初中物理可视化实验课堂的建设路径

可视化教学作为一种直观、高效的教学方法，逐渐受到教育工作者的青睐。“电流和电路”这一章节涉及电流的形成、电路的基本组成、串并联电路的特点等多个抽象概念，对于初学者来说理解起来较为困难。传统的教学方法依赖于文字和静态图片，难以直观地展示电流的动态过程和电路的工作原理。因此，教师有必要借助现代信息技术手段，构建初中物理可视化实验课堂，以帮助学生更好地掌握这一章节的内容。

一、教材地位与教学内容

“电流与电路”是人教版初中物理九年级第十五章的内容，是学生之后学习电压、电阻、电能等知识的基础，也是现如今的热门应用领域。通过学习这一章节，学生可以建立起对电流的理解，并且能够了解电路中各个元件的作用和相互关系。通过本章节，学生将会学习到电流的定义，即单位时间内通过导体横截面的电荷量，同时也会了解到电流的方向和大小与电荷的流动方向和数量有关。学生将会学习到电路中常见的元件，如导体、电器、电源和开关等，了解到这些元件在电路中的作用以及如何连接它们。学生将会学习到串联电路和并联电路的概念，了解到这两种电路的连接方式及特点，以及在电路中的应用。学生还会学习到如何测量电路中的电流，如何使用电流表等内容。

二、可视化电流实验设计

（一）实验名称

电流红绿灯。

（二）实验介绍

如图1所示，L1、L2、L3分别为三个灯泡，K1、K2、K3分别为三个开关，A1、A2、A3分别为三个电流表，用于测量开关打开和闭合之后的电流变化。三个开关起到的作用不同，能够对电路中的电流起到控制作用。当然，单纯的灯泡亮与不亮不具备可视化效果，在三个开关附近放置三枚可变颜色的彩灯，颜色分别为红、绿、黄，当开关闭合之后，如果有灯泡亮灯，则该开关附近的彩灯为绿色；如果出现短路则开关附近的彩灯为红色；如果出现断路则黄灯亮。彩灯由额外的电源控制，并且采用智能化的控制手段，不用人为操控，从而使电流可视化。

■

图1 电流红绿灯实验图

（三）实验目的

1.直观理解电流在电路中的运行轨迹：通过实验，学生可以观察到电流在电路中的具体路径和流动情况。

2.认识串联和并联的区别：通过实验中串联和并联电路的设计，学生可以比较观察到串联和并联电路中电流的变化情况。通过开关闭合，学生深入理解串联电路中电流依次流过每个元件的特点，以及并联电路中电流分流的特点，进而认识到串联和并联在电路连接方式上的区别。

3.深刻理解短路、断路和通路的概念：在实验中，学生通过开关闭合观察并记录电流的变化情况。当电路中存在短路或断路时，学生可以观察到电流的变化情况，从而深刻理解短路、断路和通路的概念，以及它们对电流流动的影响。

4.掌握电流表测量电流的使用技巧：用电流表测电流是本章学习的重点内容。通过实际操作，学生能够学会正确连接电流表的方法，并且掌握读取电流表示数的技巧。

（四）实验步骤

1.准备实验道具，连接电路图

实验道具包括7号电池两节、电线5米、灯泡3个、开关3个、小型电流表3个以及智能化彩灯系统1套。学生按照图1将电源、灯泡、开关、电流表依次连接，连接完成后进行简单测试，以防止连接错误。

2.实验猜想

实验猜想是对实验结果的预测或期望，是在进行实验之前所做的推测。从科研角度来看，实验猜想在科学探索中起着推动作用，它促使研究者提出问题、寻求答案，并根据实验结果进一步调整和改进猜想，通过反复提出猜想、设计实验、观察结果和修改猜想的过程，促进科学研究逐步深入。在本实验中，实验猜想可以指导实验设计的过程，提供了对实验中自变量（开关）和因变量（灯泡、电流表）之间关系的初步认识。实验猜想有助于设定实验的目标和预期结果，明确教师希望学生在实验中观察到的现象，并提供实验结果的基准来评估实验的成功与否。通过将实验观察结果与学生猜想进行比较，教师可以评估学生在实验中的收获。如果实验结果与学生猜想相符，说明学生对电流电路知识的理解基本正确。如果实验结果与猜想不符，教师可以纠正学生的认知，帮助学生对电路电流知识进行梳理。

教师：现在我们已经将电路图连接完成，请大家猜想，如果将K1闭合，K2、K3分别是打开状态，会出现什么现象？

学生：如果只将K1闭合，其他两个开关呈打开状态，那么电流将无法完成由正极至负极的流通，那么整个电路将处于断路状态，3个灯泡均不亮，3个电流表均为零，3个彩灯均为红色。

教师：如果单独将K2闭合呢，会出现什么现象？

学生：如果K2闭合，那么K1和K3所处的区域为断路状态，与上述现象相同，L2灯泡正常发光，电流表会有数值，彩灯为绿色灯亮。

教师：如果仅K3闭合呢，会出现什么现象？

学生：如果仅K3闭合，那么L2灯泡不亮，且电流表A1和A2为零，但是L1和L3可以正常照明，且电流表A3会有数值。这说明，L1和L3为串联，与L2为并联关系。

教师：如果K1和K2闭合，K3打开呢？会出现什么现象？

学生：此时电流将会从正极跳过所有灯泡直接进入负极，会出现短路现象，3个灯泡均不亮，电流表A1和A2数值很高。

教师：很好，接下来我们通过实验来验证猜想。

3.实验操作与记录

实验操作提供了学生将理论知识转化为实际操作的机会。通过亲自进行实验，学生可以更好地理解电流和电路知识中的理论概念。实践操作能帮助学生将抽象的电流理论转化为灯泡明亮、电流表是否有数值以及彩灯颜色的具体现象，从而加深学生对知识的掌握程度。通过实验操作，学生能够学习并掌握电流表的使用方法，培养实验技能和操作技巧。这对于从事科学研究和工程实践的学生来说至关重要。同时，实验记录是将实验过程和结果详细记录下来的过程。通过记录实验数据，学生可以对实验结果进行分析，验证实验猜想。实验记录还能帮助学生检验实验结果的准确性和重复性，并为日后的实验设计和改进提供依据。实验记录还为学生提供了反思实验的机会。通过回顾实验记录，学生要思考实验中遇到的问题和挑战，并从中总结经验。这种反思有助于学生更好地理解实验原理，提高实验设计和执行的能力，并对科学研究方法有更深入的理解。

教师：首先闭合开关K1，观察并记录实验现象；然后闭合开关K2记录实验现象，以此类推。

学生：通过实验操作发现实验现象与实验猜想一致，实验数据如表1所示。

表1 实验数据记录

■

教师：很好，表1记录了不同开关在闭合情况下灯泡、电流表以及彩灯的情况，当没有电流通过时彩灯呈现黄色，当正常电流通过时彩灯呈现绿色，当出现短路时彩灯呈现红色，直观地展示了电流在电路中的各种状态。同时，细心的学生可以发现，表1当中出现了相同的数据，如K1和K2闭合与K1、K2、K3闭合的结果是一样的，这说明了什么？

学生：这说明发生短路之后，K3开关是否闭合都不影响电流通过，同时也说明了二者属于并联关系。

4.实验结果

本次可视化电路和电流实验，基本上达到了预期效果，提升了学生对电流和电路知识的理解。具体来说，通过本实验，学生理解了在闭合电路中，电流的方向是由正极（电流的源头或电池的正极）流向负极（电流的终点或电池的负极）。电流的方向与电子流动的方向相反，因为电流是正电荷的流动方向，并且只有完成正极和负极的闭环才会产生电流。电流的大小与电源电量有关，一节电池与两节电池产生的电流不同，同时也与用电器有关，当发生短路时电流会明显增大。在实验中，学生了解了并联电路和串联电路的电流分布情况。在并联电路中，电流在分支电路中分流，分流的电流之和等于总电流。而在串联电路中，电流在各个用电器之间保持不变，总电流等于电路中各个电阻上的电流之和。学生掌握了电流表（也称为安培表）测量电路中电流的方法。电流表的连接方式与电路中电流的方向一致。在实验中，我们将电流表连接在电路中的特定位置，以测量通过该位置的电流。

5.实验评价

结合实验目标发现，本次实验设计基本上达成了实验目标。在实验过程中，教师采用可视化的实验方法，包括电路示教板、电流表、导线、灯泡、彩灯等，通过搭建电路来展示电流。学生亲自动手操作、观察并记录实验现象、分析数据，从而加深对电流和电路知识的理解。从实验效果来看，学生清晰地观察到了电流在闭合电路中的流动路径，这一概念变得更加直观和易于理解。通过分析实验数据，学生发现串联电路中电流只有一条路径，而并联电路中电流有多条路径，此外，还观察到串联电路中元件的工作状态相互影响，而并联电路中元件的工作状态相对独立。这些发现可以帮助学生深刻理解了串联和并联电路的本质区别。通过不同开关闭合操作，学生亲身体验了短路时电流过大可能导致的危害，断路时电路无电流通过的现象，以及通路时电路正常工作的状态，这些实践经验加深了学生对这些概念的理解。

三、实验反思与改进

在过去的初中物理电路和电流实验教学主要依赖传统的实验器材和教学方法。虽然学生能够通过亲手操作实验器材来加深对电路和电流的理解，但不够形象具体。本次实验采用了彩灯来具象化展示电流路径，具备了形象化的特征，但是还有改进的空间，接下来应当引入更多智能化设备，如数字万用表、示波器等，为学生提供更精确、更直观的电流测量数据。这些设备不仅能够实时显示电流和电压的数值，还能通过图形或动画的形式展示电流的变化过程，从而帮助学生更好地理解电流的概念和性质。

为了帮助学生更好地应对现实生活中的电路问题，在实验教学中，教师应当逐步引入更为复杂的电路情况，如设计包含多个用电设备元件的电路实验，让学生亲自动手搭建并测量其电流分布，同时，引导学生通过小组讨论和合作的方式来解决这些复杂电路问题。在讨论和合作的过程中，学生相互学习、相互启发，共同找出解决问题的最佳方案，不仅能提升电路分析能力，还能培养团队合作和沟通能力。

（作者单位：宕昌县南阳中学）

编辑：李琴芳

作者简介：康爱霞（1993—），女，汉族，甘肃宕昌人，本科，中小学一级教师，研究方向：物理教学。