基于動態(tài)圖示技術的高中物理概念教學

摘 要：運用動態(tài)圖示技術設計高中物理“電流速度”概念的教學示例。以“電流速度”概念的教學難點為出發(fā)點，分析了高中物理電流教學中涉及的三種速度之間的內在聯(lián)系與區(qū)別?；贠ffice PPT的動畫功能，設計了三種速度的動態(tài)圖示，并詳細描述了動態(tài)圖示制作過程。通過動態(tài)視覺呈現(xiàn)，可以增強學生對概念的理解，提高教學效果。

關鍵詞：動態(tài)圖示；PPT動畫；電流速度；高中物理教學；魯科版

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）11-0080-4

高中物理教學中，無論是機械運動、熱運動、光的傳播，還是電學中的電流運動，研究過程均是動態(tài)的運動或變化。然而，由于紙質教材的限制，這些動態(tài)現(xiàn)象通常只能通過靜態(tài)圖片呈現(xiàn)?？梢暬虒W在高中物理中是一種重要的教學手段，它能夠幫助學生更便捷和高效地掌握抽象的物理知識，從而提升學習效率［１］。利用動態(tài)圖示對教科書資源進行優(yōu)化已成為一種重要的教學策略。通過動態(tài)圖示直觀展示物體的運動和變化，不僅降低了教師對抽象知識的講解難度，也顯著減輕了學生理解新知識的負擔，從而有效提升課堂教學效果。

１ “電流速度”概念與教學難點

電流及其形成機理是高中物理電磁學中的重要內容。在魯科版２０１９版普通高中物理教科書必修第三冊第三章“電流”一節(jié)中，關于電流速度的描述如圖１所示。

教材中提到三個與電流相關的速度：

電子的平均熱運動速度，約為１０５ ｍ/ｓ。這是金屬中自由電子在常溫下的無規(guī)則熱運動速度。在自由電子數(shù)量眾多的情況下，缺乏整體的定向運動，因此不產(chǎn)生電流。

電場的傳播速度，約為３×１０８ ｍ/ｓ，相當于光速。當導體兩端施加電壓時，電場沿導體迅速傳播，使自由電子產(chǎn)生定向運動，形成電流。

電子漂移速度，約為１０－５ ｍ/ｓ。盡管在電場作用下，大量自由電子整體產(chǎn)生定向運動，但其速度非常緩慢，這種緩慢而有方向的運動被稱為“電子漂移”。

這三種速度分別代表電子運動的不同特征，體現(xiàn)了三種不同形式的運動及其速度。它們之間存在緊密的內在聯(lián)系，但相互關系卻較為抽象和復雜。由于缺乏這三種速度區(qū)別與聯(lián)系的動態(tài)直觀展示，學生往往難以建立系統(tǒng)的知識框架，導致概念混亂。因此，利用信息技術手段，將抽象的物理運動特點以動態(tài)、直觀的方式展現(xiàn)出來，對于教師的講解和學生的理解都具有重要意義。

鑒于教師課件制作的便利性和易用性，利用ＰＰＴ（以ｏｆｆｉｃｅ ３６５為例）和ＧＩＦ動態(tài)圖錄制軟件來設計和制作動態(tài)圖示。

２ 基于ＰＰＴ的動態(tài)圖示設計與制作

從電流的形成角度分析，在開關閉合的瞬間，導體內部首先會產(chǎn)生電場。在電場力的作用下，自由電子在熱運動的同時，整體發(fā)生定向移動。因此，在動態(tài)圖示的設計上，需分階段展示不同速度的特征。首先，單獨設計“電場傳播速度”的動態(tài)圖示，以直觀展示電流“傳播”的實質：當電路形成閉合回路后，電場在導線中迅速建立。這一階段強調電場的快速傳播特性。其次，單獨制作“自由電子熱運動速度”的動態(tài)圖示，以展示熱運動的無序特點。此圖示將突出自由電子在熱運動中的隨機性和混亂性。最后，將這三種速度整合在一起，在電場形成和電子熱運動的基礎上，呈現(xiàn)出電子整體朝一個方向的“漂移速度”。

２．１ “電場傳播的速度”動態(tài)圖示制作

２．１．１ 動態(tài)展示需求分析

為了生動地展示電場瞬間形成和消失的效果，需要制作開關斷開與閉合兩種狀態(tài)下導體中電場存在與消失的對比動畫。為了實現(xiàn)這一目標，可以利用ＰＰＴ的頁面切換功能，設計兩張狀態(tài)不同的靜態(tài)幻燈片。一張展示電路閉合時，導體中電場已形成的狀態(tài)，強調電場的存在；另一張展示電路斷開時，導體中電場消失的狀態(tài)，突出電場的消失。由于電場在導體中的傳播速度接近光速，肉眼無法察覺電場“鋪設”的過程。因此，頁面切換時采用“無”特效，通過快速直接切換來模擬電場瞬間生成和消失的動畫效果。

２．１．２ 動態(tài)圖示設計

在新建ＰＰＴ演示文稿后，可以通過“插入”菜單中的“形狀”功能，插入表示電路的直線及表示“一段導體”的圓柱體。為了突出導體與導線之間的視覺區(qū)別，可以在選定對象后，右鍵點擊“層級”選項，調整各個元素的層級，將導體置于導線之上，從而增強電路圖示的真實感。

接下來設計動畫，選中導體及相關元素后進行復制粘貼，以制作表示開關狀態(tài)變化的兩張靜態(tài)幻燈片。一張表示開關斷開狀態(tài)，另一張則展示閉合形成回路的狀態(tài)，如圖２所示。確保兩張幻燈片中的元素位置保持一致。同時，在導體區(qū)域插入表示電場方向的電場線箭頭，注意導體中的電場線方向由電勢高指向電勢低。

為了實現(xiàn)動態(tài)效果，將幻燈片切換設置為“無”效果。在播放時，可以使用ＧＩＦ錄制軟件對這兩張幻燈片的切換過程進行錄制，從而實現(xiàn)電路開關閉合與斷開時導體中電場瞬間出現(xiàn)和消失的動態(tài)可視化。

２．２ “自由電子的熱運動的速度”動態(tài)圖示制作

２．２．１ 動態(tài)展示需求分析

自由電子在導體內進行的是速度極快的無序熱運動，其速度可達１０５ ｍ/ｓ，且運動方向隨機變化，不具有整體定向性。為了動態(tài)展示自由電子亂飛的熱運動效果，需要在有限空間內描繪出電子高速、多變的隨機運動路徑和狀態(tài)。

基于ＰＰＴ的路徑動畫功能，可以為每個電子繪制循環(huán)運動的自定義路徑，并設置較快的運動時間，以實現(xiàn)電子高速運動的可視化。為每個電子繪制不同的運動路徑，確保這些路徑形狀各異，起止點不同，從而有效表現(xiàn)出電子隨機變化方向的特征。選擇“路徑動畫”選項，設置每個電子沿其自定義路徑循環(huán)播放，使電子能夠持續(xù)在其路徑上高速運動，從而達到連續(xù)的自由電子熱運動動態(tài)效果。

２．２．２ 動態(tài)圖示設計

首先，在表示“一段導體”的圖形內部插入多個小圓，代表大量自由電子。然后，依次選擇每個電子小圓，進入“動畫”菜單，選擇“自定義路徑”，為每個電子描繪自由曲線的閉合路徑（圖３）。這些路徑代表電子無規(guī)則的熱運動軌跡。

考慮到電子運動速度非常快，在“計時”選項中，可以將每個電子路徑動畫的時間設置為較短，大約為１到２秒。為了確保電子能持續(xù)不斷地運動，需要在“動畫”窗口將“平滑開始”和“平滑結束”的時間值設為０。這意味著路徑動畫直接開始和結束，沒有漸顯漸隱的效果。

此外，在“計時”窗口中，將“重復”值選擇“直到幻燈片結束”，以使動畫持續(xù)播放并循環(huán)，實現(xiàn)自由電子在導體內高速不斷運動的熱運動動態(tài)可視化。

幻燈片播放后，可有效展示“自由電子”的無規(guī)則運動。由于自由電子的熱運動與電場的傳播沒有直接聯(lián)系，為了單獨突出“電子無規(guī)則運動”，動態(tài)圖示中不涉及電場元素。在此步驟中，可以刪除與電場傳播相關的“電源”“開關”“一段導體”“導線”等元素，僅保留電子及其運動路徑。接下來，使用ＧＩＦ錄制軟件對導體中自由電子的熱運動進行錄制，制備“漂移速度”視頻素材。

２．３ 綜合展示中呈現(xiàn)“漂移速度”

２．３．１ 動態(tài)展示需求分析

在閉合電路后，導體中快速形成電場，高速熱運動的電子在電場的作用下開始緩慢定向移動，從而綜合體現(xiàn)電子的“漂移運動”效果（對于正電荷，運動方向朝向電源的負極）。動態(tài)圖示的構建較為復雜，需要將前述的兩部分整合，并加入用以展示“定向移動”的路徑動畫。

從制作思路上看，可在兩張幻燈片中設置不同元素，一張為開關未閉合時僅電子無規(guī)則運動，另一張為開關閉合后加入電場及電子定向運動，利用動畫路徑和速度設置，實現(xiàn)電子漂移運動的動態(tài)可視化。

２．３．２ 動態(tài)圖示設計

首先，將已經(jīng)制作好的、用于展示電子高速隨機運動的“單獨電子的無規(guī)則運動”動畫插入第一張幻燈片，并設置合適的圖片大小，如圖4（ａ）所示。這樣，在幻燈片播放時，無論開關閉合與否，電子都在持續(xù)高速做無規(guī)則的熱運動。

接下來，將對第二張幻燈片進行編輯。首先，復制第一張幻燈片中“單獨電子的無規(guī)則運動”元素，并通過“Ｃｔｒｌ＋Ｖ”命令將其粘貼到第二張幻燈片上，以確保兩張幻燈片中電子的位置保持一致。

在此基礎上，進入“動畫”功能，為第二張幻燈片中的“單獨電子的無規(guī)則運動”添加自定義路徑，以使電子緩慢向固定方向移動，表示其漂移運動，如圖4（ｂ）所示。路徑動畫的時間設置為“與上一動畫同時”，即與電場形成的動畫同步進行。同時，將電子的移動速度設為“非常慢”。通過這種設置，當幻燈片播放并切換到第二頁時，開關閉合后導體中立即出現(xiàn)電場；原本處于熱運動狀態(tài)的電子在幻燈片切換后，除了繼續(xù)進行熱運動外，還會緩慢向電源的正極方向定向移動。這樣，就實現(xiàn)了電子隨機運動與定向漂移運動的動態(tài)綜合展示。

２．３．３ 遮擋處理

在演示第二張幻燈片的過程中，隨著“單獨電子的無規(guī)則運動”沿著直線路徑“定向移動”的進行，“電子”會逐漸超出所在的導體范圍，這影響了動畫的真實性。

為了避免這一問題，需要在導體的左側添加一個遮蔽層（圖5所示的虛線框部分）。具體步驟如下：使用截圖功能截取一個與導體左邊界完全重合的圖片區(qū)域，獲取的圖片將作為遮蔽層。

接下來，將截取的遮蔽圖片插入到該幻燈片中，確保其位置恰好覆蓋在導體的左邊界。然后，在“格式”菜單中，通過“層級”功能調整各個元素的層級。將遮蔽圖片置于最頂層，“單獨電子的無規(guī)則運動”動畫置于中間層，導體與其他元素置于底層。當電子移動超出導體邊界時，會被頂層遮蔽所覆蓋，從而增強動畫的真實性。

３ 動態(tài)圖示的實施效果及意義

３．１ 動態(tài)圖示的課堂實施與效果

在“電流”一節(jié)的教學實施中，教師將三個ＧＩＦ動態(tài)圖示（“電場傳播速度”“自由電子的熱運動速度”“電子漂移速度”）整合進課件中。這些動態(tài)圖示在講授過程中適時展示，輔助解釋和分析電流速度的三種不同概念。

“電場傳播的速度”的動態(tài)圖示通過兩張靜態(tài)幻燈片的快速切換，生動形象地呈現(xiàn)了電場在導體中瞬間形成的過程。在教學中，學生通過這一動態(tài)圖示直觀理解了電場傳播速度極快的概念，并認識到日常生活中所說的“電流快”實際上是指電場的傳播速度。

“熱運動的速度”的動態(tài)圖示則增強了學生對電子隨機熱運動概念的理解與記憶。相較于靜態(tài)圖片，動態(tài)圖示可視化地展示了電子的無規(guī)則運動，有效幫助學生厘清“電場傳播速度”與“熱運動速度”的區(qū)別，從而提升教學效果。

“漂移速度”的動態(tài)圖示實現(xiàn)了開關閉合、電場形成及電子運動狀態(tài)由無規(guī)則運動到整體定向漂移的動態(tài)可視化。這一直觀的動態(tài)圖示幫助學生更好地觀察和理解電子在電場作用下的運動狀態(tài)演變。它有助于學生理解“定向漂移”其實是電子在熱運動的同時整體朝某一方向漂移，避免了“電流由開關快速流向用電器”或“電流先通過開關后通過用電器”等基于直覺的錯誤觀念。

通過生動的視覺效果，教師能夠幫助學生構建正確的物理認知，并促進教與學的互動。這不僅便于教師的講解，也使學生能夠建立正確和系統(tǒng)的物理理解，最終達到增強教學效果的目的。因此，這種基于ＰＰＴ制作的電子漂移動態(tài)圖示在高中物理電學教學中具有良好的實踐應用價值。

３．２ 動態(tài)圖示在概念教學中的意義

隨著信息技術的飛速發(fā)展，教師現(xiàn)在能夠在課堂上輕松利用動態(tài)圖像向學生展示精心設計的物理情境。這種技術使教師能夠將物理問題轉化為對應的物理圖景，并分層次、有步驟地動態(tài)展示這些圖景，從而揭示問題的本質［２］。這種展示方式不僅使復雜的物理概念變得生動易懂，而且為學生提供了一個直觀、真實的學習環(huán)境，極大地促進了學生對抽象物理概念的掌握。

動態(tài)圖示技術在概念教學中發(fā)揮著至關重要的作用，主要得益于其“直觀性”和“形象性”兩大特點。通過動態(tài)圖示，教師能夠將抽象的物理問題轉化為具體的視覺圖景，這種視覺化表達顯aIjgW3hSL/QT6Z8pMXGP/w==著增強了學生對學習內容的理解和記憶。此外，動態(tài)圖示作為一種教學工具，與建構主義學習理論不謀而合。建構主義強調學習者通過主動探索和實踐來構建知識，而動態(tài)圖示正好提供了這樣一個平臺，讓學生能夠通過觀察、操作和思考，逐步構建對物理現(xiàn)象的深層次理解。

綜上所述，動態(tài)圖示技術在高中物理概念教學中的應用，不僅優(yōu)化了教科書資源，提高了教學效率，更重要的是，它為學生提供了一種全新的學習方式，使他們能夠在互動和體驗中深入理解物理概念，從根本上提升學習的質量。

４ 結 語

本文分析了高中物理“電流速度”概念教學的難點，并提出了利用動態(tài)圖示技術來解決這些難點的策略。在具體的設計與制作方法上，詳細闡述了如何應用ＰＰＴ動畫功能設計電流三種速度的動態(tài)圖示，旨在通過直觀展示速度的區(qū)別和相互聯(lián)系，幫助學生消除相關概念的混淆與困難。通過一個具體案例，探索了動態(tài)圖示技術在物理概念教學中的應用。與靜態(tài)圖片資源相比，動態(tài)圖示技術憑借其直觀性和形象性，預期能夠更有效地增強學生對概念內涵的理解，幫助他們構建系統(tǒng)的概念體系。盡管本文以有限的個案展開討論，但為高中物理概念教學提供了新的方法，同時也為動態(tài)圖示技術在理科教學領域的應用提供了借鑒。未來的研究可以拓展至其他理科概念教學，探索動態(tài)圖示技術的應用效果，或開發(fā)更專業(yè)的動態(tài)圖示制作工具，以進一步提高其在學科教學中的價值。

參考文獻：

［１］朱福菊．可視化視域下的高中物理教學研究［Ｄ］．昆明：云南師范大學，２０２２．

［２］張顯福．淺談如何實現(xiàn)現(xiàn)代信息技術與高中物理教學的優(yōu)化整合［Ｊ］．科學咨詢（教育科研），２０１９（５）：５９．

（欄目編輯 賈偉堯）