《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）中有五个一级主题
［1］，“能量”作为其中之一，有着举足轻重的地位。《课标》在“能量”主题下的“3.1 能量、能量的转化和转移”“3.5 能量守恒”以及“3.6 能量与可持续发展”等二级主题中均作出了详细阐述，足见该核心概念的重要地位。然而反观现行人教版物理九年级教材，虽在第十四章（热机的效率、能量的转化和守恒）、第十八章（焦耳定律）、第二十章（电动机）及第二十二章（能源与可持续发展）等章节中均涉及能量相关内容，但多以碎片化知识呈现，且未配套相应的系统性实验，致使学生对能量转化的理解仅停留于理论层面，难以联系实际生活。这一现状与“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念相背离，从而严重制约了《课标》的落地。
《课标》强调，教师应充分发挥信息技术的优势，将其有效融入物理教学，创新教学方式，提升教学效率；同时应鼓励学生运用信息技术开展物理学习，以适应数字化时代的发展要求。另外，《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》也明确提出，要“促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合，提高实验教学质量和效果”。鉴于能量教学缺乏系统性实验支撑的现实，依托数字化手段重构实验形态，成为落实上述要求的可行路径
［2-4］。
基于以上思考，笔者利用相关器材制作了一套可数字化呈现的能量转化系统。通过该系统，可以直观探究能量转化问题，补充了教材中相关实验缺失的不足。该教具不仅彰显了实验教学的创新价值，更落实了信息技术与物理学科深度融合的理念。
1 制作器材
整套系统需要用到以下器材：计算机（安装有DISLab 6.8软件），朗威数据采集器，电流和电压传感器，长40 cm、宽20 cm、厚1 cm的欧松板3块，学生智能电源、手摇发电机、电容及USB接口、智能电源、电动机、小风扇、发电机、开关、蜂鸣器、发光二极管、小灯泡各一，太阳能电池板2块，导线若干，胶水，打孔器等。
2 制作方法
2.1 电路板部分
（1） 将3块欧松板切割后粘接成三棱柱形结构，其中底面适当延伸以便安装元件；将手摇发电机、电容及USB接口、2块太阳能电池板、1个智能电源、1个电动机、1个发电机、1台小风扇、1个开关、1个蜂鸣器和1个发光二极管安装在欧松板上，并通过导线连接起来，如
图1所示。
（2） 手摇发电机、发光二极管、电容及USB接口、小风扇串联组装成“手摇发电系统”；太阳能电池板、电容及USB接口、小风扇、蜂鸣器串联组装成“太阳能发电系统”；将智能电源、电容及USB接口直接连接，可组装成“智能电源直流充电系统”；将电动机和发电机组装成“电动汽车动能回收系统”，并接入小灯泡作为负载用电器。
2.2 外电路部分
（1） 在定量探究电动汽车动能回收系统的转化效率时，需要用到朗威数据采集器、电压传感器、电流传感器、装有DISLab 6.8数据处理软件的计算机。
（2） 在实验操作时，将电压传感器、电流传感器分别并联、串联到输入电路和输出电路中，分别测量输入电压、输入电流、输出电压和输出电流，且电压、电流值均由数据采集器传输到计算机，再利用计算机进行数据处理。
3 使用方法
3.1 手摇发电系统
转动手摇发电机摇把，内部大小齿轮带动线圈做切割磁感线运动而使发电机发电，即为机械能转化为电能。将二极管连入电路，二极管闪烁发亮，说明手摇发电机输出的是交流电。同时，电容迅速充电，短时间内即可为装置提供电能储备。此时，若将手机通过数据线连接至USB接口，手机显示充电提示符号，证明手机正在充电；若闭合开关使电动机接入电路，则可以看到小风扇开始转动，在此过程中电能转化为机械能。
3.2 太阳能发电系统
首先将太阳能电池板进行遮光处理，连接导线，使太阳能电池板与电容相连，打开蜂鸣器开关，蜂鸣器并没有发出声音；然后将遮住太阳能电池板的布移开，使太阳能电池板接收阳光，此时蜂鸣器发出声音，并且声音越来越大，同时发光二极管发光，由此说明光能转化为电能，随即电能又分别转化为声能和光能。
3.3 智能电源直流充电系统
将导线按正负极正确连接后，闭合开关，智能电源即对电容进行充电，短时间内就可完成储能。经稳压电路调节，输出电压稳定于5 V。此时，将手机通过数据线与USB接口相连接，手机将显示充电状态提示，表明充电功能正常运行。
3.4 电动汽车动能回收系统性能定量分析
电动汽车制动能量回收功能的基本原理：电动汽车所具有的能量回收功能，主要依靠驱动电机进行能量转化，并通过高压电缆反向传送至动力电池，达到为动力电池充电的目的。如
图2所示，车辆在制动或滑行过程中，整车惯性通过传动系统反拖电机4，使其反向运转，从而产生交流电能。电能经高压电缆传输至逆变装置2，由交流电（AC）转变为直流电（DC），通过PDU装置1为动力电池充电。此时的动力电池因整车制动或滑行未向外输出电能，只是接受充电。整车的运行工况复杂多变，制动或滑行操作频繁，回馈到动力电池的能量为提升续航里程、延长动力电池使用寿命起到了较为积极的作用。
为了模拟上述制动能量回收过程，可简化设计电动汽车动能回收系统。操作如下：电动机接通电源后开始工作，电动汽车动能回收系统中的发电机在电动机的带动下开始发电，与之连接的发光二极管随之发光，实现了机械能转化为电能的二次回收利用，从而模拟了电动汽车的动能回收。将小灯泡接在电动汽车的动能回收系统的发电机上，模拟电动汽车动能二次回收的负载用电器，并将数字化（DIS）实验设备（电流和电压传感器、智能电源、终端平板）接入电动汽车动能回收系统，此系统工作原理电路如
图3所示。闭合开关后，电压与电流传感器采集的数据会实时呈现在终端平板上。待示数稳定后，保存并记录3组数据。通过公式进一步计算智能电源和电动汽车动能回收系统在一定时间内某一个支路的输出和回收电量，进而模拟计算电动汽车动能回收的效率。
本模拟测试仅限于电动汽车行驶过程中电能转化为动能后的能量回收环节。所用的原理公式是：
W=UIt； ①
η=W输出/W输入； ②
W输出=U2I2t； ③
W输入=U1I1t； ④
将公式③④带入②得：。 ⑤
以第1组数据为例，代入公式⑤中，得：
。
如
表1所示，支路的动能回收效率为3.00%~5.00%。借助这些数据，可进一步让学生体会到能量转化的方向性，从而引导学生提出节约使用不可再生能源的倡议，提倡能源的可持续发展，并且不断创新，突破技术难关，提高汽车热机的效率和新能源车动能的回收效率。
利用此数字化实验设备，也可计算能量转化系统中其他能量转化环节的转化效率。
4 自制教具的创新点
综合性的实验设计方案体现了自主创新意识。教具将教材中涉及的多种能量转化形式有机融合，包括电能与机械能、光能之间的相互转换等，是学习能源、理解能源、合理利用能源的有效教学工具，为抽象的能量概念及转化过程建构了生动形象的生活化物理模型。
4.1 体现物理生活化
教具所需材料均源于日常生活，大部分来自废弃物品再利用。小电机取自废旧VCD，蜂鸣器与小风扇取自玩具，其余材料从实验室获取，真正体现了物理学习来源于生活、应用于生活的理念，培养了学生学习物理的思维能力与探究能力。
4.2 现象明显，可视度高
在实验过程中，发光二极管的亮度变化、蜂鸣器的声音变化、小风扇的转动及手机充电等现象明显。实验结果和数据处理过程直接呈现在计算机上，可视化程度高。利用传感器进行实验，符合信息技术与学科教学深度融合的要求。
4.3 采用数字化手段
采用数字化显示设备与智能电源进行定量分析，实现了测量过程的连续性与数据采集的精确性，避免了机械电表在读数与连续记录数据时带来的不便。数字化手段的引入，既保证了多次测量数据的稳定性和可重复性，也为深入分析能量转化效率提供了可靠的数据支撑。
4.4 内容项目化，渗透工程与创新意识
本教具以“能量”为主线，以电动汽车动能回收系统为真实情境，引导学生关注清洁能源的开发利用，探索在实验室中提高能量转化效率的物理实现途径。这一设计不仅有助于培养学生的工程思维与社会责任感，也为未来更广阔、更清洁的电动世界埋下探索的种子。
5 教学价值
通过实验探究学习物理核心观念，不仅能培养学生模型建构、科学推理、科学论证等科学思维，提高学生的方案设计、归纳总结等科学探究能力，还能深化学生对物理知识的理解，促进物理核心观念的内化与形成。相较于灌输式教学，探究式教学在促进学生深层理解、能力发展与观念建构方面具有明显优势。
5.1 深化物理观念，促进深度学习
借助教具所呈现的直观现象——发光二极管发光、蜂鸣器发声、小风扇转动、手机充电等，学生可直观地感知电能向光能、声能、机械能、化学能等多种形式转化的过程，有助于学生真正理解能量转化与守恒的内涵，从而构建能量观。
5.2 形成科学态度，涵养社会责任
利用数字化实验设备测量电动汽车动能回收系统的输出电压与电流，并据此计算能量回收效率的过程，不仅提高了学生的探究能力，也引导他们思考能源的有限性与可持续利用的紧迫性，从而形成节约资源、推动绿色发展的意识，理解改进设备、提高效率的现实意义。
6 结语
6.1 主题鲜明,与时俱进
（2） 在现有电动汽车动能回收系统探究的基础上，进一步探寻具有更高能量转化效率的物理机械结构，并优化其相互作用机制，以实现包括电动汽车在内的电动设备整体能量利用率的持续提升。
6.2 自制“数字化能量转化系统”，培养学生核心素养
（1） 为了提高学生的物理核心素养，可以采取探究式教学法突破重难点，帮助学生轻松理解电动机、发电机、动能回收等过程中的能量转化以及功率、效率的计算。
（2） 针对教材不能定量探究能量转化的不足，利用数字化设备探究能量转化的效率，具有可视度高、可重复实验的优点，不仅符合信息技术与学科教学融合的要求，更培养了学生的物理核心素养，同时形成良好的科学态度。
（3） 该“数字化能量转化系统”自制教具是以培养学生的核心素养为抓手，以真实任务或问题为驱动，借助数字化实验精准辅助实验教学，有利于减少以往学习过程中过多的“坐而论道”。同时，熟练运用信息化技术，拓展了学生的思维，为将来生产生活的难题提供了一种解决思路，有利于学生在物理学习中理解抽象复杂的物理知识，并将之灵活运用，更有利于发展学生的物理核心素养。
本自制教具以党的二十大“推动绿色发展，建设美丽中国”的号召为引领，秉承“低碳、高效、节能、绿色、环保”的设计理念，将“能量转化”这一物理核心概念与电动汽车动能回收系统这一真实工程情境有机融合，体现了“人与自然和谐共生”的理念
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