縱橫對(duì)比整合創(chuàng)新

李光宇

摘要：針對(duì)“電壓”概念的建構(gòu)，中國(guó)大陸現(xiàn)行六套初中物理教材中，有五套采用了與水壓類比的方法；英國(guó)利茲大學(xué)科學(xué)與數(shù)學(xué)教育研究中心所編寫(xiě)的《教學(xué)科學(xué)的理解——電路》（Teaching Science for Understanding：Electric Circuits）一書(shū)，也采用了類比的方法.本文將這些不同版本的教材縱橫對(duì)比，并進(jìn)行整合與創(chuàng)新，以求教學(xué)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化.

關(guān)鍵詞：電壓；類比；概念；土暖氣

1類比與物理概念

發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)三大定律的德國(guó)天文學(xué)家開(kāi)普勒說(shuō)：“我珍視類比勝于任何東西，它是我最可信賴的老師，它能揭示自然界的秘密.”康德也曾說(shuō)：“每當(dāng)理智缺乏可靠論證的思路時(shí)，類比這個(gè)方法往往能指引我們前進(jìn).”在物理研究中，將熟悉的物理對(duì)象與待研究的物理對(duì)象相比較，找出他們已知的共同點(diǎn)、相似點(diǎn)或相聯(lián)系的地方，據(jù)此推測(cè)出待研究對(duì)象也可能具有熟知對(duì)象的另一些特征，這一邏輯推理方法就叫物理類比法.它實(shí)質(zhì)上是一種從特殊到特殊或從一般到一般的推理，它是根據(jù)兩個(gè)（或兩類）對(duì)象在某些方面的相同或相似從而推知他們?cè)谄渌矫嬉部赡芟嗤蛳嗨频囊环N邏輯思維.運(yùn)用物理類比思維可以將陌生的對(duì)象與熟悉的對(duì)象進(jìn)行對(duì)比，將未知與已知對(duì)比，特別是在還不足以進(jìn)行歸納推理和演繹思維的情況下，類比更是得天獨(dú)厚，它可以啟迪思維、提供線索，使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)物理世界.

概念是科學(xué)大廈的基石，學(xué)習(xí)科學(xué)、探索科學(xué)都是從最基礎(chǔ)的概念建構(gòu)開(kāi)始.物理概念是物理現(xiàn)象、物理規(guī)律的本質(zhì)屬性的反映，是物理學(xué)習(xí)與思維的基本單位.一直以來(lái)，學(xué)生對(duì)物理概念的建構(gòu)情況不容樂(lè)觀.首先是因?yàn)槲锢砀拍畋旧硭哂械某橄笮运拢浯?，由于初中學(xué)生是以豐富多樣的形象思維為主，基本處于具體運(yùn)算階段和前運(yùn)算階段，缺乏抽象的邏輯思維能力，學(xué)生還沒(méi)有形成良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，不能有效地將概念系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，從而導(dǎo)致解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)遇到障礙.

采用類比的方法理解物理概念有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，符合初中學(xué)生的身心發(fā)展特點(diǎn)和認(rèn)知規(guī)律.初中物理電學(xué)部分的電壓是最重要的基本概念之一，是學(xué)生普遍感覺(jué)抽象、難懂的概念.中國(guó)大陸現(xiàn)行各版本教材多數(shù)是通過(guò)類比的方法理解電壓的，英國(guó)利茲大學(xué)科學(xué)與數(shù)學(xué)教育研究中心所編寫(xiě)的《教學(xué)科學(xué)的理解——電路》（Teaching Science for Understanding：Electric Circuits）[1]一書(shū)，也采用了類比的方法，其對(duì)電壓概念的建構(gòu)或許能對(duì)我們有所啟迪.本文擬將各版本教科書(shū)進(jìn)行對(duì)比，以求探尋到最優(yōu)化處理方案與途徑.

2大陸教科書(shū)針對(duì)“電壓”的類比思路之對(duì)比

不同版本的新課標(biāo)教材反映出其主張的教學(xué)理念和提倡的教學(xué)方式，凝聚著編者的良苦用心與理論依據(jù)，體現(xiàn)了課程組織者不同的價(jià)值取向.但是，通過(guò)對(duì)比不同版本的教材，又可以品味出各自獨(dú)特的、別具一格的理念與觀點(diǎn).

21內(nèi)容框架對(duì)比

采用形象的方式，在學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”開(kāi)展教學(xué)是提高學(xué)習(xí)效率的有效途徑.在引入電壓概念時(shí)，類比是絕大多數(shù)教材所采用的方式，中國(guó)大陸現(xiàn)行六套教材中，除人教版之外，其余版本均不約而同地采用了類比的方法，不妨將這五種版本的類比思路作一比較.

211文字形式

滬科版：我們知道，水在水管中流動(dòng)時(shí)，水管兩端必須要有一定的壓力差，簡(jiǎn)稱“水壓”；同樣，電荷在電路中定向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電路兩端也需要電壓.接通電路，電路中的電源使電路兩端保持一定的電壓，電路中的電荷就會(huì)持續(xù)地做定向運(yùn)動(dòng)，電路中就有持續(xù)的電流.

滬粵版：我們知道，當(dāng)水管兩端存在壓力差時(shí)，水管中的水就會(huì)流動(dòng)，形成水流.同樣，要在一段電路中形成電流，這段電路的兩端必須要有一定的電壓.

212圖片形式.如圖1所示

22教材的異同點(diǎn)分析

各版本分別使用文字或圖片的形式將電壓與水壓進(jìn)行類比.整體思路基本相同，但仔細(xì)品味其細(xì)微之處，仍感頗為耐人尋味.

221文字與圖片對(duì)比

圖片除了能表達(dá)出文字所能表達(dá)的意義之外，其感染力和沖擊力都是文字所不能比擬的.作為一個(gè)初中學(xué)生普遍感覺(jué)較難理解與接受的物理概念，用圖片展示的效果要優(yōu)于文字描述.

222圖片之間對(duì)比

我們先來(lái)看北師大版教材的圖片（圖1A），以甲、乙、丙三幅圖來(lái)說(shuō)明水壓對(duì)水流形成的作用，類似于一組連環(huán)畫(huà)將研究過(guò)程展示較為充分；但同時(shí)美中不足之處是：（1）水路中沒(méi)有用來(lái)工作的水輪機(jī)，與電路中的用電器對(duì)應(yīng)不起來(lái)，水路中的工作物質(zhì)——水是在無(wú)用功；（2）甲、乙兩圖均有閥門，過(guò)渡到丙圖卻沒(méi)有了閥門，這就導(dǎo)致水路與電路中的開(kāi)關(guān)無(wú)法對(duì)應(yīng)起來(lái)；（3）甲、乙兩圖中閥門的畫(huà)法也有待商榷：兩圖中的閥門都應(yīng)該是打開(kāi)著的，畫(huà)法與學(xué)生的日常生活經(jīng)驗(yàn)不符.

再來(lái)比較教科版（圖1B）和蘇科版（圖1C）的兩組圖片，似無(wú)較明顯差異，但仔細(xì)比較與品味會(huì)發(fā)現(xiàn)，蘇科版圖片中，水輪機(jī)右側(cè)水管略低于左側(cè)，為水的逆時(shí)針流動(dòng)創(chuàng)造了有利的條件.這不可不謂為教材編者的匠心獨(dú)運(yùn)之處.

23改進(jìn)方案的再改進(jìn)

首師大邢紅軍教授等人在文獻(xiàn)中對(duì)水壓與電壓的類比提出了質(zhì)疑.主要觀點(diǎn)為：用水壓來(lái)進(jìn)行電壓教學(xué)的比喻是牽強(qiáng)附會(huì)的，這種為了比喻而人為設(shè)置的例子日常生活中根本不存在[2].一邊耗費(fèi)電能來(lái)抽水，另一邊靠抽上來(lái)的水推動(dòng)水輪機(jī)，這從根本上違反了邏輯性.小學(xué)數(shù)學(xué)中出現(xiàn)的“一個(gè)水池有兩個(gè)龍頭，一個(gè)向水池中加水，一個(gè)向外放水，速度不同，問(wèn)什么時(shí)候可以將水池加滿水？”之類的題目已經(jīng)廣受詬病了，教材中的類比其實(shí)又是在潛移默化中引導(dǎo)學(xué)生做這些無(wú)用而又不切實(shí)際的設(shè)計(jì).其次，圖中一側(cè)管中的水是靠水壓而流動(dòng)的，而另一側(cè)的水則是靠抽水機(jī)抽回而流動(dòng)的.兩者流動(dòng)的原因缺乏一致性.因此，用水壓比喻來(lái)講授電壓顯然是不妥的.同時(shí)，作者還給出了如圖2所示的“土暖氣”改進(jìn)方案：裝置的核心是一個(gè)帶有可加熱水箱的爐子（相當(dāng)于電源）.水箱上部側(cè)面和下部側(cè)面分別連接水管（相當(dāng)于電路），A為暖氣片（相當(dāng)于用電器）.B為閥門（相當(dāng)于開(kāi)關(guān)）.當(dāng)爐子開(kāi)始加熱水箱中的熱水時(shí)，由于熱水的密度小而冷水的密度大，因此，熱水就開(kāi)始從水箱上部側(cè)面的連接水管流出，經(jīng)過(guò)暖氣片時(shí)放出熱量，溫度降低后的水經(jīng)閥門再?gòu)乃湎虏總?cè)面的連接水管流入水箱，經(jīng)爐子加熱后再完成下一個(gè)循環(huán).在整個(gè)過(guò)程中，由于散熱，水管中各處水的溫度都是不相等的，而正是由于存在溫度差，所以，才會(huì)有水的流動(dòng).

優(yōu)點(diǎn)：這樣的情境是真實(shí)、自然的，能使電路與水路很好對(duì)應(yīng)起來(lái)——管道各處均散熱對(duì)應(yīng)于導(dǎo)線各處均有電阻而有電能消耗，進(jìn)一步導(dǎo)致管道各處溫度均不相同對(duì)應(yīng)于電路中各處電勢(shì)高低各不相同.

仔細(xì)思考發(fā)現(xiàn)仍有不盡如意之處：首先，圖2用溫度差（溫壓）與電壓類比，有其優(yōu)勢(shì).但溫度是一個(gè)狀態(tài)量，不符合初中學(xué)生的身心發(fā)展特點(diǎn)及認(rèn)知規(guī)律.其次，圖2中的水流方向與設(shè)想的流動(dòng)方向是不一致的，應(yīng)該說(shuō)，這只是一個(gè)假想的“一廂情愿”的情境.根據(jù)連通器原理，打開(kāi)閥門前，熱水箱中的水沿著下部管道流動(dòng)到閥門位置并積存在此處不動(dòng)；水箱中的水并沒(méi)有裝滿，水的上方有空氣，打開(kāi)閥門時(shí)水并不能正常地流動(dòng)，是一個(gè)失敗的設(shè)計(jì).真實(shí)的“土暖氣”設(shè)計(jì)方案有多種，現(xiàn)實(shí)生活中，與圖2類似的土暖氣安裝圖如圖3所示，比圖2多了一個(gè)豎起來(lái)的水箱，它在水的流動(dòng)過(guò)程中起著非常重要的作用，將水箱的作用直接或間接地展示出來(lái)才是真實(shí)的“土暖氣”示意圖.其真實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程又是怎樣的呢？2008年全國(guó)初中應(yīng)用物理知識(shí)競(jìng)賽復(fù)賽的第三大題所提供的圖形應(yīng)該較有實(shí)用價(jià)值.不妨把題目列舉如下，以供深入研究與剖析.

題目：家庭水暖又叫“土暖氣”，是我國(guó)北方廣大農(nóng)村及一些城市使用的一種取暖設(shè)備， 圖4是一種家庭水暖的安裝示意圖，其中下水管的D端比A端略高，其坡度為1∶100.請(qǐng)看圖思考并回答以下問(wèn)題：（1）這種水暖設(shè)備并沒(méi)有應(yīng)用水泵，但是當(dāng)點(diǎn)燃鍋爐后，水便可以在管中按箭頭所示方向自行流動(dòng).請(qǐng)具體分析管中的水流動(dòng)的原因是什么.（2）為什么要安裝放氣閥？（3）使用該套設(shè)備時(shí)，對(duì)水箱中的水位高低有什么要求？

解答：（1）在管中A點(diǎn)附近取一截面，截面右側(cè)水管ABC段中的水溫高，密度ρA右較?。凰?jīng)暖氣片放熱后，溫度降低，所以水管CDA段中的水溫較低，密度ρA左較大，根據(jù)液體壓強(qiáng)公式p=ρgh，A截面左側(cè)CDA段中水的壓強(qiáng)大于右側(cè)ABC段水的壓強(qiáng)，因此水管中的水會(huì)按逆時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng).同時(shí)安裝水管時(shí)又有一定的坡度，即D端高、A端低，為水的逆時(shí)針流動(dòng)創(chuàng)造了有利的條件.（2）當(dāng)水管中有空氣時(shí)，氣泡會(huì)沿管道向上移動(dòng)，并匯集在最高處，包括管道中向上凸起的部分、暖氣片的頂部等處.如果匯集的氣體過(guò)多，會(huì)形成氣柱，分?jǐn)嗔怂苤械乃?，阻礙水的流動(dòng)，從而影響用熱水供暖的效果.（3）水箱中的水位一定要高于整個(gè)循環(huán)水路的最高點(diǎn)，才能在整個(gè)循環(huán)水路中灌滿水.否則循環(huán)水路中就會(huì)有空氣，水就不能正常流動(dòng)，從而影響用熱水供暖的效果.

改進(jìn)方案：為了教學(xué)的需要，完全可以將真實(shí)的物體、情境簡(jiǎn)化，擇其要而剖析.但是，一個(gè)本質(zhì)的觀念不能丟，即簡(jiǎn)約但不能簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化但不可失真.如何充分利用好這一優(yōu)秀資源，刪除其復(fù)雜性而又不失去其真實(shí)性，學(xué)科組經(jīng)過(guò)深入研討，最后提出了改進(jìn)方案（如圖5所示）：從閥門到水箱的管道略向下傾，更利于流體的流動(dòng)；且設(shè)計(jì)了一個(gè)彎管，水箱中的水位與彎管的頂部大致持平，這樣可以保證水不致于倒流進(jìn)入管道；加熱時(shí)產(chǎn)生的水蒸氣從置于頂部的管道進(jìn)入暖氣片A，流經(jīng)閥門B再回到水箱中.此處用氣壓與電壓進(jìn)行類比，更接近于學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.改進(jìn)后的裝置既保留了實(shí)物的真實(shí)性，又進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，是學(xué)生可以理解與接受的.

3英國(guó)教科書(shū)的處理方案

英國(guó)利茲大學(xué)科學(xué)與數(shù)學(xué)教育研究中心所編寫(xiě)的《教學(xué)科學(xué)的理解——電路》一書(shū)，也采用了類比的方法，其基本思路如下：將電池類比為面包店，將用電器（燈泡）類比為超市，將電荷類比為運(yùn)載面包的貨車.詳細(xì)類比如圖6、圖7所示.

圖6的頂部為面包店，底部為超市.面包店老板把面包裝上貨車運(yùn)走；每輛貨車均將面包運(yùn)到超市；貨車在超市把面包卸下，在那里顧客把面包買走；空貨車返回到面包店再裝上面包.

圖7的頂部為電池，底部為燈泡.在電池中電荷收集能量；在線路中，電荷攜帶著能量運(yùn)行；燈泡將電荷所攜帶的能量轉(zhuǎn)化為光和熱；電荷返回到電池中去收集更多的能量.

在這一類比方式中，將學(xué)生比較直觀的面包店、超市分別與電源、用電器類比，形象且易于理解，同時(shí)將能量的概念有機(jī)地滲透了進(jìn)去，應(yīng)該是一個(gè)比較優(yōu)秀的方案.

概念是在人們感覺(jué)、知覺(jué)和表象有效積累的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析綜合、抽象概括等思維活動(dòng)形成的，從這個(gè)角度來(lái)看，概念是抽象的；但是概念又不是憑空產(chǎn)生的，離開(kāi)了感覺(jué)、知覺(jué)和表象的有效積累，人們就無(wú)法科學(xué)、有效地建構(gòu)概念，從這個(gè)角度來(lái)看，概念是感性的.如果能將我國(guó)各教材普遍采用的“水泵、水輪機(jī)”方案與“面包店、超市”方案有機(jī)地整合起來(lái)，就可以兼顧各層次的學(xué)生、兼顧知識(shí)的抽象與感性，并可將能量的知識(shí)潛移默化地滲透進(jìn)去.

4整合與創(chuàng)新

類比是一種推理的方法，根據(jù)兩種事物在某些特征上的相似，做出他們?cè)谄渌卣魃弦部赡芟嗨频慕Y(jié)論.因而類比推理是一種或然性的推理，其結(jié)論是否正確還有待實(shí)踐證明.那么，將盡可能多的相似的情景提供給學(xué)生，才可以提高他們的分析辨別能力.類比需要多次比較，而不是一蹴而就的.

41感性入手

出示：固定在示教板上的簡(jiǎn)單電路，閉合開(kāi)關(guān)，燈泡亮了.

設(shè)問(wèn)：燈泡亮，說(shuō)明了什么？（有電流通過(guò)燈絲）

演示：燈泡正在發(fā)光時(shí)，取下電池，燈泡滅了.

設(shè)疑：電源在電路中有什么作用？電流是怎樣形成的？今天，我們就來(lái)解決與此相關(guān)的問(wèn)題.

分別呈現(xiàn)改造后的“土暖氣”（圖5）、“面包店、超市”（圖6），請(qǐng)學(xué)生分析氣流、車流的形成.展示電路圖，分析電流的形成，形成初步的感性認(rèn)識(shí).

42理性辨析

以游戲“找朋友”展開(kāi)：請(qǐng)同學(xué)們將以下器件歸類找到各自的朋友，引導(dǎo)學(xué)生將爐子、面包店、電池對(duì)應(yīng)起來(lái)，暖氣片、超市、燈泡對(duì)應(yīng)起來(lái)…….讓學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)理性分析并辨析比較的過(guò)程.

43系統(tǒng)建構(gòu)

氣壓形成氣流、面包店與超市之間的“供需關(guān)系”促進(jìn)了車流的形成；電壓形成電流.即：電壓是形成電流的一個(gè)原因.電源是提供電壓的器件.

思考：電流的形成還需要什么原因？

辨析：電路中有電壓就一定有電流嗎？電路中有電流就一定有電壓?jiǎn)幔?/p>

師：現(xiàn)在，你能解釋拔下電池，燈泡就不亮了的原因嗎？

以上程序是一個(gè)分層遞進(jìn)的有機(jī)整體，其中感性入手是基礎(chǔ)，理性辨析是保障，系統(tǒng)建構(gòu)是關(guān)鍵，三者互為支撐，環(huán)環(huán)相扣，不可偏廢.將兩種類比糅合在在一起進(jìn)行教學(xué)，相信是一種比較優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案.不當(dāng)之處，敬請(qǐng)諸位同仁批評(píng)指正.

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