数字媒体助力物理实验落实核心素养的培养

江西省南昌市第十九中学(330002) 高 静

2017版的《普通高中物理课程标准》提出物理学科核心素养由“物理观念”“科学探究”“科学思维”“科学态度与责任”构成。物理实验可以为学生的学习活动创设生动的物理学习情景，学生借助于实验情景所提供的信息去发现问题、提出问题和解决问题，促进对知识的掌握。实验过程不可能总是一帆风顺的，学生在经历曲折和不断克服困难的过程中可磨练意志，养成不怕受挫、严谨认真、实事求是和持之以恒的良好习惯。实验中还存在着丰富的辩证唯物主义等教育素材，对学生形成正确的科学观起着促进作用。

由于课堂教学时间和空间以及人的感受器官等因素的限制，传统的物理实验有时不能有效完成教学任务，此时可以发挥数字媒体的优势和潜能，弥补学生直观感知的不足，减小其抽象思维的难度。利用数字媒体突破传统实验教学的难点主要表现在以下几点。第一，运用数字媒体记录实验过程中的现象和数据，可以突破由于实验现象变化快、过程难以捕捉导致不利于观察分析的难点，还可以及时取得传统实验中需要的数据使学生全程观察数据的变化过程，为后期的数据分析处理提供便利。第二，运用数字媒体模拟不可能或不适宜在课堂内进行的实验过程，使抽象的知识以形象具体的动画形式呈现给学生。有利于学生在头脑中建构立体形象，加深学生对相关知识的理解。第三，运用数字媒体使传统实验中不明显的实验现象变的明显，满足教学的要求。第四，运用数字媒体辅助建立物理模型。运用数字媒体，在一定的范围内，直观、具体、夸张地模拟物理问题的主要因素和本质，忽略次要因素，协助学生化抽象为具体，逐步建立物理模型，最大限度地发挥学生的创造力和想象力。

下面，以沪粤版9年级物理上册“怎样认识和测量电流”为例阐述如何让数字媒体助力物理实验并落实核心素养的培养。

1 教材分析

电流是初中电学的基本概念，是电学中三个基本物理量之一，电流表是最基本的实验仪器，正确使用电流表是学生必须要学会的基本实验技能。本节知识也是今后学习欧姆定律、电阻、电功率等概念的重要基础，为形成电场能、电磁能等能量观念做好铺垫。对微观电子的运动及其所形成的宏观现象(电流)的探索和认识是学生初步形成物质观、运动与相互作用观等物理观念的重要基础。

2 学情分析

学生学习本节内容时通常会遭遇三个困惑，一是大量的自由电荷怎样从无规则运动变成定向移动形成电流的；二是电流具有方向性；三是金属导体中自由电子定向移动的方向与电流的方向相反的理解。出现以上困惑的根源是微观原子世界是看不见的也是摸不着的，为突破这一难点利用数字媒体模拟电荷的移动辅助真实的物理实验，通过类比和建模的科学思维，帮助学生理解并构建电流概念。

3 教学目标

物理知识：知道电荷的定向移动形成电流，知道电流方向的规定。

科学思维：运用类比的方法理解电流的形成和方向；通过对微观电荷、电子运动的分析推理，建立宏观现象与微观原理之间的联系。

科学探究：通过阅读说明书，获取有关电流表的信息；通过实验操作，学会用电流表测量电流。

科学态度与责任：通过对常用电器额定电流及人体安全电流的了解，理解电流的实际意义，感受电流与人类的生活息息相关，在实验操作中，养成规范的实验习惯。

4 教学策略

一是通过实验感知微观世界电荷运动与电流之间关系，从物质结构和物质的运动微观角度感知电流形成的原因和电流方向的规定；二是应用数字媒体模拟电荷的运动解释实验所呈现的与电流有关的宏观现象，帮助学生在对微观和宏观现象的分析过程中，应用物质观观念、运动与相互作用观念分析电流形成的原因和电流方向的规定；三是引导学生自学电流表的使用方法。

5 教学过程

5.1 电荷的转移

演示实验：用细线把一束餐巾纸条和一束锡箔纸条分别放在感应起电机的两根放电杆上铁球的一侧，放电杆上的铁球没有带电时，餐巾纸条和锡箔纸条只受拉力和重力，静止在竖直方向；放电杆上的铁球带电时，餐巾纸条紧贴铁球、锡箔纸条偏离铁球(见图1)。

图1 实验情景

问题思考：为什么放电杆上的铁球带电时，餐巾纸条紧贴铁球、锡箔纸条偏离铁球(带电物体能吸引轻小物体；锡箔纸条与铁球接触后带上同种电荷，同种电荷相互排斥而张开。)电荷从铁球上转移到锡箔纸上的过程中会不会产生我们无法直接感知的现象？

数字媒体的应用：播放视频：介绍原子核式结构、摩擦起电的实质(见图2)。

图2 摩擦起电的实质

设计目的与核心素养体现点：实验创设问题情景，数字媒体引导学生从原子结构、电荷运动的角度开启电流产生原因的探究之旅，初步学习应用物质观念、运动与相互作用观念，解决实际问题。

5.2 电荷定向运动形成电流

演示实验步骤：利用感应起电机使自制莱顿瓶储存一定电荷，用导线把氖泡和验电器相连，再用导线把自制莱顿瓶和氖管相连。

实验现象：氖管发光，验电器的指针偏转(见图3)。

图3 电流形成的原因：电荷的定向移动

问题思考：验电器的指针偏转说明什么？氖泡发光与电荷移动之间有怎样的联系？氖泡为什么很快又熄灭了？怎样让氖泡持续发光？

数字媒体的应用：

(1)用手机录制实验现象，并同时使用希沃传屏技术把手机录制的实验现象同步到电子白板教学一体机上。

(2)动画模拟电流形成的原因：金属导体里有大量自由电子，它们可以自由移动。平时它们的运动是杂乱无章的，可是接上电源之后，它们就受到了推动，出现所有电子同时向同一个方向的定向移动，这些定向移动的自由电荷便在导体中形成了电流(见图4)。

图4 电流形成的原因

设计目的与核心素养体现点：

(1)课堂上演示该实验是为了确保实验的真实性，整个实验过程中，学生除了要观察氖泡的发光情况，还要观察验电器的指针是否偏转，加之氖泡的光强很弱且通电时间极短，实验现象一闪即逝，使用希沃传屏技术可以放大实验现象，提高实验的可视度，同时录制实验视频，便于重现实验现象，以便学生既能清楚看见氖泡发光，也能看清验电器的指针偏转。

(2)对微观电子的运动及其所形成的宏观现象(电流)的探索和认识是学生初步形成物质观、守恒观等物理观念的重要基础。根据导体中电荷运动的特点，运用数字媒体模拟电荷运动的主要因素和本质，忽略次要因素将看不见摸不着的电荷运动以直观、具体的形式呈现给学生，协助学生化抽象为具体，逐步建立起物理模型，最大限度地发挥学生的创造力和想象力。引导学生应用类比与建模的科学思维方法，帮助学生逾越认知障碍，建构电流的概念。

5.3 电荷定向移动与电流的方向

学生实验：学生尝试让发光二极管亮起来。

问题思考：大家观察到什么现象？如果将二极管反过来接会怎样？

数字媒体的应用：用Flash介绍二极管的工作原理。

设计目的与核心素养体现点：让学生在科学探究的过程中，借助二极管的特性明确电流方向的规定性，感受对比、归纳等认知事物的科学思维方法。

5.4 电荷定向移动与电流的大小

学生实验：将一只小灯泡和一节干电池连接，再将同一只小灯泡和两节串联的干电池连接，比较两次灯泡的亮度。

问题思考：小灯泡的亮度有什么不同？该现象是什么原因造成的？

数字媒体的应用：动画模拟电流大小不同的原因(见图5)。

图5 电流的大小

设计目的与核心素养体现点：动画模拟电流大小形成的原因，让学生直观、形象的感知到单位时间里通过横截面的电荷量的大小不同。从物质的结构和运动与相互作用的角度认识电流的实质，建构电流形成原因的模型，为后面电学相关知识的学习奠定基础。

5.5 电流表测量电流的大小

学生实验：学生通过阅读电流表的使用说明书，尝试用电流表测量一个小灯泡的电流。

数字媒体的应用：手机拍摄使用电流表过程中所犯的错误；使用希沃传屏把照片传到电子白板教学一体机上。

设计目的与核心素养体现点：数字媒体助力物理实验、提供电流表使用的案例，让学生判断连接是否正确，并引导学生归纳正确使用电流表的方法。培养学生自主阅读、善于观察、勤于思考、合作探究和表达交流等学习习惯。学生通过灯泡的亮暗来感知电流的大小以及掌握正确使用电流表的方法，为后面相关知识的学习做好铺垫。

6 结束语

本文的案例是应用数字媒体助力物理实验帮助学生建构物理概念，还可以应用数字媒体助力物理实验帮助学生探寻物理规律、利用数字媒体将家庭实验引入物理教学，促进学科核心素养培养的落实。