例谈初中电学习题“可视化”教学
蒋守霞
[摘要]在物理教学中发现，学生分析解答电路分析问题时容易出错。为了展示学生分析电路的思维过程，可以将电学小实验与习题分析解答思路的“可视化”相结合，把其中的物理思维（思考方法和思考路径）通过图形或者微课呈现出来，还原学生的思维路径，暴露并纠正学生解题中的错误，进而提升学生分析解答电路问题的能力。
[关键词]初中电学习题;可视化;直观性
[中图分类号]G633.7? [文献标识码]A? [文章编号]1674-6058（2020）02-0038-03
电学是初中物理比较难的内容，从电路连接的基本方式到欧姆定律，再到电功、电功率，最后到电热（焦耳定律），台阶一个比一个高，每个台阶都会有人掉队。讲好电学、学好电学，成了教师和学生的高目标。传统教学中，教师辛苦地讲，学生费力地听，由于内容比较抽象，教师讲完了，学生当时知道了，但过不了多久又忘了，原因是没有“可视化”的思维印迹。解决这个问题的有效方法之一是将学生分析解答问题的过程用“可视化”的思维印迹展示出来，让错因在学生的脑海中留下深刻的印象，进而让出错的学生纠正错误，让没有出错的学生避免出现类似的错误。
初中电学知识体现“五多一大”，即概念多、规律多、实验多、公式多、应用多、中考占分比大。电学习题纷繁复杂，下面在分析典型问题的基础上进行必要的拓展引申，展示“可视化”的思维。
一、填写电表符号问题
[例1]如图1所示，试在甲、乙两个圆圈内选填“电压表”和“电流表”的符号，使两灯组成并联电路。
（1）解题思路：为了描述问题方便，将两个灯泡命名为L1和L2。要使两灯组成并联电路，甲左侧的灯L1一定能亮，如图2，如何使乙左侧的灯L2发光呢？电流从电源正极流出，经过分支点，电流分流，其中一条必须经过甲，如图3，再走乙左侧灯泡L2，到达支点电流汇合后，经过导线，再经过闭合的开关S，流到电源负极。综上所述，甲圈起了导线连接作用（电流表），乙圈起着断路的作用（电压表），如图4为正确答案。上述分析突出了解题思路的结构性与逻辑性。
（2）学生错误呈现：分析全班学生对此题的解答情况，发现有的学生解答错误。有的学生的解答过程如图5，在交流中发现学生普遍认为分支点在两个灯泡之间，此时电流有两条路径，既可以走导线，也可以走灯泡和乙圈所在路径。
（3）学生解题思路的“可视化”分析：将学生的思维路径暴露出来后，笔者就明白他们对串联电路的部分短路特点认识不足。在此题的讲解中，笔者将错就错，沿着学生的思路进行如下教学设计：先去掉电压表，简化电路如图5，此时附和的学生很多，“对的，我就是这么想的……”赞同声不绝。电流的流向从电源正极流出后，流经L1，学生的分歧点在L1上方，很多学生认为走L2和电流表，经过开关，回到电源负极;少部分学生认为电流经过L1后，走上方导线，走开关S回到电源负极。为了突破这一学习难点，笔者找了一张白纸，遮住了L2上方的导线，引导学生分析此时的电路连接方式，学生异口同声地说道“串联电路”，电路呈现如图6所示，接下来笔者进一步引导：“如果此时老师拿一根导线短接L2和电流表，情况又如何呢？”设置悬念，引导学生探究，观察实验现象。
安排学生分组实验后发现L1发光，L2不发光，电流表无示数，说明L2和电流表被短路。学生分组实验的电路图如图7所示，不满足使两灯组成并联电路的题干要求，且通过分析和实验探究，学生对导线的短路作用的认识进一步深化。
变式训练一：如图8所示，电路中有L1、L2两盏灯，请在图中圆圈内分别填入A或V的符号，要求开关闭合时L1、L2都能发光，且两电表的示数均不为零。
变式训练二：如图9所示电路中有两个小灯，请在图中圆圈内，分别填入电灯、电流表或电压表的符号。要求开关断开时两灯均不发光;开关闭合时两灯均能发光，且两电表的示数均不为零。
教学感悟：课堂教学中将学生的思维以“可视化”的方式呈现，教师一步步引导，再通过物理实验克服学生思维上的“障碍点”，最后充分运用学校已有的信息技术，通过云痕大数据平台，将类似题型呈现给学生，进行变式训练，使得课堂教学更高效。同时笔者将这一知识点做成微课发布在校内数字化学习平台上，以满足不同学习进度的学生的学习需要。
二、多开关连接问题
多开关连接问题，常通过开关改变电路连接方式，
学生解答这类问题时，也容易出错。
[例2]如图10所示电路中，电源电压不变，已知R1=6?，R2=4?，当S1和S2都闭合时，电流表A1的示數为1 A，电流表A的示数为2.5 A，求：
（1）电阻R3的阻值和电压表的示数;
（2）当S1和S2都断开时，电流表A1、A和电压表V的示数。
分析：多开关问题，运用分析法画出符合题目要求的等效电路图。当S1和S2都闭合时，闭合的S2将电阻R2短路，如图11，无电流通过电阻R2，将R2去掉如图12，经过电路简化学生较容易看出电压表并联在导线两端，电压表测导线电压（这是学生的易错点），电压表去掉后，电路进一步简化为图13，此时R1和R3并联，电流表A1测R1支路电流，电流表A测干路电流。
当S1和S2都断开时，等效电路图如图14所示，R1和R2串联，电流表A1的示数为1 A，电流表A的示数与电流表A1的示数相等，电压表测R2两端电压。
解答：（1）
（2）因为是串联电路，且电源电压为6 V，所以
教学感悟：学生的典型错误是在问题（1）中当S1和S2都闭合时等效电路图画不出或者画错，原因在于学习简单电路时多开关问题没有掌握好，对短路或部分短路现象识别不清导致的错误。对此类问题的教学建议是引导学生巩固多开关问题，多画一画不同情境下的等效电路图。
变式训练：如图15所示电路中，
（1）若使L1、L2串联，则应闭合_____，断开_____;
（2）若使L1、L2并联，则应闭合_____，断开_____;
（3）如果只闭合S3而断开S1、S2，则灯_____亮;
（4）如果只闭合S1和S2而断开S3，则灯_____亮;
（5）同时闭合开关_____，电源短路是不允许的。
解析：（1）使L1、L2串联，串联是把用电器逐个顺次连接起来的，此时电流从电源正极流出，经过用电器L1、L2回到电源负极，只有一条路径，如图16。此时画出等效电路图，简化电路是最好的方式，如图17，所以，使L1、L2串联，则应闭合S2，断开S1和S3。
（2）使L1、L2并联，如图18和图19，则应闭合S1和S3，断开S2。
（3）按照题目要求，只闭合S3而断开S1和S2，等效电路图如图20，此时没有电流的流通路径，所以灯都不亮。
（4）闭合S1和S2，断开S3，等效电路图如图21，图22和图23所示，只有L2亮，闭合的开关S1将S2和L1短路。
（5）同时闭合开关S2和S3，等效电路图如图24和图25所示，此时电源被短路。
三、电路故障分析题
串并联电路的典型故障通常有两类：短路和断路。
（1）电流表无示数：断路或电流表被短路。
（2）电压表无示数：电压表与电源之间有断路或电压表测量部分短路。
（3）灯泡不亮的话，要结合电流表和电压表一起判断：若电流表无示数，则多数情况是断路;若电压表也无示数，则电压表以外断路;如果电压表有示数，而电流表无示数，则电压表测量部分断路;若电流表有示数，而电压表无示数，一般是灯泡短路。
[例4]如图26所示，当开关S闭合后，两个灯泡均发光，两电表均有示数。过一段时间后，发现电压表示数变为0，电流表示数增大。经检查发现除灯泡外其余器材的连接良好，造成这种情况的原因可能是（）。
A.灯L1断路??? B.灯L2短路
C.灯L1短路??? D.灯L1、L2断路
学生分组实验一：模拟灯泡L1短路的情形，取一根导线并接到L1的两端，闭合开关，灯泡L2发光，且亮度增加，电流表示数变大，电压表无示数（被短路）。
学生分组实验一中，电流路径的“可视化”分析如图27和图28，此时电路从两个用电器变为只有L2，电阻变小，电流变大，电压表示数根据欧姆定律分析U=IR导线=I x 0=0。
学生分组实验二：模拟灯泡L1断路的情形，将灯泡L1从灯座上取下来，闭合开关，灯L2不亮，电流表无示数，电压表示数变大，为电源电压（初中物理将电源看成理想电源，不考虑电池内电阻）。
学生分组实验二中，电流路径的“可视化”分析如图29和图30，此时L1断路，串联电路断路，L2不亮，电流表示数为0，那为什么电压表示数变大呢？虽然L2熄灭，电流表无示数，但是L2和电流表、闭合的开关S、导线都是导体，电压表可以连接到电源两极上，从测L1两端的電压变为测电源电压。
初中物理将电源看成理想的电源，不考虑电源内电阻，但学生做实验时内电阻仍然有较大影响，为了减小实验误差，建议教师做演示实验时，用内电阻较小的学生电源，以减小电源内电阻的影响。同样，教师可以引导学生做灯L2短路、断路的模拟实验，这里就不再一一探讨了。
总之，解题是学习物理的必由之路，习题课教学也是中学物理教学必不可少的一个重要环节。教师在讲解习题时，强化“可视化”思维的展示，首先要顺应学生的“错”，使学生得到较大的认同感，然后结合物理实验和微课等信息技术手段，克服思维障碍，再辨析概念，进一步深化学生对相关规律的理解，进而提升学生运用有关规律、方法解决问题的能力。
[参考文献]
[1]徐祥宝.从碎片化解题走向结构化解题：基于核心素养的“自然而然法”解题模式简介[J].物理教师，2019（1）：35-40.
[2]陈晓凤.可视化方法在初中物理电学实验二轮复习中的运用[J].新课程（中），2018（9）：237.
