基于模型構(gòu)建的概念教學(xué)嘗試
——以“電動(dòng)勢(shì)”教學(xué)為例

李茹新

(北京市朝陽外國語學(xué)校 北京 100012)

1 指導(dǎo)思想與理論依據(jù)

1.1 指導(dǎo)思想

基于《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指導(dǎo)教學(xué).核心素養(yǎng)的提出決定了教育的終極任務(wù)就是提升人的素養(yǎng).新形勢(shì)下的物理教學(xué)活動(dòng)應(yīng)該是通過知識(shí)的學(xué)習(xí)使學(xué)生逐步形成重要的物理觀念、關(guān)鍵能力和必備品格，進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).

1.2 理論依據(jù)

(1)構(gòu)建主義的學(xué)習(xí)觀.學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者構(gòu)建知識(shí)的過程，每個(gè)學(xué)生都在以原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)構(gòu)建自己的理解.學(xué)生通過高水平的思維活動(dòng)來學(xué)習(xí)，通過問題解決來學(xué)習(xí).

(2)物理教學(xué)的基本特征理論模型.以創(chuàng)設(shè)問題情境為切入點(diǎn)，以觀察實(shí)驗(yàn)(事實(shí))為基礎(chǔ)，以培養(yǎng)學(xué)生思維能力為核心，以提升學(xué)生探究能力為重點(diǎn).

2 教材分析

人教版教材提出了“非靜電力”，讓學(xué)生從力和運(yùn)動(dòng)的角度認(rèn)識(shí)到電源內(nèi)部非靜電力的存在，進(jìn)而得出非靜電力在電源能量轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮的作用.然后將電源與抽水機(jī)類比，從不同抽水機(jī)使單位質(zhì)量的水增加的重力勢(shì)能不同過渡到不同的電源使單位電荷增加的電勢(shì)能不同，進(jìn)而引入電動(dòng)勢(shì)的概念.這樣的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了教材化抽象為形象的講授思路.但不可否認(rèn)教材并沒有從正面分析，這使得該概念在學(xué)生頭腦中一直模糊籠統(tǒng)，甚至還會(huì)跟電壓混淆，更無從談及電動(dòng)勢(shì)由非靜電力的特性決定等更深層次的理解了.

3 難點(diǎn)突破思路

學(xué)生對(duì)電源電動(dòng)勢(shì)的認(rèn)識(shí)大致可以分為如圖1所示幾個(gè)階段，如何從“電源內(nèi)部存在非靜電力”進(jìn)階到“建立電動(dòng)勢(shì)概念來表征電源將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)”，是本節(jié)的難點(diǎn).

圖1 學(xué)生對(duì)電源電動(dòng)勢(shì)認(rèn)識(shí)的幾個(gè)階段

4 學(xué)習(xí)資源和器材準(zhǔn)備

1號(hào)干電池、電容器(2 700 μF,6.3 V)、家用指針式鐘表、紅藍(lán)兩種顏色的磁力黑板貼、自制土豆電池、J0401A型指針式演示電表、手搖發(fā)電機(jī)、太陽能投光燈、數(shù)字多用表、3 V紐扣電池、9 V疊層電池、各種水果、銅片、鋅片、導(dǎo)線若干.

5 教學(xué)環(huán)節(jié)

5.1 情景引入 認(rèn)識(shí)電源的作用

對(duì)于一個(gè)完整的電路來說，電源可以說是其“心臟”，今天我們就來認(rèn)識(shí)一下電源.

實(shí)驗(yàn)觀察：教師展示未安裝電池的鐘表不工作，演示電容器放電使鐘表短時(shí)間工作，如圖2所示.

圖2 演示電容器放電使鐘表短時(shí)間工作裝置

師：鐘表工作說明電路中產(chǎn)生了電流，電流是如何形成的？

生：電容器的兩個(gè)極板存在電勢(shì)差，使導(dǎo)線中產(chǎn)生了電場(chǎng)，自由電子在電場(chǎng)力的推動(dòng)下發(fā)生了定向移動(dòng).

師：鐘表為什么工作了一會(huì)兒又停了？

生：電容器放電完畢后，兩個(gè)極板電勢(shì)差消失，電路中不再有電場(chǎng)推動(dòng)電荷移動(dòng)，電流消失，鐘表就停止工作了.

學(xué)生活動(dòng)1：畫出草圖，用磁力黑板貼模擬該過程，如圖3所示.

師：電子在流動(dòng)時(shí)，其電勢(shì)能如何變化？

生：電勢(shì)能轉(zhuǎn)化為焦耳熱.

師：用什么裝置可以給鐘表持續(xù)提供能量呢？

生：用電源.

圖3 學(xué)生模擬電容器放電畫出的草圖

師：為什么電池可以使用電器持續(xù)工作呢？

生：電源可以把負(fù)電荷從正極經(jīng)過電源內(nèi)部搬運(yùn)到負(fù)極，維持穩(wěn)定的電勢(shì)差，使回路中產(chǎn)生持續(xù)的電流.

教師通過動(dòng)畫模擬(如圖4所示)，將電源與水泵類比：水泵可以把水從水位低的地方經(jīng)過水泵送到水位高的地方，維持穩(wěn)定的高度差，使管道中產(chǎn)生持續(xù)的水流；電源可以把負(fù)電荷從正極經(jīng)過電源內(nèi)部搬運(yùn)到負(fù)極，維持穩(wěn)定的電勢(shì)差，使回路中產(chǎn)生持續(xù)的電流.

圖4 動(dòng)畫模擬電源與水泵類比示意圖

設(shè)計(jì)意圖：以學(xué)生原有的認(rèn)知作為起點(diǎn)，從電容器放電談起，在此基礎(chǔ)上通過對(duì)真實(shí)情境的思維加工，從電場(chǎng)的角度認(rèn)識(shí)電源的作用，這樣的生成比較平穩(wěn)和牢固.這既符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，又減小了新、老知識(shí)在思維上的臺(tái)階.小活動(dòng)和動(dòng)畫模擬使電容器供電和電源供電過程清晰化，化抽象為形象，幫助學(xué)生從力和運(yùn)動(dòng)的角度理解電源的作用，有利于學(xué)生找出區(qū)別，易于理解.

5.2 動(dòng)力學(xué)分析 發(fā)現(xiàn)非靜電力

師：為何正電荷仍然能夠不斷地從電源負(fù)極回到正極？是靠電場(chǎng)力的作用嗎？

學(xué)生活動(dòng)2：組織學(xué)生繪制內(nèi)外電路中的電場(chǎng)線，分析電荷的受力和運(yùn)動(dòng)情況.

生：電源內(nèi)部一定存在一種和電場(chǎng)力方向相反的力,這種力一定不是電場(chǎng)力.

師：大家都同意這種看法嗎？同學(xué)們的思路和推理非常正確！物理學(xué)中我們管這種力叫非靜電力，其特點(diǎn)是將正電荷從低電勢(shì)處搬運(yùn)到高電勢(shì)處.

師：在電源外部，電場(chǎng)力對(duì)正電荷做功為正功還是負(fù)功？正電荷的電勢(shì)能如何變化？能量的轉(zhuǎn)化去向是什么？

生：電場(chǎng)力做正功，電勢(shì)能減小，轉(zhuǎn)化為外電路的焦耳熱.

師：在電源內(nèi)部，電場(chǎng)力對(duì)正電荷做功為正功還是負(fù)功？正電荷的電勢(shì)能如何變化？正電荷為何能夠再次流向電源正極？能量又是如何轉(zhuǎn)化的？

生：電場(chǎng)力做負(fù)功，電勢(shì)能增加，非靜電力克服電場(chǎng)力做功使正電荷再次流向電源正極，該過程其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能.

教師總結(jié)：非常好，不難發(fā)現(xiàn)電源是通過非靜電力做功將其他形式能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置.電源的這兩種作用(維持兩級(jí)穩(wěn)定的電勢(shì)差和將其他形式能轉(zhuǎn)化為電能)都是通過非靜電力實(shí)現(xiàn)的，這是它和電容器的本質(zhì)差異.

實(shí)驗(yàn)演示：以土豆電池、手搖式發(fā)電機(jī)、太陽能投光燈為例介紹在不同類型的電源中，是不同形式的能量轉(zhuǎn)化為電能，對(duì)應(yīng)的非靜電力一般也不同.

設(shè)計(jì)意圖：通過在已有模型的基礎(chǔ)上繪制電場(chǎng)線并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和力的分析，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力.學(xué)生自主探究發(fā)現(xiàn)非靜電力，進(jìn)而從能量轉(zhuǎn)化與守恒角度定性地研究非靜電力的作用，更深入地理解電源到底是怎么工作的，完成電源概念的進(jìn)階.通過動(dòng)畫模擬借助已有熟知的現(xiàn)象去理解這個(gè)陌生抽象的物理過程.

5.3 能量分析 建立電動(dòng)勢(shì)概念

師：我們?cè)賮斫榻B一種電源,實(shí)驗(yàn)表明，一些金屬受到紫外線照射時(shí)會(huì)有電子射出，如圖5所示.

圖5 紫外線照射鋅板有電子射出示意圖

真空中一對(duì)平行金屬板A和B正對(duì)放置，用紫外線持續(xù)照射A板時(shí)，會(huì)有電子逸出.如果用導(dǎo)線把A和B連起來，可在靈敏電流計(jì)中檢測(cè)到電流，如圖6所示.我們可以把該裝置當(dāng)成一種電源.這個(gè)過程能量是怎么轉(zhuǎn)化的？

圖6 檢測(cè)紫外線照射金屬板產(chǎn)生電流示意圖

生：光能轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，再轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能.

師：猜猜看，若把導(dǎo)線撤掉，這個(gè)孤立的電源內(nèi)部依然能夠不停地搬運(yùn)電荷嗎？

生：電源在搬運(yùn)電荷時(shí)，內(nèi)部電場(chǎng)不斷增強(qiáng)，電荷受到的阻礙作用不斷增強(qiáng)，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，兩極形成一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差.

學(xué)生活動(dòng)3：畫出草圖，用磁力黑板貼模擬該過程，如圖7所示.

圖7 磁力黑板貼模擬電勢(shì)差形成過程

師：如果電子的電荷量為q，該過程非靜電力做功為W非，電子離開A板時(shí)的動(dòng)能為Ek，請(qǐng)利用所學(xué)知識(shí)，并從能量角度推導(dǎo)這個(gè)裝置開路時(shí)穩(wěn)定的電勢(shì)差U.

生：由動(dòng)能定理出發(fā)

W非=Ek-0

-qU=0-Ek

進(jìn)而得到

生：不同的電源搬運(yùn)相同數(shù)量電荷，非靜電力做功不同.

師：U的大小能反映電源的特性嗎？U的大小反應(yīng)電源怎樣的特性？

生：可以.U越大，電源把相同電荷從一極搬到另一極的過程中非靜電力做功越多，轉(zhuǎn)化的電勢(shì)能越多.U可以反應(yīng)不同電源將其他形式能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng).

介紹一些常見的化學(xué)電池及其電動(dòng)勢(shì),組織學(xué)生從能量轉(zhuǎn)化角度說一說銘牌上所標(biāo)“電壓”的物理含義.

師：除了從銘牌上得知電源的電動(dòng)勢(shì)之外，目前階段我們可以利用電壓表直接接在電源兩端來進(jìn)行粗測(cè).

學(xué)生活動(dòng)4：組織學(xué)生利用數(shù)字萬用表粗略測(cè)定幾種電源的電動(dòng)勢(shì)，如圖8所示.

圖8 測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)器材

師：根據(jù)學(xué)生測(cè)定的結(jié)果，歸納總結(jié)不同的電源電動(dòng)勢(shì)一般不同，電動(dòng)勢(shì)大小由電源中非靜電力的特性決定，實(shí)際使用時(shí)我們可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇.

設(shè)計(jì)意圖：考慮到常見的化學(xué)電池中非靜電力的復(fù)雜性和帶電粒子在磁場(chǎng)中受到的力學(xué)生還未涉及，故利用光伏電池構(gòu)建一個(gè)真實(shí)的物理模型，更有利于學(xué)生從正面理解電動(dòng)勢(shì)的概念、意義和定義方式，也能讓學(xué)生更深刻地體會(huì)到電源電動(dòng)勢(shì)的大小只由非靜電力的特性決定.學(xué)生活動(dòng)3的安排是為了使學(xué)生經(jīng)歷構(gòu)建模型的過程，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)物理模型在探索自然規(guī)律中的作用，并讓這個(gè)難于觀測(cè)到的抽象過程形象化，便于學(xué)生從能量角度展開科學(xué)推理、科學(xué)論證.學(xué)生活動(dòng)4旨在增加學(xué)生的實(shí)際體驗(yàn)，并為后續(xù)測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的課程留下接口.

6 教學(xué)特色說明與教學(xué)反思

物理學(xué)是怎樣的一門科學(xué)呢？筆者認(rèn)為，物理學(xué)相比其他學(xué)科最顯著的特點(diǎn)便是模型構(gòu)建的思想.物理學(xué)的發(fā)展離不開模型的構(gòu)建，模型的構(gòu)建體現(xiàn)了人類在認(rèn)識(shí)大自然過程中的獨(dú)有智慧.不管是力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)，還是近代物理的發(fā)展都無不伴隨著模型的建立、修整和完善.因此，本節(jié)最大的特點(diǎn)是教學(xué)形態(tài)上從“理解知識(shí)”變?yōu)椤斑M(jìn)行創(chuàng)造”.

通過基于電源特征抽象出符合學(xué)生當(dāng)前認(rèn)知的物理模型，利用學(xué)生已有力學(xué)和電場(chǎng)知識(shí)從能量和動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行科學(xué)推理、論證，進(jìn)而構(gòu)建反映電源本質(zhì)特征的概念電動(dòng)勢(shì)，為突破電動(dòng)勢(shì)概念的理解做了有益的嘗試.