基于可视化物理教学突破物理思维障碍策略与实施——以“家庭电路和安全用电”教学为例

安徽省合肥市庐江县龙桥镇初级中学(231551) 刘信生 鲍康宏

1 问题的提出

所谓物理思维就是物理学中的科学思维，是具有意识的人脑对客观物理事物的本质属性、内部规律及物理事物间联系和相互关系的间接概括和能动反映。物理课堂教学中，学生经常是即学就会，即过就忘，动笔就错，究其原因有二：一是由于学生的思维受限。建构主义学习理论认为，知识无法通过传授获得，学生必须利用周围的资源进行内化而构建起来。学生在课堂学习的知识属于浅层研究。二是教学内容无法与学生的知识储备相匹配。在缺乏自身的情感投入和严密的思维历程情况下，无法让学习真正发生，在新知识的接受中经常出现“答案的生成过程”滞后于“答案的出现时刻”的被动学习。

以初中物理沪粤版“家庭电路与安全电路”章节教学为例，由于前面的学习都是在给定的完整电路图且直流电源两极标识明了，有完整、规范的电学定律进行推理、运算的模式下进行的。而家庭电路是交流电源，对于以形象思维为主抽象思维正在形成的初中学生而言，思维水平明显低于教材中的要求，如何设计一些可视化的教学内容，减轻学生的认知负荷，突破学生的思维障碍，就显得至关重要。笔者在教学中做了些具体的尝试，与同行分享。

2 思维可视化教学的具体内容

“思维可视化”策略在实施过程中，教师要根据不同的问题特征和学生已有的知识储备，立足于学生最近发展区，采用图文、符号、替代物、情景操作和思维地图等多种外化手段，有意识地引导学生记录分析过程，量化思维方法和思维路径等。

初中学生的背景知识、思维能力毕竟有限，一些抽象的概念、问题在理解上会存在短板，如果采用图文、符号的形式将其与已有的知识衔接起来，让思维在过渡中产生正迁移，可以降低思维的坡度，在同化和顺应中让学习真正发生。

2.1 零线与地线之间关系的图符显示

家庭电路中零线、地线分别是这样定义：零线跟大地相通，它跟地之间没有电压；有些家电所用三孔插座还加接一根地线，是直接与大地相通的导线。学生在看书时就产生疑惑：零线、地线都接地，为什么还区分？有必要吗？如果教师这样解释：①接地的位置不同，零线在电厂处接地，地线在用户家接地；②零线是输电线路的一部分，电流经电厂—火线—负载—零线回电厂，地线是与用电器的金属外壳和人体可触部位连接，使机壳与大地等电位，保护人体不触电。学生在课堂上感觉不甚明了。笔者在教学时先画出3种电线的电路结构图，再打比方零线、地线之间的关系：两者都是轿车上的轮胎，零线就是车下正在跑的某一轮胎，地线就是车背后的备胎，虽然它们所处的位置不一样，但是性能是相同的，一旦跑的轮胎有问题，车后的备胎能取而代之。

2.2 用测电笔辨别零火线的图符和思维导图显示

在学习如何用测电笔辨别零火线时，学生经常会发生卡壳现象：为什么要用手接触笔尾金属体？测电笔的氖管发光与否到底由什么决定？如何根据测电笔氖管的发光情况判断电路的故障到底在哪里？导致这一系列疑问的原因有二：①前面学习的直流电路知识存在干扰因素，家庭电路是交流电，电路图中没有电源的极性标志，无法弄清电路的回路；②不知道测电笔氖管发光的工作原理是火线—测电笔笔尖金属体—笔尾金属体—人体—大地构成一条电路通路。教学技巧的施展尤为重要，教师必须利用图符进行简单明了的阐释。

首先，将发电站(变电站)输送的交流电等效成“电源”，闭合家庭电路中的电流由“电源”—火线—负载(用电器)—零线—“电源”，对在正确使用下的测电笔和人体同样构成另一条独立的支路：“电源”—火线—测电笔—人体—地线—“电源”。笔者通过图符形式，直观的表征，感性的表达，收到了较好的教学效果，如图1所示。

由于测电笔、人体都是导体，当笔尖金属体接触火线，同时人手接触笔尾金属体，人和大地接通，只有这些节点处处相通，电流才使氖管发光。这时该电路两端是220 V的照明电压，我们知道人体的安全电压不超过36 V，这又是如何做到的。教师引导学生认真阅读教材，许多问题也就迎刃而解：①测电笔中的高电阻起限流作用;②人不要接触笔尖金属体，要接触笔尾金属体。改变了以前先介绍测电笔的结构和作用，再训练学生正确使用测电笔的传统学习顺序。

用测电笔检测电路故障问题也是学生学习的难点，教师可以抓住测电笔的笔尖是否直接或者间接与火线接触就可以判断氖管是否发光，采用思维导图显示出来(见图2)，再由逆向思维可以根据氖管的发光情况，反过来判断家庭电路的故障原因。只有让思维由零散走向结构、由抽象走向直观，才能让学生在思维探索中获得真知。

2.3 空气开关和漏电保护器的思维导图显示

空气开关的作用虽然是“信息浏览”的内容，在熔断器的教学中教师也想进行补充说明，可是学生看不懂其工作原理，还要打破砂锅问到底，笔者利用思维导图将断路器的内部关系和作用整体脉络显现出来(见图3)，厘清概念，理顺关系，减轻学生的学习负担。

2.4 有金属外壳的家用电器使用接地线的图符显示

为了避免触电，电器安装必须要符合国家规定的技术要求，例如带有金属外壳的家用电器要有接地线，这也是接地线在电路中的具体应用。笔者从电路的连接方式的角度进行图符显示，提高学生的理解能力。

以电冰箱为例，其在家庭电路中的连接是：火线—冰箱发动机—零线构成回路；当冰箱的金属外壳没有接地线，若火线漏电等原因造成金属外壳直接或间接接触火线，带上电压，由于冰箱的塑料底座与地面之间是绝缘的，无法形成回路，一旦当人体接触带电的冰箱外壳，此时构成的回路是：火线—金属外壳—人体—大地(地线)，冰箱与人体分别在各自并联的支路中，其两端的电压均为220 V，超过了人体的安全电压，此时流过人体的大电流是非常危险的，如图4(a)所示。

当电冰箱金属外壳有了接地线，若人体接触了带电的金属外壳，这时除了电冰箱发动机接入家庭电路外，还有两条并联的支路：火线—金属外壳—地线(大地)和火线—金属外壳—人体—地线(大地)。虽然外壳接触火线有电压，由于地线的电阻值远远小于人体的阻值，导线有良好的导电性能，人体处于被短路状态。由并联分流规律可知，此时流过金属外壳上的电流几乎都由地线流入大地而保护了用户的人身安全，如图4(b)所示。为了用户安全起见，市场上出现三孔插头的接地金属插片做的稍微长一些，目的就是当插头插入插座接通电源之前，接地插片先接通地线，使家电的金属外壳先接地；插头拔离插座断开电源时，接地插片滞后断开电路，最后使家电的金属外壳离开接地线。

2.5 家庭电路和安全用电章节复习的思维导图显示

正如托尼博赞所说，思维导图是一把“瑞士军刀”，它能将单元知识间的联系、结构、网络以立体形式呈现。家庭电路和安全用电单元内容在初中电学学习中有重要的地位，为高中继续学习交流电知识提供了坚实的基础，让学生从身边家庭电路接触交流电和安全用电常识的学习，体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的教学理念。由于知识点琐碎、概念繁多、电路连接与以前的直流电路有些差异，学生的思维能力还没有赶上教材的要求，笔者运用思维导图教学将本章知识进行梳理和整合(见图5)，降低了学生的思维台阶，扫清了他们物理学习的障碍。