摘 要：運(yùn)用動(dòng)態(tài)圖示技術(shù)設(shè)計(jì)高中物理“電流速度”概念的教學(xué)示例。以“電流速度”概念的教學(xué)難點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，分析了高中物理電流教學(xué)中涉及的三種速度之間的內(nèi)在聯(lián)系與區(qū)別?；贠ffice PPT的動(dòng)畫功能，設(shè)計(jì)了三種速度的動(dòng)態(tài)圖示，并詳細(xì)描述了動(dòng)態(tài)圖示制作過程。通過動(dòng)態(tài)視覺呈現(xiàn)，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)概念的理解，提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)圖示；PPT動(dòng)畫；電流速度；高中物理教學(xué)；魯科版

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）11-0080-4

高中物理教學(xué)中，無論是機(jī)械運(yùn)動(dòng)、熱運(yùn)動(dòng)、光的傳播，還是電學(xué)中的電流運(yùn)動(dòng)，研究過程均是動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)或變化。然而，由于紙質(zhì)教材的限制，這些動(dòng)態(tài)現(xiàn)象通常只能通過靜態(tài)圖片呈現(xiàn)。可視化教學(xué)在高中物理中是一種重要的教學(xué)手段，它能夠幫助學(xué)生更便捷和高效地掌握抽象的物理知識(shí)，從而提升學(xué)習(xí)效率［１］。利用動(dòng)態(tài)圖示對(duì)教科書資源進(jìn)行優(yōu)化已成為一種重要的教學(xué)策略。通過動(dòng)態(tài)圖示直觀展示物體的運(yùn)動(dòng)和變化，不僅降低了教師對(duì)抽象知識(shí)的講解難度，也顯著減輕了學(xué)生理解新知識(shí)的負(fù)擔(dān)，從而有效提升課堂教學(xué)效果。

１ “電流速度”概念與教學(xué)難點(diǎn)

電流及其形成機(jī)理是高中物理電磁學(xué)中的重要內(nèi)容。在魯科版２０１９版普通高中物理教科書必修第三冊(cè)第三章“電流”一節(jié)中，關(guān)于電流速度的描述如圖１所示。

教材中提到三個(gè)與電流相關(guān)的速度：

電子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度，約為１０５ ｍ/ｓ。這是金屬中自由電子在常溫下的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)速度。在自由電子數(shù)量眾多的情況下，缺乏整體的定向運(yùn)動(dòng)，因此不產(chǎn)生電流。

電場(chǎng)的傳播速度，約為３×１０８ ｍ/ｓ，相當(dāng)于光速。當(dāng)導(dǎo)體兩端施加電壓時(shí)，電場(chǎng)沿導(dǎo)體迅速傳播，使自由電子產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，形成電流。

電子漂移速度，約為１０－５ ｍ/ｓ。盡管在電場(chǎng)作用下，大量自由電子整體產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，但其速度非常緩慢，這種緩慢而有方向的運(yùn)動(dòng)被稱為“電子漂移”。

這三種速度分別代表電子運(yùn)動(dòng)的不同特征，體現(xiàn)了三種不同形式的運(yùn)動(dòng)及其速度。它們之間存在緊密的內(nèi)在聯(lián)系，但相互關(guān)系卻較為抽象和復(fù)雜。由于缺乏這三種速度區(qū)別與聯(lián)系的動(dòng)態(tài)直觀展示，學(xué)生往往難以建立系統(tǒng)的知識(shí)框架，導(dǎo)致概念混亂。因此，利用信息技術(shù)手段，將抽象的物理運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以動(dòng)態(tài)、直觀的方式展現(xiàn)出來，對(duì)于教師的講解和學(xué)生的理解都具有重要意義。

鑒于教師課件制作的便利性和易用性，利用ＰＰＴ（以ｏｆｆｉｃｅ ３６５為例）和ＧＩＦ動(dòng)態(tài)圖錄制軟件來設(shè)計(jì)和制作動(dòng)態(tài)圖示。

２ 基于ＰＰＴ的動(dòng)態(tài)圖示設(shè)計(jì)與制作

從電流的形成角度分析，在開關(guān)閉合的瞬間，導(dǎo)體內(nèi)部首先會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。在電場(chǎng)力的作用下，自由電子在熱運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，整體發(fā)生定向移動(dòng)。因此，在動(dòng)態(tài)圖示的設(shè)計(jì)上，需分階段展示不同速度的特征。首先，單獨(dú)設(shè)計(jì)“電場(chǎng)傳播速度”的動(dòng)態(tài)圖示，以直觀展示電流“傳播”的實(shí)質(zhì)：當(dāng)電路形成閉合回路后，電場(chǎng)在導(dǎo)線中迅速建立。這一階段強(qiáng)調(diào)電場(chǎng)的快速傳播特性。其次，單獨(dú)制作“自由電子熱運(yùn)動(dòng)速度”的動(dòng)態(tài)圖示，以展示熱運(yùn)動(dòng)的無序特點(diǎn)。此圖示將突出自由電子在熱運(yùn)動(dòng)中的隨機(jī)性和混亂性。最后，將這三種速度整合在一起，在電場(chǎng)形成和電子熱運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)出電子整體朝一個(gè)方向的“漂移速度”。

２．１ “電場(chǎng)傳播的速度”動(dòng)態(tài)圖示制作

２．１．１ 動(dòng)態(tài)展示需求分析

為了生動(dòng)地展示電場(chǎng)瞬間形成和消失的效果，需要制作開關(guān)斷開與閉合兩種狀態(tài)下導(dǎo)體中電場(chǎng)存在與消失的對(duì)比動(dòng)畫。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可以利用ＰＰＴ的頁(yè)面切換功能，設(shè)計(jì)兩張狀態(tài)不同的靜態(tài)幻燈片。一張展示電路閉合時(shí)，導(dǎo)體中電場(chǎng)已形成的狀態(tài)，強(qiáng)調(diào)電場(chǎng)的存在；另一張展示電路斷開時(shí)，導(dǎo)體中電場(chǎng)消失的狀態(tài)，突出電場(chǎng)的消失。由于電場(chǎng)在導(dǎo)體中的傳播速度接近光速，肉眼無法察覺電場(chǎng)“鋪設(shè)”的過程。因此，頁(yè)面切換時(shí)采用“無”特效，通過快速直接切換來模擬電場(chǎng)瞬間生成和消失的動(dòng)畫效果。

２．１．２ 動(dòng)態(tài)圖示設(shè)計(jì)

在新建ＰＰＴ演示文稿后，可以通過“插入”菜單中的“形狀”功能，插入表示電路的直線及表示“一段導(dǎo)體”的圓柱體。為了突出導(dǎo)體與導(dǎo)線之間的視覺區(qū)別，可以在選定對(duì)象后，右鍵點(diǎn)擊“層級(jí)”選項(xiàng)，調(diào)整各個(gè)元素的層級(jí)，將導(dǎo)體置于導(dǎo)線之上，從而增強(qiáng)電路圖示的真實(shí)感。

接下來設(shè)計(jì)動(dòng)畫，選中導(dǎo)體及相關(guān)元素后進(jìn)行復(fù)制粘貼，以制作表示開關(guān)狀態(tài)變化的兩張靜態(tài)幻燈片。一張表示開關(guān)斷開狀態(tài)，另一張則展示閉合形成回路的狀態(tài)，如圖２所示。確保兩張幻燈片中的元素位置保持一致。同時(shí)，在導(dǎo)體區(qū)域插入表示電場(chǎng)方向的電場(chǎng)線箭頭，注意導(dǎo)體中的電場(chǎng)線方向由電勢(shì)高指向電勢(shì)低。

為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)效果，將幻燈片切換設(shè)置為“無”效果。在播放時(shí)，可以使用ＧＩＦ錄制軟件對(duì)這兩張幻燈片的切換過程進(jìn)行錄制，從而實(shí)現(xiàn)電路開關(guān)閉合與斷開時(shí)導(dǎo)體中電場(chǎng)瞬間出現(xiàn)和消失的動(dòng)態(tài)可視化。

２．２ “自由電子的熱運(yùn)動(dòng)的速度”動(dòng)態(tài)圖示制作

２．２．１ 動(dòng)態(tài)展示需求分析

自由電子在導(dǎo)體內(nèi)進(jìn)行的是速度極快的無序熱運(yùn)動(dòng)，其速度可達(dá)１０５ ｍ/ｓ，且運(yùn)動(dòng)方向隨機(jī)變化，不具有整體定向性。為了動(dòng)態(tài)展示自由電子亂飛的熱運(yùn)動(dòng)效果，需要在有限空間內(nèi)描繪出電子高速、多變的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑和狀態(tài)。

基于ＰＰＴ的路徑動(dòng)畫功能，可以為每個(gè)電子繪制循環(huán)運(yùn)動(dòng)的自定義路徑，并設(shè)置較快的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)電子高速運(yùn)動(dòng)的可視化。為每個(gè)電子繪制不同的運(yùn)動(dòng)路徑，確保這些路徑形狀各異，起止點(diǎn)不同，從而有效表現(xiàn)出電子隨機(jī)變化方向的特征。選擇“路徑動(dòng)畫”選項(xiàng)，設(shè)置每個(gè)電子沿其自定義路徑循環(huán)播放，使電子能夠持續(xù)在其路徑上高速運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到連續(xù)的自由電子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)效果。

２．２．２ 動(dòng)態(tài)圖示設(shè)計(jì)

首先，在表示“一段導(dǎo)體”的圖形內(nèi)部插入多個(gè)小圓，代表大量自由電子。然后，依次選擇每個(gè)電子小圓，進(jìn)入“動(dòng)畫”菜單，選擇“自定義路徑”，為每個(gè)電子描繪自由曲線的閉合路徑（圖３）。這些路徑代表電子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)軌跡。

考慮到電子運(yùn)動(dòng)速度非常快，在“計(jì)時(shí)”選項(xiàng)中，可以將每個(gè)電子路徑動(dòng)畫的時(shí)間設(shè)置為較短，大約為１到２秒。為了確保電子能持續(xù)不斷地運(yùn)動(dòng)，需要在“動(dòng)畫”窗口將“平滑開始”和“平滑結(jié)束”的時(shí)間值設(shè)為０。這意味著路徑動(dòng)畫直接開始和結(jié)束，沒有漸顯漸隱的效果。

此外，在“計(jì)時(shí)”窗口中，將“重復(fù)”值選擇“直到幻燈片結(jié)束”，以使動(dòng)畫持續(xù)播放并循環(huán)，實(shí)現(xiàn)自由電子在導(dǎo)體內(nèi)高速不斷運(yùn)動(dòng)的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)可視化。

幻燈片播放后，可有效展示“自由電子”的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。由于自由電子的熱運(yùn)動(dòng)與電場(chǎng)的傳播沒有直接聯(lián)系，為了單獨(dú)突出“電子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)”，動(dòng)態(tài)圖示中不涉及電場(chǎng)元素。在此步驟中，可以刪除與電場(chǎng)傳播相關(guān)的“電源”“開關(guān)”“一段導(dǎo)體”“導(dǎo)線”等元素，僅保留電子及其運(yùn)動(dòng)路徑。接下來，使用ＧＩＦ錄制軟件對(duì)導(dǎo)體中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行錄制，制備“漂移速度”視頻素材。

２．３ 綜合展示中呈現(xiàn)“漂移速度”

２．３．１ 動(dòng)態(tài)展示需求分析

在閉合電路后，導(dǎo)體中快速形成電場(chǎng)，高速熱運(yùn)動(dòng)的電子在電場(chǎng)的作用下開始緩慢定向移動(dòng)，從而綜合體現(xiàn)電子的“漂移運(yùn)動(dòng)”效果（對(duì)于正電荷，運(yùn)動(dòng)方向朝向電源的負(fù)極）。動(dòng)態(tài)圖示的構(gòu)建較為復(fù)雜，需要將前述的兩部分整合，并加入用以展示“定向移動(dòng)”的路徑動(dòng)畫。

從制作思路上看，可在兩張幻燈片中設(shè)置不同元素，一張為開關(guān)未閉合時(shí)僅電子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，另一張為開關(guān)閉合后加入電場(chǎng)及電子定向運(yùn)動(dòng)，利用動(dòng)畫路徑和速度設(shè)置，實(shí)現(xiàn)電子漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)可視化。

２．３．２ 動(dòng)態(tài)圖示設(shè)計(jì)

首先，將已經(jīng)制作好的、用于展示電子高速隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的“單獨(dú)電子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)”動(dòng)畫插入第一張幻燈片，并設(shè)置合適的圖片大小，如圖4（ａ）所示。這樣，在幻燈片播放時(shí)，無論開關(guān)閉合與否，電子都在持續(xù)高速做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。

接下來，將對(duì)第二張幻燈片進(jìn)行編輯。首先，復(fù)制第一張幻燈片中“單獨(dú)電子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)”元素，并通過“Ｃｔｒｌ＋Ｖ”命令將其粘貼到第二張幻燈片上，以確保兩張幻燈片中電子的位置保持一致。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)入“動(dòng)畫”功能，為第二張幻燈片中的“單獨(dú)電子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)”添加自定義路徑，以使電子緩慢向固定方向移動(dòng)，表示其漂移運(yùn)動(dòng)，如圖4（ｂ）所示。路徑動(dòng)畫的時(shí)間設(shè)置為“與上一動(dòng)畫同時(shí)”，即與電場(chǎng)形成的動(dòng)畫同步進(jìn)行。同時(shí)，將電子的移動(dòng)速度設(shè)為“非常慢”。通過這種設(shè)置，當(dāng)幻燈片播放并切換到第二頁(yè)時(shí)，開關(guān)閉合后導(dǎo)體中立即出現(xiàn)電場(chǎng)；原本處于熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子在幻燈片切換后，除了繼續(xù)進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)外，還會(huì)緩慢向電源的正極方向定向移動(dòng)。這樣，就實(shí)現(xiàn)了電子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)與定向漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)綜合展示。

２．３．３ 遮擋處理

在演示第二張幻燈片的過程中，隨著“單獨(dú)電子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)”沿著直線路徑“定向移動(dòng)”的進(jìn)行，“電子”會(huì)逐漸超出所在的導(dǎo)體范圍，這影響了動(dòng)畫的真實(shí)性。

為了避免這一問題，需要在導(dǎo)體的左側(cè)添加一個(gè)遮蔽層（圖5所示的虛線框部分）。具體步驟如下：使用截圖功能截取一個(gè)與導(dǎo)體左邊界完全重合的圖片區(qū)域，獲取的圖片將作為遮蔽層。

接下來，將截取的遮蔽圖片插入到該幻燈片中，確保其位置恰好覆蓋在導(dǎo)體的左邊界。然后，在“格式”菜單中，通過“層級(jí)”功能調(diào)整各個(gè)元素的層級(jí)。將遮蔽圖片置于最頂層，“單獨(dú)電子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)”動(dòng)畫置于中間層，導(dǎo)體與其他元素置于底層。當(dāng)電子移動(dòng)超出導(dǎo)體邊界時(shí)，會(huì)被頂層遮蔽所覆蓋，從而增強(qiáng)動(dòng)畫的真實(shí)性。

３ 動(dòng)態(tài)圖示的實(shí)施效果及意義

３．１ 動(dòng)態(tài)圖示的課堂實(shí)施與效果

在“電流”一節(jié)的教學(xué)實(shí)施中，教師將三個(gè)ＧＩＦ動(dòng)態(tài)圖示（“電場(chǎng)傳播速度”“自由電子的熱運(yùn)動(dòng)速度”“電子漂移速度”）整合進(jìn)課件中。這些動(dòng)態(tài)圖示在講授過程中適時(shí)展示，輔助解釋和分析電流速度的三種不同概念。

“電場(chǎng)傳播的速度”的動(dòng)態(tài)圖示通過兩張靜態(tài)幻燈片的快速切換，生動(dòng)形象地呈現(xiàn)了電場(chǎng)在導(dǎo)體中瞬間形成的過程。在教學(xué)中，學(xué)生通過這一動(dòng)態(tài)圖示直觀理解了電場(chǎng)傳播速度極快的概念，并認(rèn)識(shí)到日常生活中所說的“電流快”實(shí)際上是指電場(chǎng)的傳播速度。

“熱運(yùn)動(dòng)的速度”的動(dòng)態(tài)圖示則增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)電子隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)概念的理解與記憶。相較于靜態(tài)圖片，動(dòng)態(tài)圖示可視化地展示了電子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，有效幫助學(xué)生厘清“電場(chǎng)傳播速度”與“熱運(yùn)動(dòng)速度”的區(qū)別，從而提升教學(xué)效果。

“漂移速度”的動(dòng)態(tài)圖示實(shí)現(xiàn)了開關(guān)閉合、電場(chǎng)形成及電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由無規(guī)則運(yùn)動(dòng)到整體定向漂移的動(dòng)態(tài)可視化。這一直觀的動(dòng)態(tài)圖示幫助學(xué)生更好地觀察和理解電子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)演變。它有助于學(xué)生理解“定向漂移”其實(shí)是電子在熱運(yùn)動(dòng)的同時(shí)整體朝某一方向漂移，避免了“電流由開關(guān)快速流向用電器”或“電流先通過開關(guān)后通過用電器”等基于直覺的錯(cuò)誤觀念。

通過生動(dòng)的視覺效果，教師能夠幫助學(xué)生構(gòu)建正確的物理認(rèn)知，并促進(jìn)教與學(xué)的互動(dòng)。這不僅便于教師的講解，也使學(xué)生能夠建立正確和系統(tǒng)的物理理解，最終達(dá)到增強(qiáng)教學(xué)效果的目的。因此，這種基于ＰＰＴ制作的電子漂移動(dòng)態(tài)圖示在高中物理電學(xué)教學(xué)中具有良好的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

３．２ 動(dòng)態(tài)圖示在概念教學(xué)中的意義

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，教師現(xiàn)在能夠在課堂上輕松利用動(dòng)態(tài)圖像向?qū)W生展示精心設(shè)計(jì)的物理情境。這種技術(shù)使教師能夠?qū)⑽锢韱栴}轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的物理圖景，并分層次、有步驟地動(dòng)態(tài)展示這些圖景，從而揭示問題的本質(zhì)［２］。這種展示方式不僅使復(fù)雜的物理概念變得生動(dòng)易懂，而且為學(xué)生提供了一個(gè)直觀、真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，極大地促進(jìn)了學(xué)生對(duì)抽象物理概念的掌握。

動(dòng)態(tài)圖示技術(shù)在概念教學(xué)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，主要得益于其“直觀性”和“形象性”兩大特點(diǎn)。通過動(dòng)態(tài)圖示，教師能夠?qū)⒊橄蟮奈锢韱栴}轉(zhuǎn)化為具體的視覺圖景，這種視覺化表達(dá)顯aIjgW3hSL/QT6Z8pMXGP/w==著增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解和記憶。此外，動(dòng)態(tài)圖示作為一種教學(xué)工具，與建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論不謀而合。建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者通過主動(dòng)探索和實(shí)踐來構(gòu)建知識(shí)，而動(dòng)態(tài)圖示正好提供了這樣一個(gè)平臺(tái)，讓學(xué)生能夠通過觀察、操作和思考，逐步構(gòu)建對(duì)物理現(xiàn)象的深層次理解。

綜上所述，動(dòng)態(tài)圖示技術(shù)在高中物理概念教學(xué)中的應(yīng)用，不僅優(yōu)化了教科書資源，提高了教學(xué)效率，更重要的是，它為學(xué)生提供了一種全新的學(xué)習(xí)方式，使他們能夠在互動(dòng)和體驗(yàn)中深入理解物理概念，從根本上提升學(xué)習(xí)的質(zhì)量。

４ 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了高中物理“電流速度”概念教學(xué)的難點(diǎn)，并提出了利用動(dòng)態(tài)圖示技術(shù)來解決這些難點(diǎn)的策略。在具體的設(shè)計(jì)與制作方法上，詳細(xì)闡述了如何應(yīng)用ＰＰＴ動(dòng)畫功能設(shè)計(jì)電流三種速度的動(dòng)態(tài)圖示，旨在通過直觀展示速度的區(qū)別和相互聯(lián)系，幫助學(xué)生消除相關(guān)概念的混淆與困難。通過一個(gè)具體案例，探索了動(dòng)態(tài)圖示技術(shù)在物理概念教學(xué)中的應(yīng)用。與靜態(tài)圖片資源相比，動(dòng)態(tài)圖示技術(shù)憑借其直觀性和形象性，預(yù)期能夠更有效地增強(qiáng)學(xué)生對(duì)概念內(nèi)涵的理解，幫助他們構(gòu)建系統(tǒng)的概念體系。盡管本文以有限的個(gè)案展開討論，但為高中物理概念教學(xué)提供了新的方法，同時(shí)也為動(dòng)態(tài)圖示技術(shù)在理科教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了借鑒。未來的研究可以拓展至其他理科概念教學(xué)，探索動(dòng)態(tài)圖示技術(shù)的應(yīng)用效果，或開發(fā)更專業(yè)的動(dòng)態(tài)圖示制作工具，以進(jìn)一步提高其在學(xué)科教學(xué)中的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯 賈偉堯）