基于动态图示技术的高中物理概念教学

摘 要：运用动态图示技术设计高中物理“电流速度”概念的教学示例。以“电流速度”概念的教学难点为出发点，分析了高中物理电流教学中涉及的三种速度之间的内在联系与区别。基于Office PPT的动画功能，设计了三种速度的动态图示，并详细描述了动态图示制作过程。通过动态视觉呈现，可以增强学生对概念的理解，提高教学效果。

关键词：动态图示；PPT动画；电流速度；高中物理教学；鲁科版

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）11-0080-4

高中物理教学中，无论是机械运动、热运动、光的传播，还是电学中的电流运动，研究过程均是动态的运动或变化。然而，由于纸质教材的限制，这些动态现象通常只能通过静态图片呈现。可视化教学在高中物理中是一种重要的教学手段，它能够帮助学生更便捷和高效地掌握抽象的物理知识，从而提升学习效率［１］。利用动态图示对教科书资源进行优化已成为一种重要的教学策略。通过动态图示直观展示物体的运动和变化，不仅降低了教师对抽象知识的讲解难度，也显著减轻了学生理解新知识的负担，从而有效提升课堂教学效果。

１ “电流速度”概念与教学难点

电流及其形成机理是高中物理电磁学中的重要内容。在鲁科版２０１９版普通高中物理教科书必修第三册第三章“电流”一节中，关于电流速度的描述如图１所示。

教材中提到三个与电流相关的速度：

电子的平均热运动速度，约为１０５ ｍ/ｓ。这是金属中自由电子在常温下的无规则热运动速度。在自由电子数量众多的情况下，缺乏整体的定向运动，因此不产生电流。

电场的传播速度，约为３×１０８ ｍ/ｓ，相当于光速。当导体两端施加电压时，电场沿导体迅速传播，使自由电子产生定向运动，形成电流。

电子漂移速度，约为１０－５ ｍ/ｓ。尽管在电场作用下，大量自由电子整体产生定向运动，但其速度非常缓慢，这种缓慢而有方向的运动被称为“电子漂移”。

这三种速度分别代表电子运动的不同特征，体现了三种不同形式的运动及其速度。它们之间存在紧密的内在联系，但相互关系却较为抽象和复杂。由于缺乏这三种速度区别与联系的动态直观展示，学生往往难以建立系统的知识框架，导致概念混乱。因此，利用信息技术手段，将抽象的物理运动特点以动态、直观的方式展现出来，对于教师的讲解和学生的理解都具有重要意义。

鉴于教师课件制作的便利性和易用性，利用ＰＰＴ（以ｏｆｆｉｃｅ ３６５为例）和ＧＩＦ动态图录制软件来设计和制作动态图示。

２ 基于ＰＰＴ的动态图示设计与制作

从电流的形成角度分析，在开关闭合的瞬间，导体内部首先会产生电场。在电场力的作用下，自由电子在热运动的同时，整体发生定向移动。因此，在动态图示的设计上，需分阶段展示不同速度的特征。首先，单独设计“电场传播速度”的动态图示，以直观展示电流“传播”的实质：当电路形成闭合回路后，电场在导线中迅速建立。这一阶段强调电场的快速传播特性。其次，单独制作“自由电子热运动速度”的动态图示，以展示热运动的无序特点。此图示将突出自由电子在热运动中的随机性和混乱性。最后，将这三种速度整合在一起，在电场形成和电子热运动的基础上，呈现出电子整体朝一个方向的“漂移速度”。

２．１ “电场传播的速度”动态图示制作

２．１．１ 动态展示需求分析

为了生动地展示电场瞬间形成和消失的效果，需要制作开关断开与闭合两种状态下导体中电场存在与消失的对比动画。为了实现这一目标，可以利用ＰＰＴ的页面切换功能，设计两张状态不同的静态幻灯片。一张展示电路闭合时，导体中电场已形成的状态，强调电场的存在；另一张展示电路断开时，导体中电场消失的状态，突出电场的消失。由于电场在导体中的传播速度接近光速，肉眼无法察觉电场“铺设”的过程。因此，页面切换时采用“无”特效，通过快速直接切换来模拟电场瞬间生成和消失的动画效果。

２．１．２ 动态图示设计

在新建ＰＰＴ演示文稿后，可以通过“插入”菜单中的“形状”功能，插入表示电路的直线及表示“一段导体”的圆柱体。为了突出导体与导线之间的视觉区别，可以在选定对象后，右键点击“层级”选项，调整各个元素的层级，将导体置于导线之上，从而增强电路图示的真实感。

接下来设计动画，选中导体及相关元素后进行复制粘贴，以制作表示开关状态变化的两张静态幻灯片。一张表示开关断开状态，另一张则展示闭合形成回路的状态，如图２所示。确保两张幻灯片中的元素位置保持一致。同时，在导体区域插入表示电场方向的电场线箭头，注意导体中的电场线方向由电势高指向电势低。

为了实现动态效果，将幻灯片切换设置为“无”效果。在播放时，可以使用ＧＩＦ录制软件对这两张幻灯片的切换过程进行录制，从而实现电路开关闭合与断开时导体中电场瞬间出现和消失的动态可视化。

２．２ “自由电子的热运动的速度”动态图示制作

２．２．１ 动态展示需求分析

自由电子在导体内进行的是速度极快的无序热运动，其速度可达１０５ ｍ/ｓ，且运动方向随机变化，不具有整体定向性。为了动态展示自由电子乱飞的热运动效果，需要在有限空间内描绘出电子高速、多变的随机运动路径和状态。

基于ＰＰＴ的路径动画功能，可以为每个电子绘制循环运动的自定义路径，并设置较快的运动时间，以实现电子高速运动的可视化。为每个电子绘制不同的运动路径，确保这些路径形状各异，起止点不同，从而有效表现出电子随机变化方向的特征。选择“路径动画”选项，设置每个电子沿其自定义路径循环播放，使电子能够持续在其路径上高速运动，从而达到连续的自由电子热运动动态效果。

２．２．２ 动态图示设计

首先，在表示“一段导体”的图形内部插入多个小圆，代表大量自由电子。然后，依次选择每个电子小圆，进入“动画”菜单，选择“自定义路径”，为每个电子描绘自由曲线的闭合路径（图３）。这些路径代表电子无规则的热运动轨迹。

考虑到电子运动速度非常快，在“计时”选项中，可以将每个电子路径动画的时间设置为较短，大约为１到２秒。为了确保电子能持续不断地运动，需要在“动画”窗口将“平滑开始”和“平滑结束”的时间值设为０。这意味着路径动画直接开始和结束，没有渐显渐隐的效果。

此外，在“计时”窗口中，将“重复”值选择“直到幻灯片结束”，以使动画持续播放并循环，实现自由电子在导体内高速不断运动的热运动动态可视化。

幻灯片播放后，可有效展示“自由电子”的无规则运动。由于自由电子的热运动与电场的传播没有直接联系，为了单独突出“电子无规则运动”，动态图示中不涉及电场元素。在此步骤中，可以删除与电场传播相关的“电源”“开关”“一段导体”“导线”等元素，仅保留电子及其运动路径。接下来，使用ＧＩＦ录制软件对导体中自由电子的热运动进行录制，制备“漂移速度”视频素材。

２．３ 综合展示中呈现“漂移速度”

２．３．１ 动态展示需求分析

在闭合电路后，导体中快速形成电场，高速热运动的电子在电场的作用下开始缓慢定向移动，从而综合体现电子的“漂移运动”效果（对于正电荷，运动方向朝向电源的负极）。动态图示的构建较为复杂，需要将前述的两部分整合，并加入用以展示“定向移动”的路径动画。

从制作思路上看，可在两张幻灯片中设置不同元素，一张为开关未闭合时仅电子无规则运动，另一张为开关闭合后加入电场及电子定向运动，利用动画路径和速度设置，实现电子漂移运动的动态可视化。

２．３．２ 动态图示设计

首先，将已经制作好的、用于展示电子高速随机运动的“单独电子的无规则运动”动画插入第一张幻灯片，并设置合适的图片大小，如图4（ａ）所示。这样，在幻灯片播放时，无论开关闭合与否，电子都在持续高速做无规则的热运动。

接下来，将对第二张幻灯片进行编辑。首先，复制第一张幻灯片中“单独电子的无规则运动”元素，并通过“Ｃｔｒｌ＋Ｖ”命令将其粘贴到第二张幻灯片上，以确保两张幻灯片中电子的位置保持一致。

在此基础上，进入“动画”功能，为第二张幻灯片中的“单独电子的无规则运动”添加自定义路径，以使电子缓慢向固定方向移动，表示其漂移运动，如图4（ｂ）所示。路径动画的时间设置为“与上一动画同时”，即与电场形成的动画同步进行。同时，将电子的移动速度设为“非常慢”。通过这种设置，当幻灯片播放并切换到第二页时，开关闭合后导体中立即出现电场；原本处于热运动状态的电子在幻灯片切换后，除了继续进行热运动外，还会缓慢向电源的正极方向定向移动。这样，就实现了电子随机运动与定向漂移运动的动态综合展示。

２．３．３ 遮挡处理

在演示第二张幻灯片的过程中，随着“单独电子的无规则运动”沿着直线路径“定向移动”的进行，“电子”会逐渐超出所在的导体范围，这影响了动画的真实性。

为了避免这一问题，需要在导体的左侧添加一个遮蔽层（图5所示的虚线框部分）。具体步骤如下：使用截图功能截取一个与导体左边界完全重合的图片区域，获取的图片将作为遮蔽层。

接下来，将截取的遮蔽图片插入到该幻灯片中，确保其位置恰好覆盖在导体的左边界。然后，在“格式”菜单中，通过“层级”功能调整各个元素的层级。将遮蔽图片置于最顶层，“单独电子的无规则运动”动画置于中间层，导体与其他元素置于底层。当电子移动超出导体边界时，会被顶层遮蔽所覆盖，从而增强动画的真实性。

３ 动态图示的实施效果及意义

３．１ 动态图示的课堂实施与效果

在“电流”一节的教学实施中，教师将三个ＧＩＦ动态图示（“电场传播速度”“自由电子的热运动速度”“电子漂移速度”）整合进课件中。这些动态图示在讲授过程中适时展示，辅助解释和分析电流速度的三种不同概念。

“电场传播的速度”的动态图示通过两张静态幻灯片的快速切换，生动形象地呈现了电场在导体中瞬间形成的过程。在教学中，学生通过这一动态图示直观理解了电场传播速度极快的概念，并认识到日常生活中所说的“电流快”实际上是指电场的传播速度。

“热运动的速度”的动态图示则增强了学生对电子随机热运动概念的理解与记忆。相较于静态图片，动态图示可视化地展示了电子的无规则运动，有效帮助学生厘清“电场传播速度”与“热运动速度”的区别，从而提升教学效果。

“漂移速度”的动态图示实现了开关闭合、电场形成及电子运动状态由无规则运动到整体定向漂移的动态可视化。这一直观的动态图示帮助学生更好地观察和理解电子在电场作用下的运动状态演变。它有助于学生理解“定向漂移”其实是电子在热运动的同时整体朝某一方向漂移，避免了“电流由开关快速流向用电器”或“电流先通过开关后通过用电器”等基于直觉的错误观念。

通过生动的视觉效果，教师能够帮助学生构建正确的物理认知，并促进教与学的互动。这不仅便于教师的讲解，也使学生能够建立正确和系统的物理理解，最终达到增强教学效果的目的。因此，这种基于ＰＰＴ制作的电子漂移动态图示在高中物理电学教学中具有良好的实践应用价值。

３．２ 动态图示在概念教学中的意义

随着信息技术的飞速发展，教师现在能够在课堂上轻松利用动态图像向学生展示精心设计的物理情境。这种技术使教师能够将物理问题转化为对应的物理图景，并分层次、有步骤地动态展示这些图景，从而揭示问题的本质［２］。这种展示方式不仅使复杂的物理概念变得生动易懂，而且为学生提供了一个直观、真实的学习环境，极大地促进了学生对抽象物理概念的掌握。

动态图示技术在概念教学中发挥着至关重要的作用，主要得益于其“直观性”和“形象性”两大特点。通过动态图示，教师能够将抽象的物理问题转化为具体的视觉图景，这种视觉化表达显aIjgW3hSL/QT6Z8pMXGP/w==著增强了学生对学习内容的理解和记忆。此外，动态图示作为一种教学工具，与建构主义学习理论不谋而合。建构主义强调学习者通过主动探索和实践来构建知识，而动态图示正好提供了这样一个平台，让学生能够通过观察、操作和思考，逐步构建对物理现象的深层次理解。

综上所述，动态图示技术在高中物理概念教学中的应用，不仅优化了教科书资源，提高了教学效率，更重要的是，它为学生提供了一种全新的学习方式，使他们能够在互动和体验中深入理解物理概念，从根本上提升学习的质量。

４ 结 语

本文分析了高中物理“电流速度”概念教学的难点，并提出了利用动态图示技术来解决这些难点的策略。在具体的设计与制作方法上，详细阐述了如何应用ＰＰＴ动画功能设计电流三种速度的动态图示，旨在通过直观展示速度的区别和相互联系，帮助学生消除相关概念的混淆与困难。通过一个具体案例，探索了动态图示技术在物理概念教学中的应用。与静态图片资源相比，动态图示技术凭借其直观性和形象性，预期能够更有效地增强学生对概念内涵的理解，帮助他们构建系统的概念体系。尽管本文以有限的个案展开讨论，但为高中物理概念教学提供了新的方法，同时也为动态图示技术在理科教学领域的应用提供了借鉴。未来的研究可以拓展至其他理科概念教学，探索动态图示技术的应用效果，或开发更专业的动态图示制作工具，以进一步提高其在学科教学中的价值。

参考文献：

［１］朱福菊．可视化视域下的高中物理教学研究［Ｄ］．昆明：云南师范大学，２０２２．

［２］张显福．浅谈如何实现现代信息技术与高中物理教学的优化整合［Ｊ］．科学咨询（教育科研），２０１９（５）：５９．

（栏目编辑 贾伟尧）