SORT理論下原始物理問題的教學研究與啟示

王昌恒 朱巧萍

摘 ? 要：原始物理問題作為一類源于生活的實際問題，有其趣味性和實用性。同時，原始物理問題因其原始性、知識原理的隱蔽性等特點，使得學生在解決這類物理問題時往往存在困難。以SORT理論為基礎，分析七個表征層次下家庭漏電保護器問題的解決思維，培養學生科學探究能力，提高學生科學素養。

關鍵詞：原始物理問題；SORT理論；自組織表征理論；漏電保護器

原始物理問題是一類在社會生活實踐中遇到的未被加工的物理問題，它與練習冊、試卷中的習題最大的區別在于是否經過人為的加工，學生往往有較強的根據已知條件解決物理習題的能力，但當遇到未被加工的、具象的原始物理問題時卻無從下手[ 1 ]。當下礙于繁重的考試負擔和升學壓力，學生所解決的物理問題都是由出題者“精心設計”的物理習題，其中包括已經建構好的物理模型和恰到好處的數值大小等等。一來在這種“題海戰術”中學生會感到疲憊，難以培養學習物理的興趣；二來這種問題解決模式讓學生直接跳過了抽象、簡化、建模、賦值等過程，與實際情況有較大的差距，不利于學生科學思維的培養，與課標要求的教學目標存在裂隙[ 2 ]。

1 ?SORT理論與漏電保護器

1.1 ?SORT理論——自組織表征理論

邢紅軍教授在協同學理論的基礎上，提出了解決物理問題時的自組織表征理論（Self-Organization Representative Theory），簡稱SORT理論。SORT理論認為，學生在分析原始物理問題時存在七個表征層次，且七個層次不一定會依次出現，原始物理問題的解決是一個連續且又突變、獨立且又關聯、控制且又自發、協同且又競爭、必然且又偶然的過程[ 3 ]。解決物理問題的過程中七個表征層次各自發揮其重要作用的同時，彼此之間又有著密切聯系，共同構成一個整體的解決物理問題的思維模式。通過自組織表征理論下各表征層次間的循環往復和共同作用，促進學生認知發展，強化對知識的理解與遷移。七個表征層次及其內涵如圖1所示[ 4 ]。

1.2 ?原始物理問題——漏電保護器

隨著社會發展和人民生活條件的提高，家庭用電需求在人們日常眾多需求中占有越來越重要的地位，安全用電問題也在逐漸為人們所重視。家庭電路的總干路上往往接有一個漏電保護裝置，用電過程中發生漏電事故時，它就會自動跳閘斷開電路，保障用電安全。該設備還設有試驗裝置，當家庭用電器正常工作且未發生漏電事故時，按下試驗按鈕，電路就會自動斷開，以此來檢查漏電保護器是否能正常工作。如圖2所示為一個漏電保護器，這樣的保護裝置內部有什么工作原理？又運用了哪些電學和電磁學知識？

2 ?SORT理論在“漏電保護器”問題中的應用

2.1 ?定向表征

打開漏電保護器的外殼，觀察其內部結構如圖3。根據漏電保護器的工作特點，可初步判斷該問題是一個有關電磁學的物理問題，學生進而可以在大腦中跳躍性地提取電學、電磁學的相關知識，對該問題形成初步認識。根據電磁鐵上方的金屬脫扣向下扳動即可斷開電路可判斷用到電磁鐵通電后具有磁性的知識，根據感應線圈上纏繞的零線和火線可判斷用到了電磁感應知識。家庭用電和線圈中的感應電流都并非直流電，而電磁鐵通入直流電才會帶有磁性，說明電路板中還有整流裝置，用到了電學方面知識。

2.2 ?抽象表征

整個漏電保護裝置中，有電磁鐵、感應線圈、電路板、開關等各種電學器件，電路板中又有電阻、二極管、電容等器件。將內部結構中涉及到的實物模型轉變為理想化的物理模型，忽略微小量，方便分析和討論；將家庭用電視為理想的交流電，感應線圈中的磁通量一旦發生變化，線圈兩端就會激發感應電流；電路板中的二極管為理想二極管，即正向電阻為零，反向電阻為無窮大；經過整流的交流電會變為直流電，直流電流經電磁鐵會使其產生磁性，吸附上方的金屬脫扣，將電路斷開。

2.3 ?圖像表征

實物模型線路復雜，不能直觀地分析現象和問題。通過觀察漏電保護器的內部線路，借助形象思維，用合適的圖像描繪出家庭漏電保護器的內部器件模型簡圖。如圖4，火線和零線經過開關后分別在感應線圈上繞一圈，然后接入用電器，感應線圈中的兩根導線經過整流單元之后連接電磁鐵。試驗電路一端接在繞經線圈之后的火線上，一端接在繞經感應線圈之前的零線上。

整流單元主要由二極管整流橋、濾波電容等器件組成，借助觀察法并查閱相關資料，得如圖5所示的整流單元結構簡圖。

2.4 ?賦值表征

為了方便解決問題和分析敘述，需要對漏電保護器中所涉及的物理量進行必要的賦值，其中包括電流、磁場、磁通、匝數等。設任一時刻繞經感應線圈的火線和零線電流分別為I和I，二者在線圈中激發磁場分別為B和B。感應線圈的橫截面積設為S，總匝數設為N，感應線圈上導線兩端的總電阻設為R。當通過線圈的磁通量φ發生變化時感應電動勢為E，感應電流為I。

2.5 ?物理表征

2.5.1未發生漏電事故時

電路正常工作且未發生漏電事故時，流經感應線圈的電流，二者在線圈中激發的磁場相互抵消。此時感應線圈中沒有激發感應電動勢，電磁鐵中無電流通過，金屬脫扣無響應。

2.5.2發生漏電事故時

此時，流經火線的電流沒有全部回流至零線，而是一部分流向了大地，所以有。因為家庭用電不是直流電，激發的磁場也不是恒定的磁場，所以在感應線圈兩端激發交變的感應電流。

2.5.3二極管整流橋的作用

利用二極管的單向導電性，對交變的感應電流進行整流。兩種情況下的電流流向如圖6。

2.5.4濾波電容的作用

電容是具有儲電功能的電學器件，當脈沖直流電大于某一固定值時，電容充電；反之電容將和脈沖直流電一起為電磁鐵供電。一般情況下，濾波電容的容量越大，其起到的濾波效應就越好。在電容有序地充放電過程中，使電磁鐵兩端的電流大小趨于穩定。穩恒電流作用于電磁鐵，使電磁鐵吸引金屬脫扣，將電路斷開。

2.5.5試驗電路的原理

按下試驗按鈕時，相當于人為模擬了一次漏電事故。繞過感應線圈的火線流經電阻之后直接流入繞線圈之前的零線內，所以有，漏電保護器進行上述響應，最終將電路斷開。設計一個試驗按鈕，是為了檢查漏電保護器是否能正常跳閘，保障用電安全。物理表征下涉及的物理知識和概念如表1。

2.6 ?數學表征

2.6.1未發生漏電事故時

此時，流經感應線圈的電流。在任意時刻，二者在感應線圈中激發的磁場相互抵消。如圖7。

2.6.2發生漏電事故時

2.6.4濾波電容的作用

濾波電容能在保證電流方向不變的情況下，減小ab、cd、ef、gh階段中電流隨時間的變化率，使電流波形趨于平緩，起到所謂“濾波”的作用，如圖10。不同階段中電容的充放電情況及電流流向如表2。

在整流橋和濾波電容的作用下，使得流經電磁鐵的電流為大小和方向較為穩定的穩恒直流電。電磁鐵通電后帶有磁性，金屬脫扣做出響應，將電路斷開。從漏電事故發生到最終電路斷開，漏電保護器的內部作用流程如圖11。

2.7 ?方法表征

從漏電保護器的實物模型轉換為理論模型，以及在整個理論分析的過程中，要用到觀察法、模型法、推理法、科學歸納法等思維方法。在多種科學方法的共同作用下，強化學生對知識的理解，提高科學探究能力。

3 ?結語

原始物理問題因其本身特性，分析和解決原始物理問題往往需要多種思維方法的共同作用。通過對物理問題的七個表征層次，提高學生模型建構、邏輯推理的能力，對全面培養學生學科核心素養有重要意義。物理知識在生活中的運用場景并不是孤立的，一個原始物理問題往往要涉及到多個知識點。對物理問題的深度剖析，幫助學生厘清知識點之間的前后邏輯，明確知識點組合起來在生活中的應用，從而建立牢固的知識體系。

學生提出新問題、分析問題、解決問題的過程，就是對知識的遷移、建構、強化的過程；將所學知識應用于生活實例的過程，就是領悟學科特性、體會思想方法的過程[ 5 ]。時代和科技的發展日新月異，人們日常生活中用到的產品、設施都在不斷地更新迭代。教師也應站在時代發展的前沿，鼓勵學生關心科技發展和社會進步，充分了解所學的物理知識在社會生活和科技發展中的重要地位，體現物理緊密聯系生活的學科特性，提高學生學習興趣。

參考文獻：

［1］ 邢紅軍，陳清梅.論原始物理問題的教育價值及其啟示[J].課程.教材.教法，2005（1）：56-61.

［2］ 蔡智勇，郝睿.表征手段下原始物理問題的教學研究與啟示——以“斗拱”問題為例[J].中學理科園地，2022，18（1）：1-2，6.

［3］ 邢紅軍.自組織表征理論：一種物理問題解決的新理論[J].課程.教材.教法，2009，29（4）：60-64.

［4］ 李娜.自組織表征理論下原始物理問題的深度解答[J].中學物理，2021，39（4）：14-16.

［5］ 陳彬.原始物理問題教學與學科關鍵能力培養統整推進的價值探尋[J].中學物理，2021，39（14）：5-8.