電動勢概念教學(xué)中的思維加工培養(yǎng)策略

白晶

摘 要：本文以“電動勢”的教學(xué)為例，從概念的引入、概念的形成和概念的理解三個層面探討了物理概念教學(xué)中的思維加工策略。結(jié)合教學(xué)過程中的實例，分析了類比思維、辯證思維和批判性思維在物理概念教學(xué)中的作用。

關(guān)鍵詞：電動勢；概念教學(xué)；思維加工

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）6-0014-3

課程目標(biāo)與教學(xué)目標(biāo)都要通過學(xué)生經(jīng)歷特定的學(xué)習(xí)過程來達成。物理概念教學(xué)的目標(biāo)之一是形成正確的概念。學(xué)生需要在獲得足夠的感性材料的基礎(chǔ)上，運用各種思維方法，對感性材料進行思維加工，進而抽象概括出事物的本質(zhì)屬性，從而形成概念[1]。下面以“電動勢”的教學(xué)為例，探討物理概念教學(xué)中的思維加工策略。

1 設(shè)置認知沖突，激發(fā)思維活動

轉(zhuǎn)變錯誤前概念有利于學(xué)生在原有知識儲備的基礎(chǔ)上形成科學(xué)認識，這對提高概念教學(xué)的效率大有裨益[2]。學(xué)生在初中物理的學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，容易形成“電源電壓恒定不變”的錯誤前概念。電動勢概念的教學(xué)可以嘗試從轉(zhuǎn)變這個前概念引入。

展示生活中熟悉的一些電池，干電池有1.5 V的標(biāo)志，紐扣電池有3 V的標(biāo)志，鋰電池有3.7 V的標(biāo)志……提出問題：電池上的1.5 V、3 V、3.7 V等標(biāo)志有什么含義？是電壓嗎？

實驗1：按圖1所示連接電路，將一節(jié)標(biāo)有1.5 V的干電池與電壓表接入電路。閉合開關(guān)，觀察電壓表的讀數(shù)。

實驗2：再接上一個小燈泡，按如圖2所示連接電路。閉合開關(guān)，觀察到電壓表的讀數(shù)變小。為了避免偶然性，還可以再并聯(lián)幾個小燈泡，發(fā)現(xiàn)并聯(lián)的燈泡越多，電壓表的讀數(shù)越小。

由于前概念的存在，學(xué)生會對實驗2的結(jié)果感到驚訝，這是認知沖突的表現(xiàn)，由此激發(fā)了本節(jié)課的思維活動。在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》中，“電動勢”概念屬于二級主題“電路”。電動勢是描述電源特性的物理量，而電路恰是電源表現(xiàn)這種特性的環(huán)境。電動勢反映了電源的內(nèi)部本質(zhì)，而路端電壓是電源的這種內(nèi)在性質(zhì)在電路中的外在表現(xiàn)。由外在表現(xiàn)深入內(nèi)部本質(zhì)，符合科學(xué)概念產(chǎn)生和發(fā)展的規(guī)律，也符合學(xué)生的學(xué)習(xí)心理。這樣引入教學(xué)，為后面建立電動勢概念，認識電動勢與電壓概念的區(qū)別，創(chuàng)設(shè)了良好的思維情境。

2 通過類比思維，建立新的概念

類比作為一種思維方式，不僅在科學(xué)研究中有重要作用，還是中學(xué)物理教學(xué)中廣泛采用的類比教學(xué)法的重要基礎(chǔ)。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論解釋了類比法使用的合理性[3]。對于電動勢這類抽象的概念，可通過類比思維加工，降低理解的難度。認識“非靜電力”是理解電動勢概念內(nèi)涵的關(guān)鍵。

圖3中ACB為一段彎曲的滑軌，小球從滑軌的頂端A自由釋放，經(jīng)過滑軌下滑到達底端B。若要循環(huán)此過程，須通過“非重力”做功將小球從B搬回到A再釋放。將彎曲滑軌上的力學(xué)過程與閉合電路中的電學(xué)過程（圖4）進行類比，引入“非靜電力”。通過非重力做功和非靜電力做功的類比，形成電動勢的概念。

需要強調(diào)的是，使用類比的思維加工策略時，參與類比的事物或過程在物理本質(zhì)上應(yīng)當(dāng)具有一致性。圖3與圖4所示的物理過程的類比，從做功與能量轉(zhuǎn)化的本質(zhì)關(guān)系上講是一致的。通過類比的思維加工，分析電源的作用，引出“非靜電力”的概念。類比的關(guān)鍵是引導(dǎo)學(xué)生基于功和能的觀點，將非靜電力做功的本領(lǐng)與電源本身轉(zhuǎn)化能量（即提供電能）的能力聯(lián)系起來，最終建立起電動勢的概念。

引導(dǎo)學(xué)生討論怎樣描述非靜電力做功的本領(lǐng)：非靜電力搬運電量為q的正電荷從負極到正極做功W。搬運電量為2q的正電荷呢？搬運電量為3q的正電荷呢？……在歸納出功和電量的比值是定值之后，再引導(dǎo)學(xué)生分別從功和能的角度分析該比值的物理意義：一方面表示電源非靜電力做功的本領(lǐng)，另一方面表示單位電量的電荷通過電源獲得的能量。

3 通過辯證思維，全面理解概念

電動勢雖然是個抽象的物理概念，但又是一個可測量的物理量，這恰恰是電源的內(nèi)在特征和外在表現(xiàn)兩者之間矛盾的統(tǒng)一。電動勢是電源本身的性質(zhì)，與電源所處的外部環(huán)境（是否接入電路或如何接入電路）沒有關(guān)系。而電源的這種特性只有在接入電路，發(fā)揮其功能時才能表現(xiàn)出來，由此產(chǎn)生了路端電壓和電源內(nèi)阻的概念。圍繞這對矛盾的辯證關(guān)系，可引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗，探究閉合電路中外電路電阻與路端電壓的變化關(guān)系。

實驗3：將圖2電路中的小燈泡換成滑動變阻器，如圖5所示。閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片，觀察到電壓表讀數(shù)隨之變化。

問題1：可以將電源兩端的“電壓”理解為電源的“電動勢”嗎？為什么？

問題2：電源兩端的“電壓”和電源的“電動勢”有可能在數(shù)值上相等嗎？

路端電壓的變化是由于外電路電阻與電源內(nèi)阻的比例關(guān)系發(fā)生變化而導(dǎo)致的，于是在“做”實驗的過程中自然形成了電源內(nèi)阻的概念。更重要的是，引導(dǎo)學(xué)生思考此變化關(guān)系的本質(zhì)——電源提供給整個電路的電能的分配關(guān)系，從而站在電路的視角，認識電動勢的物理意義。通過辯證的思維加工，從不同的視角理解電動勢的概念，可以更全面地把握概念的內(nèi)涵。

4 通過批判性思維，深化概念理解

批判性思維是指，為決定相信什么或做什么所進行的合理的、反省的思考[4]。物理思維屬于科學(xué)的思維方式，本身就決定了其應(yīng)當(dāng)具有批判性。實驗3的探究完成之后，學(xué)生在實驗1與實驗2的比較中產(chǎn)生的認知沖突得到了化解，實現(xiàn)了由前概念到科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變。至此，本節(jié)課的任務(wù)似乎已經(jīng)完成，然而，學(xué)生對電動勢和電壓這兩個概念的本質(zhì)區(qū)別還不一定真正理解。在問題1和問題2的基礎(chǔ)上，通過批判性思維的加工，可提出下面的問題：

問題3：不能把電源兩端的“電壓”理解為電源的“電動勢”，僅僅是因為兩者在數(shù)值上可能不相等嗎？

問題4：“電壓”與“電動勢”雖然都可用“伏特”作為單位，但是，在本質(zhì)上有什么區(qū)別嗎？

問題5：實驗1中電壓表的讀數(shù)真的和電源電動勢在數(shù)值上相等嗎？換句話說，實驗1真的可以測量電源的電動勢嗎？

問題6：有辦法準(zhǔn)確測量電源電動勢嗎？“準(zhǔn)確”意指排除電表內(nèi)阻的影響。

通過問題3和問題4，引發(fā)對于“電動勢”與“電壓”本質(zhì)區(qū)別的思考。其關(guān)鍵是基于功和能的觀點，從做功的力與能量轉(zhuǎn)化的方向兩個方面，對電動勢與電壓兩個概念進行辨析，深化概念的理解。問題5和問題6通過反思實驗過程，激發(fā)學(xué)生進一步鉆研的興趣，使本節(jié)課中思維品質(zhì)的教育價值得到充分挖掘和體現(xiàn)。

以上分析了電動勢概念教學(xué)中的思維加工策略：在解決認知沖突的問題驅(qū)動下，引入概念；通過類比的思維加工，形成概念；通過辯證和批判性的思維加工，深化對概念的理解。綜上，學(xué)生在形成新的物理概念的過程中，需要經(jīng)歷豐富的思維活動，獲得充實的思維體驗。這種體驗應(yīng)當(dāng)是一種螺旋式、上升式的思維過程，并充分體現(xiàn)批判性。

參考文獻：

[1]閻金鐸，郭玉英.中學(xué)物理教學(xué)概論（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]趙娜，張磊.物理“前概念”與任務(wù)驅(qū)動教學(xué)[J].中學(xué)物理，2014，（20）：3.

[3]唐鳳，唐利強.類比教學(xué)的理論基礎(chǔ)及其對物理教學(xué)設(shè)計的啟示[J].當(dāng)代教育理論與實踐，2014，（5）：21.

[4]張大昌，等.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《物理·必修①》[M].北京：人民教育出版社，2010.

[5]（美）諾?？酥?柳銘心譯.學(xué)會批判性思維——跨學(xué)科批判性思維教學(xué)指南[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2005.

（欄目編輯 趙保鋼）