基于可視化物理教學(xué)突破物理思維障礙策略與實(shí)施
——以“家庭電路和安全用電”教學(xué)為例

安徽省合肥市廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級中學(xué)(231551) 劉信生 鮑康宏

1 問題的提出

所謂物理思維就是物理學(xué)中的科學(xué)思維，是具有意識的人腦對客觀物理事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)部規(guī)律及物理事物間聯(lián)系和相互關(guān)系的間接概括和能動反映。物理課堂教學(xué)中，學(xué)生經(jīng)常是即學(xué)就會，即過就忘，動筆就錯(cuò)，究其原因有二：一是由于學(xué)生的思維受限。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，知識無法通過傳授獲得，學(xué)生必須利用周圍的資源進(jìn)行內(nèi)化而構(gòu)建起來。學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的知識屬于淺層研究。二是教學(xué)內(nèi)容無法與學(xué)生的知識儲備相匹配。在缺乏自身的情感投入和嚴(yán)密的思維歷程情況下，無法讓學(xué)習(xí)真正發(fā)生，在新知識的接受中經(jīng)常出現(xiàn)“答案的生成過程”滯后于“答案的出現(xiàn)時(shí)刻”的被動學(xué)習(xí)。

以初中物理滬粵版“家庭電路與安全電路”章節(jié)教學(xué)為例，由于前面的學(xué)習(xí)都是在給定的完整電路圖且直流電源兩極標(biāo)識明了，有完整、規(guī)范的電學(xué)定律進(jìn)行推理、運(yùn)算的模式下進(jìn)行的。而家庭電路是交流電源，對于以形象思維為主抽象思維正在形成的初中學(xué)生而言，思維水平明顯低于教材中的要求，如何設(shè)計(jì)一些可視化的教學(xué)內(nèi)容，減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，突破學(xué)生的思維障礙，就顯得至關(guān)重要。筆者在教學(xué)中做了些具體的嘗試，與同行分享。

2 思維可視化教學(xué)的具體內(nèi)容

“思維可視化”策略在實(shí)施過程中，教師要根據(jù)不同的問題特征和學(xué)生已有的知識儲備，立足于學(xué)生最近發(fā)展區(qū)，采用圖文、符號、替代物、情景操作和思維地圖等多種外化手段，有意識地引導(dǎo)學(xué)生記錄分析過程，量化思維方法和思維路徑等。

初中學(xué)生的背景知識、思維能力畢竟有限，一些抽象的概念、問題在理解上會存在短板，如果采用圖文、符號的形式將其與已有的知識銜接起來，讓思維在過渡中產(chǎn)生正遷移，可以降低思維的坡度，在同化和順應(yīng)中讓學(xué)習(xí)真正發(fā)生。

2.1 零線與地線之間關(guān)系的圖符顯示

家庭電路中零線、地線分別是這樣定義：零線跟大地相通，它跟地之間沒有電壓；有些家電所用三孔插座還加接一根地線，是直接與大地相通的導(dǎo)線。學(xué)生在看書時(shí)就產(chǎn)生疑惑：零線、地線都接地，為什么還區(qū)分？有必要嗎？如果教師這樣解釋：①接地的位置不同，零線在電廠處接地，地線在用戶家接地；②零線是輸電線路的一部分，電流經(jīng)電廠—火線—負(fù)載—零線回電廠，地線是與用電器的金屬外殼和人體可觸部位連接，使機(jī)殼與大地等電位，保護(hù)人體不觸電。學(xué)生在課堂上感覺不甚明了。筆者在教學(xué)時(shí)先畫出3種電線的電路結(jié)構(gòu)圖，再打比方零線、地線之間的關(guān)系：兩者都是轎車上的輪胎，零線就是車下正在跑的某一輪胎，地線就是車背后的備胎，雖然它們所處的位置不一樣，但是性能是相同的，一旦跑的輪胎有問題，車后的備胎能取而代之。

2.2 用測電筆辨別零火線的圖符和思維導(dǎo)圖顯示

在學(xué)習(xí)如何用測電筆辨別零火線時(shí)，學(xué)生經(jīng)常會發(fā)生卡殼現(xiàn)象：為什么要用手接觸筆尾金屬體？測電筆的氖管發(fā)光與否到底由什么決定？如何根據(jù)測電筆氖管的發(fā)光情況判斷電路的故障到底在哪里？導(dǎo)致這一系列疑問的原因有二：①前面學(xué)習(xí)的直流電路知識存在干擾因素，家庭電路是交流電，電路圖中沒有電源的極性標(biāo)志，無法弄清電路的回路；②不知道測電筆氖管發(fā)光的工作原理是火線—測電筆筆尖金屬體—筆尾金屬體—人體—大地構(gòu)成一條電路通路。教學(xué)技巧的施展尤為重要，教師必須利用圖符進(jìn)行簡單明了的闡釋。

首先，將發(fā)電站(變電站)輸送的交流電等效成“電源”，閉合家庭電路中的電流由“電源”—火線—負(fù)載(用電器)—零線—“電源”，對在正確使用下的測電筆和人體同樣構(gòu)成另一條獨(dú)立的支路：“電源”—火線—測電筆—人體—地線—“電源”。筆者通過圖符形式，直觀的表征，感性的表達(dá)，收到了較好的教學(xué)效果，如圖1所示。

由于測電筆、人體都是導(dǎo)體，當(dāng)筆尖金屬體接觸火線，同時(shí)人手接觸筆尾金屬體，人和大地接通，只有這些節(jié)點(diǎn)處處相通，電流才使氖管發(fā)光。這時(shí)該電路兩端是220 V的照明電壓，我們知道人體的安全電壓不超過36 V，這又是如何做到的。教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真閱讀教材，許多問題也就迎刃而解：①測電筆中的高電阻起限流作用;②人不要接觸筆尖金屬體，要接觸筆尾金屬體。改變了以前先介紹測電筆的結(jié)構(gòu)和作用，再訓(xùn)練學(xué)生正確使用測電筆的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)順序。

用測電筆檢測電路故障問題也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，教師可以抓住測電筆的筆尖是否直接或者間接與火線接觸就可以判斷氖管是否發(fā)光，采用思維導(dǎo)圖顯示出來(見圖2)，再由逆向思維可以根據(jù)氖管的發(fā)光情況，反過來判斷家庭電路的故障原因。只有讓思維由零散走向結(jié)構(gòu)、由抽象走向直觀，才能讓學(xué)生在思維探索中獲得真知。

2.3 空氣開關(guān)和漏電保護(hù)器的思維導(dǎo)圖顯示

空氣開關(guān)的作用雖然是“信息瀏覽”的內(nèi)容，在熔斷器的教學(xué)中教師也想進(jìn)行補(bǔ)充說明，可是學(xué)生看不懂其工作原理，還要打破砂鍋問到底，筆者利用思維導(dǎo)圖將斷路器的內(nèi)部關(guān)系和作用整體脈絡(luò)顯現(xiàn)出來(見圖3)，厘清概念，理順關(guān)系，減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

2.4 有金屬外殼的家用電器使用接地線的圖符顯示

為了避免觸電，電器安裝必須要符合國家規(guī)定的技術(shù)要求，例如帶有金屬外殼的家用電器要有接地線，這也是接地線在電路中的具體應(yīng)用。筆者從電路的連接方式的角度進(jìn)行圖符顯示，提高學(xué)生的理解能力。

以電冰箱為例，其在家庭電路中的連接是：火線—冰箱發(fā)動機(jī)—零線構(gòu)成回路；當(dāng)冰箱的金屬外殼沒有接地線，若火線漏電等原因造成金屬外殼直接或間接接觸火線，帶上電壓，由于冰箱的塑料底座與地面之間是絕緣的，無法形成回路，一旦當(dāng)人體接觸帶電的冰箱外殼，此時(shí)構(gòu)成的回路是：火線—金屬外殼—人體—大地(地線)，冰箱與人體分別在各自并聯(lián)的支路中，其兩端的電壓均為220 V，超過了人體的安全電壓，此時(shí)流過人體的大電流是非常危險(xiǎn)的，如圖4(a)所示。

當(dāng)電冰箱金屬外殼有了接地線，若人體接觸了帶電的金屬外殼，這時(shí)除了電冰箱發(fā)動機(jī)接入家庭電路外，還有兩條并聯(lián)的支路：火線—金屬外殼—地線(大地)和火線—金屬外殼—人體—地線(大地)。雖然外殼接觸火線有電壓，由于地線的電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人體的阻值，導(dǎo)線有良好的導(dǎo)電性能，人體處于被短路狀態(tài)。由并聯(lián)分流規(guī)律可知，此時(shí)流過金屬外殼上的電流幾乎都由地線流入大地而保護(hù)了用戶的人身安全，如圖4(b)所示。為了用戶安全起見，市場上出現(xiàn)三孔插頭的接地金屬插片做的稍微長一些，目的就是當(dāng)插頭插入插座接通電源之前，接地插片先接通地線，使家電的金屬外殼先接地；插頭拔離插座斷開電源時(shí)，接地插片滯后斷開電路，最后使家電的金屬外殼離開接地線。

2.5 家庭電路和安全用電章節(jié)復(fù)習(xí)的思維導(dǎo)圖顯示

正如托尼博贊所說，思維導(dǎo)圖是一把“瑞士軍刀”，它能將單元知識間的聯(lián)系、結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)以立體形式呈現(xiàn)。家庭電路和安全用電單元內(nèi)容在初中電學(xué)學(xué)習(xí)中有重要的地位，為高中繼續(xù)學(xué)習(xí)交流電知識提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，讓學(xué)生從身邊家庭電路接觸交流電和安全用電常識的學(xué)習(xí)，體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會”的教學(xué)理念。由于知識點(diǎn)瑣碎、概念繁多、電路連接與以前的直流電路有些差異，學(xué)生的思維能力還沒有趕上教材的要求，筆者運(yùn)用思維導(dǎo)圖教學(xué)將本章知識進(jìn)行梳理和整合(見圖5)，降低了學(xué)生的思維臺階，掃清了他們物理學(xué)習(xí)的障礙。