數(shù)字媒體助力物理實驗落實核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

江西省南昌市第十九中學(330002) 高 靜

2017版的《普通高中物理課程標準》提出物理學科核心素養(yǎng)由“物理觀念”“科學探究”“科學思維”“科學態(tài)度與責任”構成。物理實驗可以為學生的學習活動創(chuàng)設生動的物理學習情景，學生借助于實驗情景所提供的信息去發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題，促進對知識的掌握。實驗過程不可能總是一帆風順的，學生在經(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、嚴謹認真、實事求是和持之以恒的良好習慣。實驗中還存在著豐富的辯證唯物主義等教育素材，對學生形成正確的科學觀起著促進作用。

由于課堂教學時間和空間以及人的感受器官等因素的限制，傳統(tǒng)的物理實驗有時不能有效完成教學任務，此時可以發(fā)揮數(shù)字媒體的優(yōu)勢和潛能，彌補學生直觀感知的不足，減小其抽象思維的難度。利用數(shù)字媒體突破傳統(tǒng)實驗教學的難點主要表現(xiàn)在以下幾點。第一，運用數(shù)字媒體記錄實驗過程中的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，可以突破由于實驗現(xiàn)象變化快、過程難以捕捉導致不利于觀察分析的難點，還可以及時取得傳統(tǒng)實驗中需要的數(shù)據(jù)使學生全程觀察數(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，運用數(shù)字媒體模擬不可能或不適宜在課堂內(nèi)進行的實驗過程，使抽象的知識以形象具體的動畫形式呈現(xiàn)給學生。有利于學生在頭腦中建構立體形象，加深學生對相關知識的理解。第三，運用數(shù)字媒體使傳統(tǒng)實驗中不明顯的實驗現(xiàn)象變的明顯，滿足教學的要求。第四，運用數(shù)字媒體輔助建立物理模型。運用數(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)助學生化抽象為具體，逐步建立物理模型，最大限度地發(fā)揮學生的創(chuàng)造力和想象力。

下面，以滬粵版9年級物理上冊“怎樣認識和測量電流”為例闡述如何讓數(shù)字媒體助力物理實驗并落實核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1 教材分析

電流是初中電學的基本概念，是電學中三個基本物理量之一，電流表是最基本的實驗儀器，正確使用電流表是學生必須要學會的基本實驗技能。本節(jié)知識也是今后學習歐姆定律、電阻、電功率等概念的重要基礎，為形成電場能、電磁能等能量觀念做好鋪墊。對微觀電子的運動及其所形成的宏觀現(xiàn)象(電流)的探索和認識是學生初步形成物質(zhì)觀、運動與相互作用觀等物理觀念的重要基礎。

2 學情分析

學生學習本節(jié)內(nèi)容時通常會遭遇三個困惑，一是大量的自由電荷怎樣從無規(guī)則運動變成定向移動形成電流的；二是電流具有方向性；三是金屬導體中自由電子定向移動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，為突破這一難點利用數(shù)字媒體模擬電荷的移動輔助真實的物理實驗，通過類比和建模的科學思維，幫助學生理解并構建電流概念。

3 教學目標

物理知識：知道電荷的定向移動形成電流，知道電流方向的規(guī)定。

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

科學探究：通過閱讀說明書，獲取有關電流表的信息；通過實驗操作，學會用電流表測量電流。

科學態(tài)度與責任：通過對常用電器額定電流及人體安全電流的了解，理解電流的實際意義，感受電流與人類的生活息息相關，在實驗操作中，養(yǎng)成規(guī)范的實驗習慣。

4 教學策略

一是通過實驗感知微觀世界電荷運動與電流之間關系，從物質(zhì)結構和物質(zhì)的運動微觀角度感知電流形成的原因和電流方向的規(guī)定；二是應用數(shù)字媒體模擬電荷的運動解釋實驗所呈現(xiàn)的與電流有關的宏觀現(xiàn)象，幫助學生在對微觀和宏觀現(xiàn)象的分析過程中，應用物質(zhì)觀觀念、運動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；三是引導學生自學電流表的使用方法。

5 教學過程

5.1 電荷的轉移

演示實驗：用細線把一束餐巾紙條和一束錫箔紙條分別放在感應起電機的兩根放電桿上鐵球的一側，放電桿上的鐵球沒有帶電時，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，餐巾紙條緊貼鐵球、錫箔紙條偏離鐵球(見圖1)。

圖1 實驗情景

問題思考：為什么放電桿上的鐵球帶電時，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。)電荷從鐵球上轉移到錫箔紙上的過程中會不會產(chǎn)生我們無法直接感知的現(xiàn)象？

數(shù)字媒體的應用：播放視頻：介紹原子核式結構、摩擦起電的實質(zhì)(見圖2)。

圖2 摩擦起電的實質(zhì)

設計目的與核心素養(yǎng)體現(xiàn)點：實驗創(chuàng)設問題情景，數(shù)字媒體引導學生從原子結構、電荷運動的角度開啟電流產(chǎn)生原因的探究之旅，初步學習應用物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念，解決實際問題。

5.2 電荷定向運動形成電流

演示實驗步驟：利用感應起電機使自制萊頓瓶儲存一定電荷，用導線把氖泡和驗電器相連，再用導線把自制萊頓瓶和氖管相連。

實驗現(xiàn)象：氖管發(fā)光，驗電器的指針偏轉(見圖3)。

圖3 電流形成的原因：電荷的定向移動

問題思考：驗電器的指針偏轉說明什么？氖泡發(fā)光與電荷移動之間有怎樣的聯(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)字媒體的應用：

(1)用手機錄制實驗現(xiàn)象，并同時使用希沃傳屏技術把手機錄制的實驗現(xiàn)象同步到電子白板教學一體機上。

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

圖4 電流形成的原因

設計目的與核心素養(yǎng)體現(xiàn)點：

(1)課堂上演示該實驗是為了確保實驗的真實性，整個實驗過程中，學生除了要觀察氖泡的發(fā)光情況，還要觀察驗電器的指針是否偏轉，加之氖泡的光強很弱且通電時間極短，實驗現(xiàn)象一閃即逝，使用希沃傳屏技術可以放大實驗現(xiàn)象，提高實驗的可視度，同時錄制實驗視頻，便于重現(xiàn)實驗現(xiàn)象，以便學生既能清楚看見氖泡發(fā)光，也能看清驗電器的指針偏轉。

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

5.3 電荷定向移動與電流的方向

學生實驗：學生嘗試讓發(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怎樣？

數(shù)字媒體的應用：用Flash介紹二極管的工作原理。

設計目的與核心素養(yǎng)體現(xiàn)點：讓學生在科學探究的過程中，借助二極管的特性明確電流方向的規(guī)定性，感受對比、歸納等認知事物的科學思維方法。

5.4 電荷定向移動與電流的大小

學生實驗：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)字媒體的應用：動畫模擬電流大小不同的原因(見圖5)。

圖5 電流的大小

設計目的與核心素養(yǎng)體現(xiàn)點：動畫模擬電流大小形成的原因，讓學生直觀、形象的感知到單位時間里通過橫截面的電荷量的大小不同。從物質(zhì)的結構和運動與相互作用的角度認識電流的實質(zhì)，建構電流形成原因的模型，為后面電學相關知識的學習奠定基礎。

5.5 電流表測量電流的大小

學生實驗：學生通過閱讀電流表的使用說明書，嘗試用電流表測量一個小燈泡的電流。

數(shù)字媒體的應用：手機拍攝使用電流表過程中所犯的錯誤；使用希沃傳屏把照片傳到電子白板教學一體機上。

設計目的與核心素養(yǎng)體現(xiàn)點：數(shù)字媒體助力物理實驗、提供電流表使用的案例，讓學生判斷連接是否正確，并引導學生歸納正確使用電流表的方法。培養(yǎng)學生自主閱讀、善于觀察、勤于思考、合作探究和表達交流等學習習慣。學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，為后面相關知識的學習做好鋪墊。

6 結束語

本文的案例是應用數(shù)字媒體助力物理實驗幫助學生建構物理概念，還可以應用數(shù)字媒體助力物理實驗幫助學生探尋物理規(guī)律、利用數(shù)字媒體將家庭實驗引入物理教學，促進學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的落實。