從物理知識(shí)提煉物理觀念的一個(gè)教學(xué)案例*
——兼談?dòng)眯卧黝}教學(xué)進(jìn)行概念整合

夏維宏 張 國(guó)

(北京匯文中學(xué) 北京 100061)

續(xù)佩君

(首都師范大學(xué)物理系 北京 100048)

1 問題的提出

《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》雖然指出了物理觀念形成的基本途徑——“物理觀念是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華；是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)”[1]，但在新概念和規(guī)律連續(xù)涌入的實(shí)際教學(xué)中，對(duì)知識(shí)的接受、消化及其理解難度使學(xué)生難于及時(shí)進(jìn)行物理觀念的提煉和獲得升華.應(yīng)該承認(rèn)，這是目前物理觀念教育的常態(tài)，且在一段時(shí)期內(nèi)還難于避免.為探索這一問題的解決途徑，嘗試以“電源”為題，幫助學(xué)生感受由知識(shí)提煉觀念的過程，在高二學(xué)完電磁學(xué)內(nèi)容后，組織學(xué)生開展了一次以物理觀念教育為主題的小單元教學(xué).小單元主題教學(xué)是指將某些分散在教材不同章節(jié)但相互間具有明顯內(nèi)在聯(lián)系的物理知識(shí)，通過某一主題整合成一個(gè)課時(shí)不多的教學(xué)單元.“主題”可以是知識(shí)型的，也可以是操作型或教育型的；可為新課，也可為復(fù)習(xí)課.由此可知，小單元主題教學(xué)有利于教師在整合目的性的內(nèi)容與方式之間靈活且統(tǒng)一的組織教學(xué).單元教學(xué)時(shí)“全局意識(shí)更強(qiáng)，對(duì)知識(shí)與規(guī)律建構(gòu)的把握更加精當(dāng)，有利于改善和促進(jìn)當(dāng)下的物理教學(xué)實(shí)踐”[2].

在這次“電源”主題教學(xué)實(shí)踐之后，不少學(xué)生反映：原來物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)和相互作用觀、能量觀沒那么抽象，不就在我們學(xué)的這些知識(shí)之中嗎.

2 “電源”小單元教學(xué)的目的 內(nèi)容與組織

2.1 教學(xué)目的

通過解析多種電源的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，體驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)分類的方法，同時(shí)加深理解“電動(dòng)勢(shì)”“非靜電力”等概念以及電源的物理本質(zhì).通過概括電源的工作過程在實(shí)質(zhì)上是不同物質(zhì)彼此之間發(fā)生不同類的相互作用,通過不同形式的運(yùn)動(dòng)完成的不同形式的能量向電能的轉(zhuǎn)化過程，感悟知識(shí)之間的相互關(guān)聯(lián)，學(xué)習(xí)從知識(shí)提煉物理觀念，體驗(yàn)如何提出質(zhì)疑，理解需要將不同學(xué)習(xí)階段所學(xué)的知識(shí)自主進(jìn)行關(guān)聯(lián)、形成一個(gè)整體認(rèn)知的必要性.

2.2 知識(shí)載體和教學(xué)方式的選擇

電源是一個(gè)學(xué)生極其熟悉的概念.雖然始于生活，從小就經(jīng)常使用，也從小學(xué)科學(xué)和初中物理等學(xué)科就開始專門學(xué)習(xí)，但由于不同電源在材料、結(jié)構(gòu)、原理、用途上的不同，學(xué)生卻始終沒有深入解析其內(nèi)在變化過程和理解電源的物理實(shí)質(zhì).電源的知識(shí)涉及到物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)等諸多學(xué)科，其中涉及的物理學(xué)概念散落在不同的教學(xué)章節(jié).在不同電源的結(jié)構(gòu)和原理上，學(xué)生普遍存在著程度不同的困惑.對(duì)電源概念認(rèn)知的這些客觀或主觀的狀態(tài)，提供了用小單元課對(duì)電源相關(guān)概念進(jìn)行整合的客觀需求.更重要的一點(diǎn)是，不同電源在形態(tài)和使用上都具有直觀實(shí)體性和單一功能性，在結(jié)構(gòu)與原理的背后都比較容易直接感受到材料的先行存在、相互作用下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變過程以及做功與能量的轉(zhuǎn)化.不同電源的這些共同特征給學(xué)生感受或體驗(yàn)如何由具體知識(shí)向觀念層面進(jìn)行提煉和升華，創(chuàng)造了較有利的客觀條件.

教學(xué)方式：學(xué)生查閱資料、自學(xué)與探究、講授、課堂交流相結(jié)合.

3 “電源”小單元新課教學(xué)過程的主要環(huán)節(jié)

3.1 布置開放性作業(yè)

內(nèi)容：電能的獲得，常見電池的分類與發(fā)電技術(shù)，并嘗試從不同角度對(duì)其抽取共同因素.

要求：收集資料，分享交流；對(duì)“分類”與“共同性”提出自己的見解及得出見解的方法.

3.2 課堂匯報(bào) 師生提煉 建立電源概念

3.2.1 電能的使用

英國(guó)化學(xué)家和物理學(xué)家J·丹尼爾發(fā)明了世界上第一個(gè)使用于早期鐵路信號(hào)燈的電池(1836).現(xiàn)在常用的電池有化學(xué)電池和太陽能電池，兩者按照被轉(zhuǎn)換為電能的原能量的性質(zhì)區(qū)分.

3.2.2 化學(xué)電池的分類

常用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一是電解液種類，二是電極材料.按電解液種類，分為堿性電池、酸性電池、有機(jī)電解液電池.堿性電池電解液主要以氫氧化鉀溶液為主，如堿錳電池、鎘鎳電池，鎳氫電池等.酸性電池電解液主要以硫酸溶液為介質(zhì)，如鋅錳干電池、海水電池等.有機(jī)電解液電池主要以有機(jī)溶液為介質(zhì)，如鋰離子電池.按電池正、負(fù)極所用材料，劃分為鋅系列電池(鋅錳電池、鋅銀電池)、鎳系列電池(鎘鎳電池、氫鎳電池)、鉛系列電池(鉛酸電池)、二氧化錳系列電池(鋅錳電池、堿錳電池)、空氣(氧氣)系列電池，如鋅空電池.

3.2.3 我國(guó)現(xiàn)有電力能源

火力發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電及核能發(fā)電與太陽能發(fā)電等，其分別是將化學(xué)能與內(nèi)能、機(jī)械能、核能、光能通過相應(yīng)的不同器材裝置(大都是發(fā)電機(jī))，轉(zhuǎn)化為電能.發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能是交流電能，便于進(jìn)行超高壓遠(yuǎn)距離輸送.

3.2.4 交流且提煉

第一，科學(xué)分類要先定標(biāo)準(zhǔn).第二，各類電源在結(jié)構(gòu)、原理、過程上的共性：不同物質(zhì)材料，彼此相互作用，不同運(yùn)動(dòng)形式，不同形式能量向同一種能量轉(zhuǎn)化.

3.2.5 探討電源概念的實(shí)質(zhì)

一種穩(wěn)定持續(xù)產(chǎn)生電能的能量轉(zhuǎn)換器材、裝置或工程設(shè)備.轉(zhuǎn)折-思考，激發(fā)欲望：這些電源裝置或設(shè)備里面的結(jié)構(gòu)到底什么樣，究竟怎么轉(zhuǎn)化得到電能的？

3.3 探究直流電源(化學(xué)電池) 進(jìn)一步理解非靜電力的功與電動(dòng)勢(shì)及內(nèi)阻

3.3.1 電源結(jié)構(gòu) 導(dǎo)電粒子 電流回路與電源工作原理

學(xué)生拆解化學(xué)電池，觀察材料、結(jié)構(gòu)，思考分析3個(gè)問題：電池內(nèi)的導(dǎo)電粒子是什么性質(zhì)的粒子？在電源中與電路中，導(dǎo)電粒子如何定向移動(dòng)？在電極兩端發(fā)生了什么物理過程使電源不間斷地獲得電能？注意適時(shí)插入下述三方面的啟發(fā)性提示：可從電源定義或從原有能量靠什么物理過程轉(zhuǎn)化為電能的視角進(jìn)行思考，要把電源放進(jìn)閉合電路中整體考察電流的流程，敢于使用其他學(xué)科知識(shí)進(jìn)行綜合論證.

3.3.2 梳理原理

在電源內(nèi)部電極與電解液的接觸面處，極板上的電子和溶液中的離子之間不斷發(fā)生的相互作用(一種化學(xué)作用)使化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能.從物理學(xué)視角，物質(zhì)總在運(yùn)動(dòng)，總能量時(shí)刻守恒；該種化學(xué)相互作用是一種非靜電力在做功.

3.3.3 自制電池供電 尋找丟失電壓 基于測(cè)量數(shù)據(jù)理解內(nèi)阻

學(xué)生自制電池，檢測(cè)有電(約0.9 V)，連接小燈泡，不亮.在電路中再測(cè)電池電壓，電壓去哪兒了？猜想-測(cè)量求證：從外電路到內(nèi)電路測(cè)量電壓求證，意識(shí)到內(nèi)電路發(fā)生的能量消耗，循因可知內(nèi)阻、內(nèi)電壓的必然存在.

3.3.4 提煉概念

非靜電力、電動(dòng)勢(shì)、路端電壓，內(nèi)阻；內(nèi)電路、外電路，內(nèi)電壓、外電壓(路端電壓).對(duì)于新建立的重要概念，既需厘清其來龍去脈，還需引向提升物理觀念.例如非靜電力，在分析了不同類型電源中非靜電力的具體形成機(jī)制之后(1)化學(xué)電池——物理化學(xué)作用;熱電偶——電子氣的擴(kuò)散作用;光伏發(fā)電——半導(dǎo)體的光電效應(yīng);電磁感應(yīng)——磁場(chǎng)或渦旋電場(chǎng)對(duì)(運(yùn)動(dòng))電荷的作用.目前的風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、熱電和核電，核心原理都是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用(動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)).，通過歸納明確：盡管不同電源中非靜電力的機(jī)制不同，但都是在電源內(nèi)部克服靜電力移動(dòng)電荷做正功.由此共同點(diǎn)抽象出一個(gè)統(tǒng)一的“非靜電力” 概念[3].繼而，在要求學(xué)生思考并試作回答“如何向觀念層面再提升一步”之后，再明確說明：所有的機(jī)制，都不過是某幾種物質(zhì)之間的相互作用能夠完成同一任務(wù)——克服靜電力對(duì)電荷做正功；正是在克服靜電力對(duì)電荷做正功的過程中將其他形式的能量轉(zhuǎn)換為電能.

3.3.5 交流拓展3個(gè)問題

(1)結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)與日常觀察，舉例說明電源內(nèi)阻的客觀存在.(2)在干電池、小燈泡、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)構(gòu)成的一個(gè)閉合回路中，都存在著什么形式的能量轉(zhuǎn)化，整個(gè)回路的電勢(shì)又是如何分布的？(3)從物質(zhì)觀分別審視一個(gè)化學(xué)電源，以及一個(gè)含源直流閉合電路，有沒有以場(chǎng)形態(tài)存在的物質(zhì)？

3.4 探究交流電源 深入理解電磁感應(yīng)

3.4.1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 電流的產(chǎn)生與持續(xù)及大小與方向

學(xué)生拆解交流發(fā)電機(jī)模型，觀察材料、結(jié)構(gòu)(裝置與運(yùn)轉(zhuǎn)).思考分析3個(gè)問題：為什么可用一個(gè)矩形導(dǎo)線框代替一組線圈來分析發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理？發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流方向和大小為什么會(huì)發(fā)生改變？要使發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流波形保持正弦曲線，在器材和操作上起碼需要滿足哪些條件？對(duì)第三個(gè)問題的討論，需要涉及勻強(qiáng)磁場(chǎng)、密度均勻的直導(dǎo)線構(gòu)成的線圈組(對(duì)轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量分布而言)、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)軸，以及線圈做勻速定軸轉(zhuǎn)動(dòng).此外，還可適時(shí)指出，該問題的表述既體現(xiàn)了物理學(xué)如何看世界和如何研究問題的視角,物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、相互作用的這一表述順序，也給我們回答問題提供了一個(gè)邏輯思路.

3.4.2 發(fā)電過程的宏觀分析與質(zhì)疑的提出

實(shí)踐操作發(fā)電機(jī)發(fā)電點(diǎn)亮小燈泡；斷開電路，測(cè)量輸出端電動(dòng)勢(shì)的值.思考如何從物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、能量3個(gè)角度解釋線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)如何獲得電動(dòng)勢(shì)？有3個(gè)注意點(diǎn).一是說“物質(zhì)”時(shí),不能丟掉空間的磁場(chǎng).二是說“運(yùn)動(dòng)”時(shí),須包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)和電磁運(yùn)動(dòng)及其變化，導(dǎo)線切割磁感線的同時(shí)導(dǎo)線中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，屬于電磁運(yùn)動(dòng).三是注意實(shí)際難點(diǎn)在于：發(fā)電過程中機(jī)械能到底是如何轉(zhuǎn)化為電能的.宏觀地看，有兩種解釋.用法拉第電磁感應(yīng)定律解釋，線圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，與磁場(chǎng)共面時(shí)，線圈所圍面積內(nèi)的磁通量為零，但在變化，變化率還最大，因此有感應(yīng)電流產(chǎn)生；用切割運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制解釋，導(dǎo)線切割磁感線時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)線中隨之運(yùn)動(dòng)的大量電子的洛倫茲力(即宏觀的非靜電力)，使電子定向移動(dòng)，導(dǎo)致有電流產(chǎn)生(即動(dòng)生電流).磁場(chǎng)同時(shí)對(duì)此電流發(fā)生作用(使線圈受安培力)，這導(dǎo)致線圈要繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)就必須克服安培力所做功，于是需要消耗機(jī)械能.由于從能量角度看，動(dòng)生電流生成的原因不是直接源于磁，就是機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了線圈中的電勢(shì)能.宏觀解釋的優(yōu)勢(shì)是可以簡(jiǎn)潔地得到結(jié)論，但不同結(jié)論之間欠缺內(nèi)在的聯(lián)系，甚至有相互矛盾的假象，難以形成整體認(rèn)識(shí).

兩個(gè)解釋的差異源于模型不同.在電動(dòng)力學(xué)中存在兩個(gè)假設(shè)，非靜電力做功與電磁感應(yīng)，分別建立兩個(gè)模型.雖然模型不同，但兩個(gè)模型對(duì)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的理論計(jì)算，得出的量值卻是一樣的[4].或許，這意味著更深層的聯(lián)系有待探索.

不過仍然可以提出一個(gè)值得質(zhì)疑的問題.電磁感應(yīng)理論和最后的麥克斯韋方程組，都是研究磁變電的；“動(dòng)生”過程沒有磁能向電能的轉(zhuǎn)化，為什么歸屬于電磁感應(yīng)理論之中？

3.4.3 試引導(dǎo)對(duì)“質(zhì)疑”進(jìn)入微觀機(jī)理的探索

仔細(xì)思考動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生過程，注意到兩點(diǎn).從微觀看，洛倫茲力是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用，在切割磁感線時(shí)它對(duì)導(dǎo)線內(nèi)電子做的正功意味著磁場(chǎng)能量向電勢(shì)能的轉(zhuǎn)化，雖然在洛倫茲力做的總功(零)中不被顯現(xiàn).這也說明還有一份等量的負(fù)功，即大量電子定向移動(dòng)受到的洛倫茲力(宏觀的安培力)的負(fù)功，消耗機(jī)械能同步補(bǔ)償了磁場(chǎng)能.或者說機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程其實(shí)借助了磁場(chǎng)能變化.即“動(dòng)生”過程在機(jī)理上雖不像“感生”過程一樣直接呈現(xiàn)為磁電轉(zhuǎn)化，但還離不開磁與電的不間斷相互作用，因此放在了電磁感應(yīng)的理論框架內(nèi).

綜合來看，“動(dòng)生”過程，導(dǎo)體、電子與磁場(chǎng)之間發(fā)生的相互作用——非靜電力與安培力，即實(shí)物粒子與場(chǎng)之間進(jìn)行的是具有清晰微觀細(xì)節(jié)的機(jī)械能與電磁能的轉(zhuǎn)化過程；“感生”過程，磁場(chǎng)、渦旋電場(chǎng)與微觀粒子之間相互作用，在一定條件下以場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)及其變化直接完成磁場(chǎng)能量與電場(chǎng)能量間的轉(zhuǎn)化.兩種過程，從微觀機(jī)理到宏觀的能量轉(zhuǎn)化，差異如此之大，但是統(tǒng)一于法拉第電磁感應(yīng)定律磁通變化率的描述，是不是隱藏著更加深刻的內(nèi)容有待挖掘呢？

3.4.4 對(duì)比發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)

仿照發(fā)電機(jī)的分析過程，從結(jié)構(gòu)、工作原理、微觀機(jī)制、宏觀過程和能量轉(zhuǎn)化幾個(gè)角度比較異同點(diǎn).

3.4.5 提煉概念

洛倫茲力、安培力，磁通量、電磁感應(yīng)、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，正電動(dòng)勢(shì)、反電動(dòng)勢(shì)，交流電的周期與頻率.

3.5 交流拓展

變壓器的功能、工作原理、銘牌參數(shù)與使用，拆裝實(shí)驗(yàn)室可拆變壓器.仿照本單元上述兩節(jié)的研究方式自學(xué)、交流，提煉出所涉及的物理概念，最后提交小論文：從物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)和相互作用、能量的角度考察變壓器.