思维可视化在初中物理电学教学中的应用与实践

江勇

摘要：通过对思维过程可视化概念、模式、应用的介绍，结合初中物理电学教学中电路动态分析的教学实例，采用实验研究和定量分析法，变传统的知识可视化为思维过程的可视化，将思维可视化应用于初中物理电学教学的难点突破之上，有效帮助学生借助可视化思维模式理解电路动态分析方法，帮助教师即时获得可靠的教学评价依据.

关键词：思维可视化;初中物理;电路动态分析

引言：

思维可视化是指以图示或图示组合的方式把原本不可见的思维路径、结构、方法及策略呈现出来，使其清晰可见的过程.通俗地讲就是把大脑中的思维“画”出来的过程.其主要模式：⑴ 思维导图是一种将放射性思考具体化的方法，是最简单又最有效的思维整理方式，也是世界范围内应用最广的思維工具.⑵ 问题菜单是具有一定梯度的问题组合，通过教师提问，学生回答的形式循序渐进达成教学目标的一种常见的思维可视化教学模式.⑶ 图形分析是运用直观的平面几何图形，将抽象的数学运算关系形象化展示的一种可视化教学模式.

动态电路是通过滑动变阻器的滑片移动，或电键的断开与闭合，或电路元件发生（短路或断路）故障时，引起电路中电阻发生变化，从而引起电流、电压等发生相应变化，以及引起相应电表示数发生变化的电路，分析这类因果关系的问题一般称为动态电路分析.目前，上海中考只要求掌握含有两个导体的电路，涉及电路的连接方式、串联或并联电路特点、欧姆定律、滑动变阻器使用等知识，以及相应的科学方法、科学思维等，分析这类问题时，对学生的综合能力和相关素养要求很高，是近年来物理中考中热点和难点之一.

将思维可视化应用于“电路动态分析”教学中能体现科学思维能力的建构，帮助学生建立动态电路模型，掌握科学推理方法，从定性角度理解电路动态分析，总结归纳出此类问题的基本处理思路和方法.

一、“电路动态分析”教学设计案例

1.学情分析

学生在之前的学习中，对此类问题已经有了一定的认识，但尚未达到中考的能力要求，所以有必要进行专题学习.在备考复习时不能盲目追求一步到位，需要根据学生的实际情况，运用思维可视化有针对性地设计教学，循序渐进.本节课主要是针对串联电路中，滑动变阻器的滑片移动型的动态进行专题复习.应用思维可视化突破难点，展示模型建构、思维与推理过程，有助于学生更好地理解此类问题的思维流程和基本分析方法.

2.学习目标

物理观念——理解串联电路特点，掌握欧姆定律.

物理观念应用——运用物理概念和规律解决问题，例如：滑片P移动方向分析错误，导致全盘分析出错，以及分析同类电表示数的和或差、不同类电表示数的乘积或比值时，不能熟练应用控制变量法，进行逻辑推理.

科学思维——理解基本物理科学方法——控制变量法、演绎推理法、归纳法，即对一系列练习进行总结，先用演绎推理法经历电路动态分析过程，后用归纳法来建构此类问题的可视化思维模型.

科学探究——经历串联电路动态分析（电路结构不变，改变滑动变阻器连入电路中的电阻值）过程，认识这类问题的基本解题思路，感受逻辑推理的科学方法.

科学态度与责任——通过对串联电路的动态变化后多个同类表或者异类表的示数之间的代数运算关系的分析与练习，增强复习迎考的自信心.

3.情景引入

教师给学生展示家庭中可调亮暗台灯的电路（一个小灯与一个滑动变阻器串联的电路），闭合电键，移动滑动变阻器的滑片P，在移动滑片P的过程中让学生观察小灯的亮暗变化.并思考为什么会发生变化？还有哪些电学量也会随之发生变化？怎么变化？

现象：滑片P向左移动时，小灯变亮;滑片P向右移动时，小灯变暗.

师问：小灯亮暗为什么会发生变化？

生答：滑动变阻器接入电路的电阻发生了变化.

师问：在电阻发生变化的同时，还有哪些电学量也随之发生变化？

生答：通过小灯的电流，小灯两端的电压以及滑动变阻器两端的电压.

师问：它们是如何变化的呢？

设计意图：从学生身边触手可及的可变亮暗台灯引入新课，让学生对动态电路建立初步的概念.应用问题菜单，向学生展示动态电路的一般分析步骤.体现了思维可视化从问题出发，学习路径随着问题的解决逐步推进的特点.有助于学生初步建构动态电路模型.

4.教学过程

【例1】在如图2所示电路中，电源电压保持不变.闭合电键S，当滑动变阻器的滑片P向右移动时，试回答以下问题.试分析下列各电表示数的变化情况（均选填“变小”、“不变”或“变大”）

（1）电流表A的示数_________;

（2）电压表V1的示数__________;

（3）电压表V2的示数_________;

（4）电压表V的示数__________.

问题菜单设计：

师问：电路中电流表可以等效为什么？电压表可以等效为什么？

生答：电流表可以等效为导线，电压表可以等效为断路.

师问：电表等效后，R1和R2是如何连接的？

生答：R1和R2是串联的.

师问：如图2所示电路中滑动变阻器R2滑片P的哪边电阻线接入电路？

生答：滑片P的左边电阻线接入电路.

师问：电流表A测量通过哪个电路元件的电流？

生答：电流表A测量通过整个串联电路的电流.

师问：电压表V1测量哪个电路元件两端的电压？

生答：电压表V1测量R1两端的电压.

师问：电压表V2测量哪个电路元件两端的电压？

生答：电压表V2测量R2两端的电压.

师问：电压表V测量哪个电路元件两端的电压？

生答：电压表V测量电源电压.

设计意图： 运用问题菜单解决动态电路分析中的电路识别问题.让学生初步学会识别含有电表和滑动变阻器电路的基本流程.将电路识别的思维过程形象的展现在学生面前，体现了思维可视化在展示思维流程上的优势.

师问：根据题意，滑动变阻器R2的滑片P向哪个方向滑动？

生答：根据题意，滑片P向右滑动.

师问：当滑片P滑动时，根据图3中接入电路的电阻线长度的变化，判断R2的电阻值如何变化？

生答：R2的电阻值变大.

设计意图： 运用问题菜单和图形分析解决动态电路分析中的电阻值变化分析的问题.比照图3学生可以把抽象的滑片P滑动引起的接入电路的电阻值变化转化为图3所示的黑色长方形的长度变化.进而降低学生理解上的困难.体现了思维可视化促进学生科学推理的作用.

师问：此时可以判断电路中通过导体的电流变化吗？

生答：可以.

师问：你的依据是什么？

生答：根据串联电路电阻特点，欧姆定律 I=U/R.

师问：如何判断？

生答：此时R2阻值变大，R1阻值不变，根据串联电路电阻特点R=R1+R2，可知电路总电阻变大.再根据欧姆定律，当导体两端电压一定时，通过的导体的电流与导体本身电阻成反比.即总电阻变大，所以可以判断通过导体的电流是变小的.

师：我们还可以用图形分析法来判断电流的变化情况.因为电路中的三个电学量电压U，电流I，电阻R满足U=IR，这与长方形面积计算式S=ab（其中S为长方形面积，a，b分别为长方形的长和宽）.我们可以把S对应U，I对应a，R对应b，就可以得到如图4三个电学量的图形关系.很明显当U不变（即长方形面积S不变）时，R变大（即b变大）了，I（即a）就会变小.

师问：此时能否判断电路中电压的变化？

生答：能判断.

师问：依据是什么？

生答：根据串联分压关系U1/U2=R1/R2，串联电路电压特点.

师问：如何判断？

生答：此时R2阻值变大，根据串联分压关系U1/U2=R1/R2，所以滑动变阻器R2两端电压U2变大（即电压表V2示数变大），再根据串联电路电压特点U=U1+U2，当电源电压U一定（即电压表V示数不变）时，U2变大，可判断定值电阻R1两端电压U1变小（即电压表V1示数变小）.

师：我们还可以用图形分析法来判断电压表V1和V2的变化情况.由于电路中电源电压U不变，根据串联电路电压特点，可以用如图5所示来表示串联电路中电压关系.其中长方形的总长度表示电源电压U，阴影部分的长度表示滑动变阻器两端电压U2，空白部分的长度表示定值电阻两端电压U1.从图形上可以看出当U不变时，U2变大，U1就变小..

设计意图： 运用问题菜单和图形分析解决动态电路分析中的电流和电压变化分析的问题，从而得到单一电表变化情况.比照图4把抽象U、I、R三个电学量的变化转化为长方形面积问题;图5把串联电路电压特点转化为几何图形长度的关系，降低学生理解门槛的同时，让学生对欧姆定律和抽象的串联电路电压特点有了新的理解，为电路动态分析的推理过程扫清了理解上的障碍.体现了思维可视化促进学生科学推理的作用.

分析流程： 单一电表示数变化判断问题

设计意图： 运用思维导图，让学生归纳概括出串联电路动态分析中单一电表示数变化情况的推理过程.将可视化思维应用于科学推理过程，是对之前问题菜单的一个高度概括和总结，体现了可视化思维在培养学生高阶思维的作用.

【例2】 在图2电路中，试分析下列各电表示数四则运算后的变化情况（均选填“变小”、“不变”或“变大”）

（1）电压表V1与电压表V2示数之和将_________;

（2）电压表V与电压表V1示数之差将_________;

（3）电压表V1与电流表A示数的乘积将_________;

（4）电压表V与电流表A示数的乘积将_________;

（5）电压表V1与电压表V2示数的比值将_________;

（6）电压表V与电压表V1示数的比值将_________;

（7）电压表V与电压表V2示数的比值将_________;

（8）电压表V1与电流表A示数的比值将_________;

（9）电压表V2与电流表A示数的比值将_________;

（10）电压表V与电流表A示数的比值将_________;

问题菜单设计：

第（1）小题

师问：电压表V1与电压表V2分别测量哪个用电器两端电压？

生答：电压表V1测量定值电阻R1两端电压，电压表V2测量滑动变阻器R2两端电压.

师问：电压表V1与电压表V2示数之和应该是什么电压？依据是什么？

生答：电源电压.根据串联电路电压特点.

师问：它应该如何变化？

生答：不变.

可以根据图5所示表示出串联电路电压特点，然后对电压表之间示数的和或差进行分析推理.第（2）小题解法相同.

设计意图： 运用问题菜单和图形分析解决动态电路分析中的串联电路电压表之间示数的和或差分析的问题，以单一电表变化情況为判断基础，结合串联电路电压特点.比照图5把串联电路电压特点转化为几何图形长度的关系，将思维可视化运用于科学推理的过程中，降低学生的理解难度.

第（3）小题

师问：电压表V1与电流表A的示数分别如何改变？

生答：电压表V1的示数变小，电流表A的示数变小.