思維可視化在初中物理電學教學中的應用與實踐

江勇

摘要：通過對思維過程可視化概念、模式、應用的介紹，結合初中物理電學教學中電路動態分析的教學實例，采用實驗研究和定量分析法，變傳統的知識可視化為思維過程的可視化，將思維可視化應用于初中物理電學教學的難點突破之上，有效幫助學生借助可視化思維模式理解電路動態分析方法，幫助教師即時獲得可靠的教學評價依據.

關鍵詞：思維可視化;初中物理;電路動態分析

引言：

思維可視化是指以圖示或圖示組合的方式把原本不可見的思維路徑、結構、方法及策略呈現出來，使其清晰可見的過程.通俗地講就是把大腦中的思維“畫”出來的過程.其主要模式：⑴ 思維導圖是一種將放射性思考具體化的方法，是最簡單又最有效的思維整理方式，也是世界范圍內應用最廣的思維工具.⑵ 問題菜單是具有一定梯度的問題組合，通過教師提問，學生回答的形式循序漸進達成教學目標的一種常見的思維可視化教學模式.⑶ 圖形分析是運用直觀的平面幾何圖形，將抽象的數學運算關系形象化展示的一種可視化教學模式.

動態電路是通過滑動變阻器的滑片移動，或電鍵的斷開與閉合，或電路元件發生（短路或斷路）故障時，引起電路中電阻發生變化，從而引起電流、電壓等發生相應變化，以及引起相應電表示數發生變化的電路，分析這類因果關系的問題一般稱為動態電路分析.目前，上海中考只要求掌握含有兩個導體的電路，涉及電路的連接方式、串聯或并聯電路特點、歐姆定律、滑動變阻器使用等知識，以及相應的科學方法、科學思維等，分析這類問題時，對學生的綜合能力和相關素養要求很高，是近年來物理中考中熱點和難點之一.

將思維可視化應用于“電路動態分析”教學中能體現科學思維能力的建構，幫助學生建立動態電路模型，掌握科學推理方法，從定性角度理解電路動態分析，總結歸納出此類問題的基本處理思路和方法.

一、“電路動態分析”教學設計案例

1.學情分析

學生在之前的學習中，對此類問題已經有了一定的認識，但尚未達到中考的能力要求，所以有必要進行專題學習.在備考復習時不能盲目追求一步到位，需要根據學生的實際情況，運用思維可視化有針對性地設計教學，循序漸進.本節課主要是針對串聯電路中，滑動變阻器的滑片移動型的動態進行專題復習.應用思維可視化突破難點，展示模型建構、思維與推理過程，有助于學生更好地理解此類問題的思維流程和基本分析方法.

2.學習目標

物理觀念——理解串聯電路特點，掌握歐姆定律.

物理觀念應用——運用物理概念和規律解決問題，例如：滑片P移動方向分析錯誤，導致全盤分析出錯，以及分析同類電表示數的和或差、不同類電表示數的乘積或比值時，不能熟練應用控制變量法，進行邏輯推理.

科學思維——理解基本物理科學方法——控制變量法、演繹推理法、歸納法，即對一系列練習進行總結，先用演繹推理法經歷電路動態分析過程，后用歸納法來建構此類問題的可視化思維模型.

科學探究——經歷串聯電路動態分析（電路結構不變，改變滑動變阻器連入電路中的電阻值）過程，認識這類問題的基本解題思路，感受邏輯推理的科學方法.

科學態度與責任——通過對串聯電路的動態變化后多個同類表或者異類表的示數之間的代數運算關系的分析與練習，增強復習迎考的自信心.

3.情景引入

教師給學生展示家庭中可調亮暗臺燈的電路（一個小燈與一個滑動變阻器串聯的電路），閉合電鍵，移動滑動變阻器的滑片P，在移動滑片P的過程中讓學生觀察小燈的亮暗變化.并思考為什么會發生變化？還有哪些電學量也會隨之發生變化？怎么變化？

現象：滑片P向左移動時，小燈變亮;滑片P向右移動時，小燈變暗.

師問：小燈亮暗為什么會發生變化？

生答：滑動變阻器接入電路的電阻發生了變化.

師問：在電阻發生變化的同時，還有哪些電學量也隨之發生變化？

生答：通過小燈的電流，小燈兩端的電壓以及滑動變阻器兩端的電壓.

師問：它們是如何變化的呢？

設計意圖：從學生身邊觸手可及的可變亮暗臺燈引入新課，讓學生對動態電路建立初步的概念.應用問題菜單，向學生展示動態電路的一般分析步驟.體現了思維可視化從問題出發，學習路徑隨著問題的解決逐步推進的特點.有助于學生初步建構動態電路模型.

4.教學過程

【例1】在如圖2所示電路中，電源電壓保持不變.閉合電鍵S，當滑動變阻器的滑片P向右移動時，試回答以下問題.試分析下列各電表示數的變化情況（均選填“變小”、“不變”或“變大”）

（1）電流表A的示數_________;

（2）電壓表V1的示數__________;

（3）電壓表V2的示數_________;

（4）電壓表V的示數__________.

問題菜單設計：

師問：電路中電流表可以等效為什么？電壓表可以等效為什么？

生答：電流表可以等效為導線，電壓表可以等效為斷路.

師問：電表等效后，R1和R2是如何連接的？

生答：R1和R2是串聯的.

師問：如圖2所示電路中滑動變阻器R2滑片P的哪邊電阻線接入電路？

生答：滑片P的左邊電阻線接入電路.

師問：電流表A測量通過哪個電路元件的電流？

生答：電流表A測量通過整個串聯電路的電流.

師問：電壓表V1測量哪個電路元件兩端的電壓？

生答：電壓表V1測量R1兩端的電壓.

師問：電壓表V2測量哪個電路元件兩端的電壓？

生答：電壓表V2測量R2兩端的電壓.

師問：電壓表V測量哪個電路元件兩端的電壓？

生答：電壓表V測量電源電壓.

設計意圖： 運用問題菜單解決動態電路分析中的電路識別問題.讓學生初步學會識別含有電表和滑動變阻器電路的基本流程.將電路識別的思維過程形象的展現在學生面前，體現了思維可視化在展示思維流程上的優勢.

師問：根據題意，滑動變阻器R2的滑片P向哪個方向滑動？

生答：根據題意，滑片P向右滑動.

師問：當滑片P滑動時，根據圖3中接入電路的電阻線長度的變化，判斷R2的電阻值如何變化？

生答：R2的電阻值變大.

設計意圖： 運用問題菜單和圖形分析解決動態電路分析中的電阻值變化分析的問題.比照圖3學生可以把抽象的滑片P滑動引起的接入電路的電阻值變化轉化為圖3所示的黑色長方形的長度變化.進而降低學生理解上的困難.體現了思維可視化促進學生科學推理的作用.

師問：此時可以判斷電路中通過導體的電流變化嗎？

生答：可以.

師問：你的依據是什么？

生答：根據串聯電路電阻特點，歐姆定律 I=U/R.

師問：如何判斷？

生答：此時R2阻值變大，R1阻值不變，根據串聯電路電阻特點R=R1+R2，可知電路總電阻變大.再根據歐姆定律，當導體兩端電壓一定時，通過的導體的電流與導體本身電阻成反比.即總電阻變大，所以可以判斷通過導體的電流是變小的.

師：我們還可以用圖形分析法來判斷電流的變化情況.因為電路中的三個電學量電壓U，電流I，電阻R滿足U=IR，這與長方形面積計算式S=ab（其中S為長方形面積，a，b分別為長方形的長和寬）.我們可以把S對應U，I對應a，R對應b，就可以得到如圖4三個電學量的圖形關系.很明顯當U不變（即長方形面積S不變）時，R變大（即b變大）了，I（即a）就會變小.

師問：此時能否判斷電路中電壓的變化？

生答：能判斷.

師問：依據是什么？

生答：根據串聯分壓關系U1/U2=R1/R2，串聯電路電壓特點.

師問：如何判斷？

生答：此時R2阻值變大，根據串聯分壓關系U1/U2=R1/R2，所以滑動變阻器R2兩端電壓U2變大（即電壓表V2示數變大），再根據串聯電路電壓特點U=U1+U2，當電源電壓U一定（即電壓表V示數不變）時，U2變大，可判斷定值電阻R1兩端電壓U1變小（即電壓表V1示數變小）.

師：我們還可以用圖形分析法來判斷電壓表V1和V2的變化情況.由于電路中電源電壓U不變，根據串聯電路電壓特點，可以用如圖5所示來表示串聯電路中電壓關系.其中長方形的總長度表示電源電壓U，陰影部分的長度表示滑動變阻器兩端電壓U2，空白部分的長度表示定值電阻兩端電壓U1.從圖形上可以看出當U不變時，U2變大，U1就變小..

設計意圖： 運用問題菜單和圖形分析解決動態電路分析中的電流和電壓變化分析的問題，從而得到單一電表變化情況.比照圖4把抽象U、I、R三個電學量的變化轉化為長方形面積問題;圖5把串聯電路電壓特點轉化為幾何圖形長度的關系，降低學生理解門檻的同時，讓學生對歐姆定律和抽象的串聯電路電壓特點有了新的理解，為電路動態分析的推理過程掃清了理解上的障礙.體現了思維可視化促進學生科學推理的作用.

分析流程： 單一電表示數變化判斷問題

設計意圖： 運用思維導圖，讓學生歸納概括出串聯電路動態分析中單一電表示數變化情況的推理過程.將可視化思維應用于科學推理過程，是對之前問題菜單的一個高度概括和總結，體現了可視化思維在培養學生高階思維的作用.

【例2】 在圖2電路中，試分析下列各電表示數四則運算后的變化情況（均選填“變小”、“不變”或“變大”）

（1）電壓表V1與電壓表V2示數之和將_________;

（2）電壓表V與電壓表V1示數之差將_________;

（3）電壓表V1與電流表A示數的乘積將_________;

（4）電壓表V與電流表A示數的乘積將_________;

（5）電壓表V1與電壓表V2示數的比值將_________;

（6）電壓表V與電壓表V1示數的比值將_________;

（7）電壓表V與電壓表V2示數的比值將_________;

（8）電壓表V1與電流表A示數的比值將_________;

（9）電壓表V2與電流表A示數的比值將_________;

（10）電壓表V與電流表A示數的比值將_________;

問題菜單設計：

第（1）小題

師問：電壓表V1與電壓表V2分別測量哪個用電器兩端電壓？

生答：電壓表V1測量定值電阻R1兩端電壓，電壓表V2測量滑動變阻器R2兩端電壓.

師問：電壓表V1與電壓表V2示數之和應該是什么電壓？依據是什么？

生答：電源電壓.根據串聯電路電壓特點.

師問：它應該如何變化？

生答：不變.

可以根據圖5所示表示出串聯電路電壓特點，然后對電壓表之間示數的和或差進行分析推理.第（2）小題解法相同.

設計意圖： 運用問題菜單和圖形分析解決動態電路分析中的串聯電路電壓表之間示數的和或差分析的問題，以單一電表變化情況為判斷基礎，結合串聯電路電壓特點.比照圖5把串聯電路電壓特點轉化為幾何圖形長度的關系，將思維可視化運用于科學推理的過程中，降低學生的理解難度.

第（3）小題

師問：電壓表V1與電流表A的示數分別如何改變？

生答：電壓表V1的示數變小，電流表A的示數變小.