江勇

摘要：通過(guò)對(duì)思維過(guò)程可視化概念、模式、應(yīng)用的介紹，結(jié)合初中物理電學(xué)教學(xué)中電路動(dòng)態(tài)分析的教學(xué)實(shí)例，采用實(shí)驗(yàn)研究和定量分析法，變傳統(tǒng)的知識(shí)可視化為思維過(guò)程的可視化，將思維可視化應(yīng)用于初中物理電學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)突破之上，有效幫助學(xué)生借助可視化思維模式理解電路動(dòng)態(tài)分析方法，幫助教師即時(shí)獲得可靠的教學(xué)評(píng)價(jià)依據(jù).

關(guān)鍵詞：思維可視化;初中物理;電路動(dòng)態(tài)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(jiàn)的思維路徑、結(jié)構(gòu)、方法及策略呈現(xiàn)出來(lái)，使其清晰可見(jiàn)的過(guò)程.通俗地講就是把大腦中的思維“畫”出來(lái)的過(guò)程.其主要模式：⑴ 思維導(dǎo)圖是一種將放射性思考具體化的方法，是最簡(jiǎn)單又最有效的思維整理方式，也是世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣的思維工具.⑵ 問(wèn)題菜單是具有一定梯度的問(wèn)題組合，通過(guò)教師提問(wèn)，學(xué)生回答的形式循序漸進(jìn)達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的一種常見(jiàn)的思維可視化教學(xué)模式.⑶ 圖形分析是運(yùn)用直觀的平面幾何圖形，將抽象的數(shù)學(xué)運(yùn)算關(guān)系形象化展示的一種可視化教學(xué)模式.

動(dòng)態(tài)電路是通過(guò)滑動(dòng)變阻器的滑片移動(dòng)，或電鍵的斷開(kāi)與閉合，或電路元件發(fā)生（短路或斷路）故障時(shí)，引起電路中電阻發(fā)生變化，從而引起電流、電壓等發(fā)生相應(yīng)變化，以及引起相應(yīng)電表示數(shù)發(fā)生變化的電路，分析這類因果關(guān)系的問(wèn)題一般稱為動(dòng)態(tài)電路分析.目前，上海中考只要求掌握含有兩個(gè)導(dǎo)體的電路，涉及電路的連接方式、串聯(lián)或并聯(lián)電路特點(diǎn)、歐姆定律、滑動(dòng)變阻器使用等知識(shí)，以及相應(yīng)的科學(xué)方法、科學(xué)思維等，分析這類問(wèn)題時(shí)，對(duì)學(xué)生的綜合能力和相關(guān)素養(yǎng)要求很高，是近年來(lái)物理中考中熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一.

將思維可視化應(yīng)用于“電路動(dòng)態(tài)分析”教學(xué)中能體現(xiàn)科學(xué)思維能力的建構(gòu)，幫助學(xué)生建立動(dòng)態(tài)電路模型，掌握科學(xué)推理方法，從定性角度理解電路動(dòng)態(tài)分析，總結(jié)歸納出此類問(wèn)題的基本處理思路和方法.

一、“電路動(dòng)態(tài)分析”教學(xué)設(shè)計(jì)案例

1.學(xué)情分析

學(xué)生在之前的學(xué)習(xí)中，對(duì)此類問(wèn)題已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)，但尚未達(dá)到中考的能力要求，所以有必要進(jìn)行專題學(xué)習(xí).在備考復(fù)習(xí)時(shí)不能盲目追求一步到位，需要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，運(yùn)用思維可視化有針對(duì)性地設(shè)計(jì)教學(xué)，循序漸進(jìn).本節(jié)課主要是針對(duì)串聯(lián)電路中，滑動(dòng)變阻器的滑片移動(dòng)型的動(dòng)態(tài)進(jìn)行專題復(fù)習(xí).應(yīng)用思維可視化突破難點(diǎn)，展示模型建構(gòu)、思維與推理過(guò)程，有助于學(xué)生更好地理解此類問(wèn)題的思維流程和基本分析方法.

2.學(xué)習(xí)目標(biāo)

物理觀念——理解串聯(lián)電路特點(diǎn)，掌握歐姆定律.

物理觀念應(yīng)用——運(yùn)用物理概念和規(guī)律解決問(wèn)題，例如：滑片P移動(dòng)方向分析錯(cuò)誤，導(dǎo)致全盤分析出錯(cuò)，以及分析同類電表示數(shù)的和或差、不同類電表示數(shù)的乘積或比值時(shí)，不能熟練應(yīng)用控制變量法，進(jìn)行邏輯推理.

科學(xué)思維——理解基本物理科學(xué)方法——控制變量法、演繹推理法、歸納法，即對(duì)一系列練習(xí)進(jìn)行總結(jié)，先用演繹推理法經(jīng)歷電路動(dòng)態(tài)分析過(guò)程，后用歸納法來(lái)建構(gòu)此類問(wèn)題的可視化思維模型.

科學(xué)探究——經(jīng)歷串聯(lián)電路動(dòng)態(tài)分析（電路結(jié)構(gòu)不變，改變滑動(dòng)變阻器連入電路中的電阻值）過(guò)程，認(rèn)識(shí)這類問(wèn)題的基本解題思路，感受邏輯推理的科學(xué)方法.

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任——通過(guò)對(duì)串聯(lián)電路的動(dòng)態(tài)變化后多個(gè)同類表或者異類表的示數(shù)之間的代數(shù)運(yùn)算關(guān)系的分析與練習(xí)，增強(qiáng)復(fù)習(xí)迎考的自信心.

3.情景引入

教師給學(xué)生展示家庭中可調(diào)亮暗臺(tái)燈的電路（一個(gè)小燈與一個(gè)滑動(dòng)變阻器串聯(lián)的電路），閉合電鍵，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片P，在移動(dòng)滑片P的過(guò)程中讓學(xué)生觀察小燈的亮暗變化.并思考為什么會(huì)發(fā)生變化？還有哪些電學(xué)量也會(huì)隨之發(fā)生變化？怎么變化？

現(xiàn)象：滑片P向左移動(dòng)時(shí)，小燈變亮;滑片P向右移動(dòng)時(shí)，小燈變暗.

師問(wèn)：小燈亮暗為什么會(huì)發(fā)生變化？

生答：滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻發(fā)生了變化.

師問(wèn)：在電阻發(fā)生變化的同時(shí)，還有哪些電學(xué)量也隨之發(fā)生變化？

生答：通過(guò)小燈的電流，小燈兩端的電壓以及滑動(dòng)變阻器兩端的電壓.

師問(wèn)：它們是如何變化的呢？

設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生身邊觸手可及的可變亮暗臺(tái)燈引入新課，讓學(xué)生對(duì)動(dòng)態(tài)電路建立初步的概念.應(yīng)用問(wèn)題菜單，向?qū)W生展示動(dòng)態(tài)電路的一般分析步驟.體現(xiàn)了思維可視化從問(wèn)題出發(fā)，學(xué)習(xí)路徑隨著問(wèn)題的解決逐步推進(jìn)的特點(diǎn).有助于學(xué)生初步建構(gòu)動(dòng)態(tài)電路模型.

4.教學(xué)過(guò)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(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片P向右移動(dòng)時(shí)，試回答以下問(wèn)題.試分析下列各電表示數(shù)的變化情況（均選填“變小”、“不變”或“變大”）

（1）電流表A的示數(shù)_________;

（2）電壓表V1的示數(shù)__________;

（3）電壓表V2的示數(shù)_________;

（4）電壓表V的示數(shù)__________.

問(wèn)題菜單設(shè)計(jì)：

師問(wèn)：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(dǎo)線，電壓表可以等效為斷路.

師問(wèn)：電表等效后，R1和R2是如何連接的？

生答：R1和R2是串聯(lián)的.

師問(wèn)：如圖2所示電路中滑動(dòng)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(wèn)：電流表A測(cè)量通過(guò)哪個(gè)電路元件的電流？

生答：電流表A測(cè)量通過(guò)整個(gè)串聯(lián)電路的電流.

師問(wèn)：電壓表V1測(cè)量哪個(gè)電路元件兩端的電壓？

生答：電壓表V1測(cè)量R1兩端的電壓.

師問(wèn)：電壓表V2測(cè)量哪個(gè)電路元件兩端的電壓？

生答：電壓表V2測(cè)量R2兩端的電壓.

師問(wèn)：電壓表V測(cè)量哪個(gè)電路元件兩端的電壓？

生答：電壓表V測(cè)量電源電壓.

設(shè)計(jì)意圖： 運(yùn)用問(wèn)題菜單解決動(dòng)態(tài)電路分析中的電路識(shí)別問(wèn)題.讓學(xué)生初步學(xué)會(huì)識(shí)別含有電表和滑動(dòng)變阻器電路的基本流程.將電路識(shí)別的思維過(guò)程形象的展現(xiàn)在學(xué)生面前，體現(xiàn)了思維可視化在展示思維流程上的優(yōu)勢(shì).

師問(wèn)：根據(jù)題意，滑動(dòng)變阻器R2的滑片P向哪個(gè)方向滑動(dòng)？

生答：根據(jù)題意，滑片P向右滑動(dòng).

師問(wèn)：當(dāng)滑片P滑動(dòng)時(shí)，根據(jù)圖3中接入電路的電阻線長(zhǎng)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(shè)計(jì)意圖： 運(yùn)用問(wèn)題菜單和圖形分析解決動(dòng)態(tài)電路分析中的電阻值變化分析的問(wèn)題.比照?qǐng)D3學(xué)生可以把抽象的滑片P滑動(dòng)引起的接入電路的電阻值變化轉(zhuǎn)化為圖3所示的黑色長(zhǎng)方形的長(zhǎng)度變化.進(jìn)而降低學(xué)生理解上的困難.體現(xiàn)了思維可視化促進(jìn)學(xué)生科學(xué)推理的作用.

師問(wèn)：此時(shí)可以判斷電路中通過(guò)導(dǎo)體的電流變化嗎？

生答：可以.

師問(wèn)：你的依據(jù)是什么？

生答：根據(jù)串聯(lián)電路電阻特點(diǎn)，歐姆定律 I=U/R.

師問(wèn)：如何判斷？

生答：此時(shí)R2阻值變大，R1阻值不變，根據(jù)串聯(lián)電路電阻特點(diǎn)R=R1+R2，可知電路總電阻變大.再根據(jù)歐姆定律，當(dāng)導(dǎo)體兩端電壓一定時(shí)，通過(guò)的導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體本身電阻成反比.即總電阻變大，所以可以判斷通過(guò)導(dǎo)體的電流是變小的.

師：我們還可以用圖形分析法來(lái)判斷電流的變化情況.因?yàn)殡娐分械娜齻€(gè)電學(xué)量電壓U，電流I，電阻R滿足U=IR，這與長(zhǎng)方形面積計(jì)算式S=ab（其中S為長(zhǎng)方形面積，a，b分別為長(zhǎng)方形的長(zhǎng)和寬）.我們可以把S對(duì)應(yīng)U，I對(duì)應(yīng)a，R對(duì)應(yīng)b，就可以得到如圖4三個(gè)電學(xué)量的圖形關(guān)系.很明顯當(dāng)U不變（即長(zhǎng)方形面積S不變）時(shí)，R變大（即b變大）了，I（即a）就會(huì)變小.

師問(wèn)：此時(shí)能否判斷電路中電壓的變化？

生答：能判斷.

師問(wèn)：依據(jù)是什么？

生答：根據(jù)串聯(lián)分壓關(guān)系U1/U2=R1/R2，串聯(lián)電路電壓特點(diǎn).

師問(wèn)：如何判斷？

生答：此時(shí)R2阻值變大，根據(jù)串聯(lián)分壓關(guān)系U1/U2=R1/R2，所以滑動(dòng)變阻器R2兩端電壓U2變大（即電壓表V2示數(shù)變大），再根據(jù)串聯(lián)電路電壓特點(diǎn)U=U1+U2，當(dāng)電源電壓U一定（即電壓表V示數(shù)不變）時(shí)，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(shù)變?。?

師：我們還可以用圖形分析法來(lái)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(jù)串聯(lián)電路電壓特點(diǎn)，可以用如圖5所示來(lái)表示串聯(lián)電路中電壓關(guān)系.其中長(zhǎng)方形的總長(zhǎng)度表示電源電壓U，陰影部分的長(zhǎng)度表示滑動(dòng)變阻器兩端電壓U2，空白部分的長(zhǎng)度表示定值電阻兩端電壓U1.從圖形上可以看出當(dāng)U不變時(shí)，U2變大，U1就變小..

設(shè)計(jì)意圖： 運(yùn)用問(wèn)題菜單和圖形分析解決動(dòng)態(tài)電路分析中的電流和電壓變化分析的問(wèn)題，從而得到單一電表變化情況.比照?qǐng)D4把抽象U、I、R三個(gè)電學(xué)量的變化轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)方形面積問(wèn)題;圖5把串聯(lián)電路電壓特點(diǎn)轉(zhuǎn)化為幾何圖形長(zhǎng)度的關(guān)系，降低學(xué)生理解門檻的同時(shí)，讓學(xué)生對(duì)歐姆定律和抽象的串聯(lián)電路電壓特點(diǎn)有了新的理解，為電路動(dòng)態(tài)分析的推理過(guò)程掃清了理解上的障礙.體現(xiàn)了思維可視化促進(jìn)學(xué)生科學(xué)推理的作用.

分析流程： 單一電表示數(shù)變化判斷問(wèn)題

設(shè)計(jì)意圖： 運(yùn)用思維導(dǎo)圖，讓學(xué)生歸納概括出串聯(lián)電路動(dòng)態(tài)分析中單一電表示數(shù)變化情況的推理過(guò)程.將可視化思維應(yīng)用于科學(xué)推理過(guò)程，是對(duì)之前問(wèn)題菜單的一個(gè)高度概括和總結(jié)，體現(xiàn)了可視化思維在培養(yǎng)學(xué)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(shù)四則運(yùn)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(shù)之和將_________;

（2）電壓表V與電壓表V1示數(shù)之差將_________;

（3）電壓表V1與電流表A示數(shù)的乘積將_________;

（4）電壓表V與電流表A示數(shù)的乘積將_________;

（5）電壓表V1與電壓表V2示數(shù)的比值將_________;

（6）電壓表V與電壓表V1示數(shù)的比值將_________;

（7）電壓表V與電壓表V2示數(shù)的比值將_________;

（8）電壓表V1與電流表A示數(shù)的比值將_________;

（9）電壓表V2與電流表A示數(shù)的比值將_________;

（10）電壓表V與電流表A示數(shù)的比值將_________;

問(wèn)題菜單設(shè)計(jì)：

第（1）小題

師問(wèn)：電壓表V1與電壓表V2分別測(cè)量哪個(gè)用電器兩端電壓？

生答：電壓表V1測(cè)量定值電阻R1兩端電壓，電壓表V2測(cè)量滑動(dòng)變阻器R2兩端電壓.

師問(wèn)：電壓表V1與電壓表V2示數(shù)之和應(yīng)該是什么電壓？依據(jù)是什么？

生答：電源電壓.根據(jù)串聯(lián)電路電壓特點(diǎn).

師問(wèn)：它應(yīng)該如何變化？

生答：不變.

可以根據(jù)圖5所示表示出串聯(lián)電路電壓特點(diǎn)，然后對(duì)電壓表之間示數(shù)的和或差進(jìn)行分析推理.第（2）小題解法相同.

設(shè)計(jì)意圖： 運(yùn)用問(wèn)題菜單和圖形分析解決動(dòng)態(tài)電路分析中的串聯(lián)電路電壓表之間示數(shù)的和或差分析的問(wèn)題，以單一電表變化情況為判斷基礎(chǔ)，結(jié)合串聯(lián)電路電壓特點(diǎn).比照?qǐng)D5把串聯(lián)電路電壓特點(diǎn)轉(zhuǎn)化為幾何圖形長(zhǎng)度的關(guān)系，將思維可視化運(yùn)用于科學(xué)推理的過(guò)程中，降低學(xué)生的理解難度.

第（3）小題

師問(wèn)：電壓表V1與電流表A的示數(shù)分別如何改變？

生答：電壓表V1的示數(shù)變小，電流表A的示數(shù)變小.