進教學(xué)的有效性。物理概念教學(xué)要求學(xué)生準(zhǔn)確理解概念的意義，明確概念的適用條件，并在學(xué)習(xí)過程中體會研究概念的方法，應(yīng)用概念解決實際的問題。將動畫這一信息技術(shù)手段應(yīng)用于物理教學(xué)中，符合初中物理新課標(biāo)和物理概念教學(xué)的要求，與教育信息化的時代背景相契合。

2 初中物理電流概念教學(xué)問題分析

2.1 電流概念梳理

以人教版教材為例，“電流”的概念最初出現(xiàn)在初中物理“電流和電路”一章中，是學(xué)生開始學(xué)習(xí)物理電學(xué)知識最先接觸的基本概念。與此同時，“電流”也是物理概念中典型的抽象性概念。在日常的生活中沒有具體的實物表象與其相對應(yīng)，學(xué)生作為初學(xué)者，理解這一抽象的物理概念存在困難。

電流概念教學(xué)中主要有幾個知識點需要學(xué)生掌握：（1）電流的定義。電荷的定向移動形成電流，這里的“電荷”有3種情況，可能是“正電荷”，也可能是“負電荷”，還可能是“正、負電荷”。（2）學(xué)生需要明白“正電荷定向移動的方向為電流方向”的規(guī)律。在電源外部，電流的方向是從電源正極流向負極的，在電源內(nèi)部則相反。（3）產(chǎn)生電流的條件?；芈分斜仨氂须娫?，且回路要閉合。

從學(xué)習(xí)電流部分開始，學(xué)生逐步地學(xué)習(xí)了一系列的電學(xué)知識。以電流為主線，學(xué)生從對電路的認識，到對歐姆定律等電路基本規(guī)律的探索，再到對電與磁知識的初探等，電學(xué)的大廈在學(xué)生的頭腦中開始逐步建立。學(xué)生在此過程中發(fā)展抽象和邏輯思維能力，其物質(zhì)觀、能量觀、相互作用觀也會隨之逐步清晰完善，可謂電流“一線”貫穿始終。

該部分知識具有一定的抽象性，學(xué)生在學(xué)習(xí)中經(jīng)常會出現(xiàn)難點問題，即（1）不能很好地理解并分析電流形成中的兩種電荷的運動情況。（2）容易混淆金屬導(dǎo)體中電流方向與電荷移動方向。（3）不理解電源內(nèi)部的電流方向及電荷運動情況。不能理解電源為什么源源不斷地提供電流。

2.2 電流概念教學(xué)問題分析

（1）照本宣科式的教學(xué)依然存在。日常生活的方方面面都離不開“電”，學(xué)生在學(xué)習(xí)“電流”概念之前，一定對“電”有所了解，具備關(guān)于“電流”的前概念。無論他們有著怎樣的前概念，都表明學(xué)生不是空白進入課堂的，他們有自己的認知基礎(chǔ)，需要教師精心引導(dǎo)才能形成正確、科學(xué)的電流概念。

但在實際的電流概念教學(xué)中，常常忽略學(xué)生的認知水平，只讓學(xué)生機械地“記住”電流概念，而不注重分析講解電流的形成過程和本質(zhì)，使得概念教學(xué)流于表面，其結(jié)果就是學(xué)生對電流概念的模糊不清，產(chǎn)生錯誤的理解[5]。學(xué)生不理解導(dǎo)體中發(fā)生定向移動的電荷情況，不清楚電流方向與電荷定向移動二者間的關(guān)系，雖然可以靠機械記憶“記住”，但不會活學(xué)活用，一旦應(yīng)用情境發(fā)生變化就會出錯，時間一長，學(xué)生會認為物理難學(xué)，對物理學(xué)習(xí)產(chǎn)生抵觸情緒，不利于學(xué)生長期發(fā)展。

（2）教學(xué)方法單一。多數(shù)教師在教學(xué)中使用了盡可能詳細的話語和大量的例子幫助學(xué)生理解電流概念，但教學(xué)效果往往達不到預(yù)期。原因之一就是教學(xué)方法的單一性，只采用口頭講授的形式，學(xué)生根據(jù)教師的語言描述想象“電流”，或者根據(jù)靜態(tài)的圖片推測動態(tài)的“電流”，學(xué)生無法真正理解教師的描述，使得教學(xué)的有效性大打折扣?？梢?，在面對“電流”這類抽象的物理概念時，教師若是僅僅采用語言講述的教學(xué)方式，效果很難達到預(yù)期。在抽象概念面前，尤其是對于初中階段的學(xué)生而言，文字講述總顯得蒼白無力。

（3）缺乏有效的理論模型。在電流概念的教學(xué)中，教師最常引用的就是水流模型，即把“電流”類比成“水流”一樣的東西，水流動的方向便是電流的方向。水流模型用類比的辦法幫助學(xué)生體會電流的特點，感受電流的方向，學(xué)生易于理解。但水流模型也存在著不足之處，即模型本身不夠完善，描述表達的重點不夠突出，難以解釋清楚電流產(chǎn)生的本質(zhì)。

雖然考慮了水流模型的不足，但在重新設(shè)計電流模型時，為了描述的方便，把金屬中“產(chǎn)生電流”的模型解釋設(shè)定為“正電荷的定向移動”，認為電流模型的重點是向?qū)W生表明電路中電流的方向，可以暫時忽略電荷的電性，只需在演示時向?qū)W生強調(diào)“其實在金屬導(dǎo)體中移動的是自由電子”即可。其結(jié)果是學(xué)生很可能忽視教師的強調(diào)，反而加深頭腦中“金屬導(dǎo)體中是正電荷的定向移動而形成電流”的錯誤認知。

3 構(gòu)建初中物理電流概念的動畫

對于電流概念教學(xué)，可以通過設(shè)計“電流”的動畫輔助抽象的文字描述，通過動畫這一形象的表現(xiàn)方式幫助學(xué)生想象，促進學(xué)生理解電流概念。研究發(fā)現(xiàn)，電流的理論模型都是力求從本質(zhì)出發(fā)，站在更高的知識角度對初中電流概念進行更細致的描述，可以借此進行動畫設(shè)計，從微觀角度展示“導(dǎo)體中有電流通過”的狀態(tài)，并展示“電源工作”時的動畫，幫助學(xué)生突破難點。目前能在計算機上制作動畫的軟件有很多，如Flash、AE、RETAS等，都可以做出不錯的動畫效果。

3.1 動畫設(shè)計思路分析

在初中階段，學(xué)生常接觸金屬和酸、堿、鹽水溶液兩類導(dǎo)體，不同導(dǎo)體連接在電路中產(chǎn)生電流時，電荷發(fā)生定向移動的情況不同。金屬原子由帶正電的原子核和帶負電的核外電子構(gòu)成，可認為原子核不能移動，核外電子可以移動。通電時，金屬導(dǎo)體（導(dǎo)線）中的負電荷（自由電子）定向移動形成電流；在鹽的水溶液如NaCl溶液，電離出的鈉離子Na+和氯離子Cl-，由于電荷“同性相吸、異性相斥”的原理，正電荷移向靠近電源負極一側(cè)，負電荷移向靠近電源正極一側(cè)，正、負電荷同時向相反的方向定向移動形成電流。

（1）金屬導(dǎo)體導(dǎo)電動畫。先呈現(xiàn)整個電路在開關(guān)斷開時的整體圖，包括電源、開關(guān)、用電器（小燈泡）和導(dǎo)線等電路組成部分，動畫呈現(xiàn)閉合開關(guān)前后，導(dǎo)體中的自由電子運動情況，方便幫助學(xué)生理解電流的產(chǎn)生及電荷的運動情況以及電流方向與電荷定向移動的關(guān)系，如圖1所示。

（2）NaCl溶液導(dǎo)電動畫。延續(xù)上述方法，先呈現(xiàn)沒有通電時鹽的水溶液（NaCl溶液）的微觀狀態(tài)，溶液中存在大量的正電荷和負電荷（正離子和負離子），它們都在做無規(guī)則運動，然后呈現(xiàn)閉合開關(guān)的電路圖，NaCl溶液的正電荷和負電荷同時向相反的方向定向移動，正電荷向靠近電源負極的一側(cè)移動，負電荷向靠近電源正極的一側(cè)移動，并標(biāo)出NaCl溶液中電流的方向與正電荷定向移動的方向相同。以此幫助學(xué)生理解正負電荷同時定向移動形成電流的難點問題，如圖2所示。

（3）工作電源內(nèi)部動畫。電源（化學(xué)電池）處在工作狀態(tài)時，其內(nèi)部同時存在著正、負電荷的定向移動。因為電源的負極比正極性質(zhì)活躍，往往容易失去電子，這些電子通過導(dǎo)線積聚到電源正極，電源內(nèi)部的正電荷為了得到電子便會流向電源正極，即電源內(nèi)部的電流方向是從負極到正極。針對學(xué)生不易理解電源內(nèi)部的電流方向的難點，采用擬人的方法，設(shè)計“電源小精靈”充當(dāng)電源內(nèi)部電荷的“搬運工”，它們克服同種電極和電荷間的斥力，分別把正、負電荷依類“搬到”電源的正、負極，從而電源可以源源不斷地提供電流，如圖3所示。

3.2 動畫演示原理

演示呈現(xiàn)整個電路的電荷運動情況及電流方向，也可以分別呈現(xiàn)電源外部及電源內(nèi)部的電荷運動情況及電流方向。

通過電流形成的動畫設(shè)計，清楚地向?qū)W生展示金屬導(dǎo)體中電流形成的原因及微觀本質(zhì)，并形象直觀地呈現(xiàn)在金屬導(dǎo)體中，電流方向與負電荷電荷定向移動的方向相反，幫助學(xué)生解決難點一。至于學(xué)生疑問為什么不把自由電子定向移動方向規(guī)定為電流方向，則可根據(jù)科學(xué)史上電子的發(fā)現(xiàn)遲于電流概念的提出時間進行解釋。“NaCl溶液導(dǎo)電動畫”向?qū)W生清楚地展示了在鹽的水溶液中正、負電荷（正、負離子）都可以發(fā)生定向移動而導(dǎo)電，電流方向與正電荷定向移動的方向相同。通過此動畫，學(xué)生可以區(qū)別金屬導(dǎo)體導(dǎo)電和酸、堿、鹽水溶液導(dǎo)電原理的不同，解決難點二。

“工作電源內(nèi)部動畫”的設(shè)計，向?qū)W生生動地呈現(xiàn)了電源內(nèi)部的電流方向。教師可以在演示時向?qū)W生解釋，是因為“電源小精靈”一直在忙著“搬運”電荷到相同的電極，它們在此過程消耗了自身的能量，電源才能夠源源不斷地提供電流。也能使學(xué)生初步明白電源的能量轉(zhuǎn)化過程，為后面的學(xué)習(xí)做好鋪墊。

4 結(jié)論

動畫作為一種重要的現(xiàn)代技術(shù)手段，對提升教師的信息化教學(xué)素養(yǎng)和促進課堂教學(xué)效果都具有重要價值。目前動畫制作平臺的多樣，制作技術(shù)的便利，使得動畫在教學(xué)中獨特的應(yīng)用價值被不斷開發(fā)，在教育領(lǐng)域的運用正處于上升階段。

學(xué)生正確理解物理概念是學(xué)好物理的第一步。教師在物理電流概念教學(xué)中引入動畫，促進學(xué)生的理解，學(xué)生在學(xué)習(xí)中發(fā)展科學(xué)思維，提升思辨智慧，生動直觀的動畫吸引學(xué)生的注意，強化學(xué)生記憶，提高教學(xué)效果。除此之外，教師要充分發(fā)揮動畫資源的作用，離不開大膽創(chuàng)新和積極開發(fā)，在制作動畫時要多方考慮，盡量精簡元素，突出重點，要符合物理教學(xué)的規(guī)律，合理地在物理教學(xué)中滲透動畫，才能促進物理教學(xué)的發(fā)展。

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