高中“電流”概念的高端備課①

李 希 董鑫鑫 邢紅軍

(首都師范大學教師教育學院，北京 100037)

電流是高中物理的重要概念，也是學生學習的重點與難點。由于現行教材未能全面詮釋電流概念的物理本質及定義式的得出過程，從而導致學生在學習中往往處于機械記憶狀態，不能深入把握電流概念的物理本質。針對以上問題，筆者立足物理學描述范式，通過顯化比值定義法，對電流概念及其定義式的得出進行符合思維邏輯的教學設計，以期為電流概念教學提供參考。

1 現行教材中電流概念的編寫分析

在深入研究教材的基礎上，筆者認為，該節教材的編寫更偏重于“電流”，教材在“拓展學習”欄目推導了電荷定向移動的速率，又在“STSE”欄目對電源的工作原理進行了補充，舍去了上一版“電動勢”的內容。教材內容的“去留”情況所折射出的編寫意圖是：電源可以在電路中提供恒定電場，從而說明恒定電流形成的物理本質。教材編寫的這種處理方式存在的問題在于：教材直接將宏觀層面的電流表現和微觀層面的電荷量相聯系，在缺乏引導性介紹的情況下就直接給出了電流的定義式，并不利于學生對電流概念的有意義建構。

筆者認為，學生在物理學習中不是去機械地記憶公式，而是要借助于科學方法，把握物理知識的本質。電流是采用比值法定義的，顯然，只有借助于比值定義法，逐步揭示電流形成的物理本質，才能展現結構嚴密、邏輯清晰的教學過程，從而幫助學生更好地理解電流概念。

2 電流概念的高端備課

基于上述分析，高中電流概念的教學需要說明電流形成的來龍去脈，并在此基礎上厘清電流和電荷量的關系，為此，筆者對高中電流概念的教學進行了如下設計。

2.1 巧用類比，詮釋“場”描述范式下的電流本質

在電流概念的引入過程中，對于電流傳輸速度和電子運動速度的討論，可以通過一個形象的比喻來處理，即：“為什么水龍頭打開就能立即流出水，而停水后從水廠再次輸送水到每家每戶的時間卻需要很久？”探究這個問題不難發現，初中對電流的描述屬于“水龍頭出水”，是在“路”的物理學描述范式下對電流進行的描述，主要關注的是一段電路或整個電路的特性和能量轉換情況，教學的要求是讓學生能夠通過電流表直接測量或通過公式進行計算；高中電流的教學則屬于“從水廠向家庭輸送水”，需要考察電場系統中所發生的物理過程。因此，高中電流教學需要在“場”的物理學描述范式下進行，[2]分析單個自由電子在電場作用下的運動狀況，從而闡釋電流的物理本質。

需要明確的是，導體中自由電子同時參與無規則熱運動和定向運動。自由電子的熱運動方向是雜亂無章的，不會產生宏觀電流。而定向運動則是在電場驅動下發生的，是產生電流的原因。根據所學的靜電力知識，學生不難知道，電場強度的大小將直接決定自由電子的定向運動速率。在恒定電場中，自由電子在電場力作用下加速運動，又在和其他離子的碰撞中受到阻礙，因此自由電子表現為以一定的平均速率定向運動。當接通電源后，在恒定電場的作用下，電路中的自由電子便會發生定向運動，從而形成恒定電流。

教師還需要進一步說明：導體內自由電子的定向運動速率很小，要遠遠小于電流傳輸的速率。此時，學生不禁要問：為什么導體通電，電流都是瞬時產生的？對此，我們可以繼續利用“自來水供應”進行類比，水廠提供了水壓(電源提供電場)，水管中充滿了水(導體內各處均有自由電荷)，只要打開水龍頭便會流出水(在電場的作用下自由電荷便會發生定向運動)。而水流要從水廠到水龍頭不是瞬間抵達的(自由電荷的定向運動速率小于電流速率)，水廠停水后，由于用戶還要用水，所以水管里儲存的水會全部流出去，但電路停電后，電路里的自由電子卻始終都不會減少，這是水管里的水和電路里面的自由電子存在的不同形式。概而言之，電流的產生在于電源提供了電場，使得導體內的自由電荷發生了定向運動，在閉合電源開關的瞬間，電路中各個位置以接近光速的速率迅速建立了電場，整個電路中也就幾乎同時形成了電流。

2.2 運用比值定義法，定量描述電流

基于“場”的物理學描述范式發現：電流大小與電場驅動的電荷量有關。為了得到電荷量和電流大小的關系，我們依據比值定義法的邏輯開展教學設計。

2.2.1 設計起點，直接比較通過導體橫截面的電荷量來定義電流

首先，建立一個直觀的物理模型(圖1)，根據這一物理模型假設：將通過某一導體相同橫截面的電荷量的多少作為電流大小的量度，看看是否可行？

圖1

設在電源電壓為2 V時，2 s內通過導體某一截面的電荷量為4C，導體內的電流為I1；改變電源電壓為1 V，5 s內通過導體某一截面的電荷量為5C，導體內的電流為I2。這時教師向學生提問：能否用通過導體內某一橫截面積電荷量的多少作為導體內電流大小的量度？若以這樣的標準來量度，則有I2>I1。然而，電流表測量的結果卻是I1>I2。這是為什么呢？教師可以引導學生分析，產生問題的原因在于：導體內的電流不僅與通過導體中某一橫截面的電荷量多少，還與時間有關，因為自由電子做定向運動通過上述橫截面需要花費時間。因此，為了確定電流，在比較通過導體中某一橫截面的電荷量多少時，所花費的時間應該相同。于是，電流的定義就轉化為比較在相同時間內通過導體中某一橫截面電荷量的多少。

2.2.2 選取相同的時間比較通過導體橫截面的電荷量，定義電流

不難發現，直接用通過導體橫截面電荷量的多少并不能準確反映出導體內的電流大小。若想解決這一問題，在比較電荷量時，還需要選取相同的時間。于是引入時間變量t，用通過導體橫截面的電荷量與所用時間的比值來定義電流(表1)。

表1

如表1所示，在2 s內，通過導體某一橫截面的電荷量與時間的比值為2 C/s；而在5 s內，通過導體某一橫截面的電荷量與時間的比值為1 C/s。這與電流表實際測量的電流數值相同,顯然，當選取相同的時間標準后，電荷量與時間的比值就能夠準確地反映出導體內電荷量流動的特性。然而，這個比值表達了什么樣的物理意義？還需要展開進一步研究。

至此，我們似乎已經看出了電荷量與時間的比值的意義，然而，這僅僅是在數學上達成了這一觀念認同。從物理學的角度出發，我們仍然需要進一步揭示其物理意義。

需要指出的是：電流大小是由電源產生的電場和通電導體所決定。在“場”的描述范式下，說明了電荷量和電流大小的關系，揭示了電流形成的物理本質。然而，電荷量通過導體相同橫截面的物理模型忽略了導體本身的物理形態和屬性。因此，對通電導體的物理性質進行深入分析，仍然需要在后續的“電阻”教學中展開進一步研究。

3 研究啟示

基于上述研究，我們得到如下啟示。

3.1 以物理學描述范式分析電流形成的物理本質

在高中物理概念教學中，很多物理概念往往是教材通過文字直接給出，學生只是機械地記憶物理概念，很難理解物理概念背后的物理本質。在這種情況下，學生往往只知道物理概念“是什么”，卻不知道“為什么”。因此，在電流的高端備課中，我們需從物理學描述范式的視角，[3]基于“場”的描述范式，分析導體內的自由電子在場的作用下的運動狀況，從而揭示電流形成的根本原因，這就將初中物理“路”的描述范式下的電流定義與高中物理“場”的描述范式下的電流定義進行了統一。這樣的教學設計，不僅能夠從宏觀角度認識電路中的電流，而且也能窺視到導體內部自由電子微觀運行的機制，不但解決了電流“是什么”的問題，還解決了“為什么”的問題。顯然，基于物理學描述范式審視電流的教學，能夠幫助學生重整電流的知識結構，并體現了物理學教學的本質。

3.2 按照比值定義法的步驟建立電流的定義式

比值定義法的本質是比較，就是根據一定的標準把彼此有某種聯系的事物加以對照，從而確定其相同與相異之點，以便對事物做出分類。[4]因此，以比值定義法進行高中電流的教學設計，首先要確立比較對象，在場的描述范式下說明電流的形成與定向移動的電荷量有關，再選取時間作為比較的標準，使電荷量與時間的比值能夠準確地表達在單位時間內電路中電荷量輸送的多少，并最終闡釋電流的物理意義。顯而易見，只有運用比值定義法，才能夠抓住學生形成電流概念的心理動因，從而較好地體現比值定義法的教學邏輯，促進學生學會科學的比較思想，從而達成核心素養的培養目標。

3.3 以類比方法幫助學生理解抽象的物理內容

伴隨著物理學習過程的深化，高中物理概念的抽象性不斷提升。由于學生的個體認知存在差異，物理認知發展水平往往滯后于理解教材內容掌握所對應的認知水平。因此，高中物理教學設計就需要在教材原有認知難度上進行降階，使其更容易讓學生接受、理解和消化。為此，根據高端備課的要求，在對電流內容進行深入分析后，以水流類比電流，以水量類比電荷量，以水廠類比電源，從而為學生構建出形象生動的生活化模型，并將此類比貫穿教學的全過程，使高中電流教學能夠更接近學生的直接經驗，為學生提供形象思考的空間，從而有效化解高中電流教學的難點，這為高中電流教學的進一步研究提供了較好的借鑒。