初中物理可視化實驗課堂的建設路徑

可視化教學作為一種直觀、高效的教學方法，逐漸受到教育工作者的青睞。“電流和電路”這一章節涉及電流的形成、電路的基本組成、串并聯電路的特點等多個抽象概念，對于初學者來說理解起來較為困難。傳統的教學方法依賴于文字和靜態圖片，難以直觀地展示電流的動態過程和電路的工作原理。因此，教師有必要借助現代信息技術手段，構建初中物理可視化實驗課堂，以幫助學生更好地掌握這一章節的內容。

一、教材地位與教學內容

“電流與電路”是人教版初中物理九年級第十五章的內容，是學生之后學習電壓、電阻、電能等知識的基礎，也是現如今的熱門應用領域。通過學習這一章節，學生可以建立起對電流的理解，并且能夠了解電路中各個元件的作用和相互關系。通過本章節，學生將會學習到電流的定義，即單位時間內通過導體橫截面的電荷量，同時也會了解到電流的方向和大小與電荷的流動方向和數量有關。學生將會學習到電路中常見的元件，如導體、電器、電源和開關等，了解到這些元件在電路中的作用以及如何連接它們。學生將會學習到串聯電路和并聯電路的概念，了解到這兩種電路的連接方式及特點，以及在電路中的應用。學生還會學習到如何測量電路中的電流，如何使用電流表等內容。

二、可視化電流實驗設計

（一）實驗名稱

電流紅綠燈。

（二）實驗介紹

如圖1所示，L1、L2、L3分別為三個燈泡，K1、K2、K3分別為三個開關，A1、A2、A3分別為三個電流表，用于測量開關打開和閉合之后的電流變化。三個開關起到的作用不同，能夠對電路中的電流起到控制作用。當然，單純的燈泡亮與不亮不具備可視化效果，在三個開關附近放置三枚可變顏色的彩燈，顏色分別為紅、綠、黃，當開關閉合之后，如果有燈泡亮燈，則該開關附近的彩燈為綠色；如果出現短路則開關附近的彩燈為紅色；如果出現斷路則黃燈亮。彩燈由額外的電源控制，并且采用智能化的控制手段，不用人為操控，從而使電流可視化。

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圖1 電流紅綠燈實驗圖

（三）實驗目的

1.直觀理解電流在電路中的運行軌跡：通過實驗，學生可以觀察到電流在電路中的具體路徑和流動情況。

2.認識串聯和并聯的區別：通過實驗中串聯和并聯電路的設計，學生可以比較觀察到串聯和并聯電路中電流的變化情況。通過開關閉合，學生深入理解串聯電路中電流依次流過每個元件的特點，以及并聯電路中電流分流的特點，進而認識到串聯和并聯在電路連接方式上的區別。

3.深刻理解短路、斷路和通路的概念：在實驗中，學生通過開關閉合觀察并記錄電流的變化情況。當電路中存在短路或斷路時，學生可以觀察到電流的變化情況，從而深刻理解短路、斷路和通路的概念，以及它們對電流流動的影響。

4.掌握電流表測量電流的使用技巧：用電流表測電流是本章學習的重點內容。通過實際操作，學生能夠學會正確連接電流表的方法，并且掌握讀取電流表示數的技巧。

（四）實驗步驟

1.準備實驗道具，連接電路圖

實驗道具包括7號電池兩節、電線5米、燈泡3個、開關3個、小型電流表3個以及智能化彩燈系統1套。學生按照圖1將電源、燈泡、開關、電流表依次連接，連接完成后進行簡單測試，以防止連接錯誤。

2.實驗猜想

實驗猜想是對實驗結果的預測或期望，是在進行實驗之前所做的推測。從科研角度來看，實驗猜想在科學探索中起著推動作用，它促使研究者提出問題、尋求答案，并根據實驗結果進一步調整和改進猜想，通過反復提出猜想、設計實驗、觀察結果和修改猜想的過程，促進科學研究逐步深入。在本實驗中，實驗猜想可以指導實驗設計的過程，提供了對實驗中自變量（開關）和因變量（燈泡、電流表）之間關系的初步認識。實驗猜想有助于設定實驗的目標和預期結果，明確教師希望學生在實驗中觀察到的現象，并提供實驗結果的基準來評估實驗的成功與否。通過將實驗觀察結果與學生猜想進行比較，教師可以評估學生在實驗中的收獲。如果實驗結果與學生猜想相符，說明學生對電流電路知識的理解基本正確。如果實驗結果與猜想不符，教師可以糾正學生的認知，幫助學生對電路電流知識進行梳理。

教師：現在我們已經將電路圖連接完成，請大家猜想，如果將K1閉合，K2、K3分別是打開狀態，會出現什么現象？

學生：如果只將K1閉合，其他兩個開關呈打開狀態，那么電流將無法完成由正極至負極的流通，那么整個電路將處于斷路狀態，3個燈泡均不亮，3個電流表均為零，3個彩燈均為紅色。

教師：如果單獨將K2閉合呢，會出現什么現象？

學生：如果K2閉合，那么K1和K3所處的區域為斷路狀態，與上述現象相同，L2燈泡正常發光，電流表會有數值，彩燈為綠色燈亮。

教師：如果僅K3閉合呢，會出現什么現象？

學生：如果僅K3閉合，那么L2燈泡不亮，且電流表A1和A2為零，但是L1和L3可以正常照明，且電流表A3會有數值。這說明，L1和L3為串聯，與L2為并聯關系。

教師：如果K1和K2閉合，K3打開呢？會出現什么現象？

學生：此時電流將會從正極跳過所有燈泡直接進入負極，會出現短路現象，3個燈泡均不亮，電流表A1和A2數值很高。

教師：很好，接下來我們通過實驗來驗證猜想。

3.實驗操作與記錄

實驗操作提供了學生將理論知識轉化為實際操作的機會。通過親自進行實驗，學生可以更好地理解電流和電路知識中的理論概念。實踐操作能幫助學生將抽象的電流理論轉化為燈泡明亮、電流表是否有數值以及彩燈顏色的具體現象，從而加深學生對知識的掌握程度。通過實驗操作，學生能夠學習并掌握電流表的使用方法，培養實驗技能和操作技巧。這對于從事科學研究和工程實踐的學生來說至關重要。同時，實驗記錄是將實驗過程和結果詳細記錄下來的過程。通過記錄實驗數據，學生可以對實驗結果進行分析，驗證實驗猜想。實驗記錄還能幫助學生檢驗實驗結果的準確性和重復性，并為日后的實驗設計和改進提供依據。實驗記錄還為學生提供了反思實驗的機會。通過回顧實驗記錄，學生要思考實驗中遇到的問題和挑戰，并從中總結經驗。這種反思有助于學生更好地理解實驗原理，提高實驗設計和執行的能力，并對科學研究方法有更深入的理解。

教師：首先閉合開關K1，觀察并記錄實驗現象；然后閉合開關K2記錄實驗現象，以此類推。

學生：通過實驗操作發現實驗現象與實驗猜想一致，實驗數據如表1所示。

表1 實驗數據記錄

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教師：很好，表1記錄了不同開關在閉合情況下燈泡、電流表以及彩燈的情況，當沒有電流通過時彩燈呈現黃色，當正常電流通過時彩燈呈現綠色，當出現短路時彩燈呈現紅色，直觀地展示了電流在電路中的各種狀態。同時，細心的學生可以發現，表1當中出現了相同的數據，如K1和K2閉合與K1、K2、K3閉合的結果是一樣的，這說明了什么？

學生：這說明發生短路之后，K3開關是否閉合都不影響電流通過，同時也說明了二者屬于并聯關系。

4.實驗結果

本次可視化電路和電流實驗，基本上達到了預期效果，提升了學生對電流和電路知識的理解。具體來說，通過本實驗，學生理解了在閉合電路中，電流的方向是由正極（電流的源頭或電池的正極）流向負極（電流的終點或電池的負極）。電流的方向與電子流動的方向相反，因為電流是正電荷的流動方向，并且只有完成正極和負極的閉環才會產生電流。電流的大小與電源電量有關，一節電池與兩節電池產生的電流不同，同時也與用電器有關，當發生短路時電流會明顯增大。在實驗中，學生了解了并聯電路和串聯電路的電流分布情況。在并聯電路中，電流在分支電路中分流，分流的電流之和等于總電流。而在串聯電路中，電流在各個用電器之間保持不變，總電流等于電路中各個電阻上的電流之和。學生掌握了電流表（也稱為安培表）測量電路中電流的方法。電流表的連接方式與電路中電流的方向一致。在實驗中，我們將電流表連接在電路中的特定位置，以測量通過該位置的電流。

5.實驗評價

結合實驗目標發現，本次實驗設計基本上達成了實驗目標。在實驗過程中，教師采用可視化的實驗方法，包括電路示教板、電流表、導線、燈泡、彩燈等，通過搭建電路來展示電流。學生親自動手操作、觀察并記錄實驗現象、分析數據，從而加深對電流和電路知識的理解。從實驗效果來看，學生清晰地觀察到了電流在閉合電路中的流動路徑，這一概念變得更加直觀和易于理解。通過分析實驗數據，學生發現串聯電路中電流只有一條路徑，而并聯電路中電流有多條路徑，此外，還觀察到串聯電路中元件的工作狀態相互影響，而并聯電路中元件的工作狀態相對獨立。這些發現可以幫助學生深刻理解了串聯和并聯電路的本質區別。通過不同開關閉合操作，學生親身體驗了短路時電流過大可能導致的危害，斷路時電路無電流通過的現象，以及通路時電路正常工作的狀態，這些實踐經驗加深了學生對這些概念的理解。

三、實驗反思與改進

在過去的初中物理電路和電流實驗教學主要依賴傳統的實驗器材和教學方法。雖然學生能夠通過親手操作實驗器材來加深對電路和電流的理解，但不夠形象具體。本次實驗采用了彩燈來具象化展示電流路徑，具備了形象化的特征，但是還有改進的空間，接下來應當引入更多智能化設備，如數字萬用表、示波器等，為學生提供更精確、更直觀的電流測量數據。這些設備不僅能夠實時顯示電流和電壓的數值，還能通過圖形或動畫的形式展示電流的變化過程，從而幫助學生更好地理解電流的概念和性質。

為了幫助學生更好地應對現實生活中的電路問題，在實驗教學中，教師應當逐步引入更為復雜的電路情況，如設計包含多個用電設備元件的電路實驗，讓學生親自動手搭建并測量其電流分布，同時，引導學生通過小組討論和合作的方式來解決這些復雜電路問題。在討論和合作的過程中，學生相互學習、相互啟發，共同找出解決問題的最佳方案，不僅能提升電路分析能力，還能培養團隊合作和溝通能力。

（作者單位：宕昌縣南陽中學）

編輯：李琴芳

作者簡介：康愛霞（1993—），女，漢族，甘肅宕昌人，本科，中小學一級教師，研究方向：物理教學。