基于模型構(gòu)建的概念教學(xué)嘗試
——以“電動勢”教學(xué)為例

李茹新

(北京市朝陽外國語學(xué)校 北京 100012)

1 指導(dǎo)思想與理論依據(jù)

1.1 指導(dǎo)思想

基于《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指導(dǎo)教學(xué).核心素養(yǎng)的提出決定了教育的終極任務(wù)就是提升人的素養(yǎng).新形勢下的物理教學(xué)活動應(yīng)該是通過知識的學(xué)習(xí)使學(xué)生逐步形成重要的物理觀念、關(guān)鍵能力和必備品格，進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).

1.2 理論依據(jù)

(1)構(gòu)建主義的學(xué)習(xí)觀.學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者構(gòu)建知識的過程，每個學(xué)生都在以原有的知識經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)構(gòu)建自己的理解.學(xué)生通過高水平的思維活動來學(xué)習(xí)，通過問題解決來學(xué)習(xí).

(2)物理教學(xué)的基本特征理論模型.以創(chuàng)設(shè)問題情境為切入點(diǎn)，以觀察實(shí)驗(yàn)(事實(shí))為基礎(chǔ)，以培養(yǎng)學(xué)生思維能力為核心，以提升學(xué)生探究能力為重點(diǎn).

2 教材分析

人教版教材提出了“非靜電力”，讓學(xué)生從力和運(yùn)動的角度認(rèn)識到電源內(nèi)部非靜電力的存在，進(jìn)而得出非靜電力在電源能量轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮的作用.然后將電源與抽水機(jī)類比，從不同抽水機(jī)使單位質(zhì)量的水增加的重力勢能不同過渡到不同的電源使單位電荷增加的電勢能不同，進(jìn)而引入電動勢的概念.這樣的設(shè)計體現(xiàn)了教材化抽象為形象的講授思路.但不可否認(rèn)教材并沒有從正面分析，這使得該概念在學(xué)生頭腦中一直模糊籠統(tǒng)，甚至還會跟電壓混淆，更無從談及電動勢由非靜電力的特性決定等更深層次的理解了.

3 難點(diǎn)突破思路

學(xué)生對電源電動勢的認(rèn)識大致可以分為如圖1所示幾個階段，如何從“電源內(nèi)部存在非靜電力”進(jìn)階到“建立電動勢概念來表征電源將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)”，是本節(jié)的難點(diǎn).

圖1 學(xué)生對電源電動勢認(rèn)識的幾個階段

4 學(xué)習(xí)資源和器材準(zhǔn)備

1號干電池、電容器(2 700 μF,6.3 V)、家用指針式鐘表、紅藍(lán)兩種顏色的磁力黑板貼、自制土豆電池、J0401A型指針式演示電表、手搖發(fā)電機(jī)、太陽能投光燈、數(shù)字多用表、3 V紐扣電池、9 V疊層電池、各種水果、銅片、鋅片、導(dǎo)線若干.

5 教學(xué)環(huán)節(jié)

5.1 情景引入 認(rèn)識電源的作用

對于一個完整的電路來說，電源可以說是其“心臟”，今天我們就來認(rèn)識一下電源.

實(shí)驗(yàn)觀察：教師展示未安裝電池的鐘表不工作，演示電容器放電使鐘表短時間工作，如圖2所示.

圖2 演示電容器放電使鐘表短時間工作裝置

師：鐘表工作說明電路中產(chǎn)生了電流，電流是如何形成的？

生：電容器的兩個極板存在電勢差，使導(dǎo)線中產(chǎn)生了電場，自由電子在電場力的推動下發(fā)生了定向移動.

師：鐘表為什么工作了一會兒又停了？

生：電容器放電完畢后，兩個極板電勢差消失，電路中不再有電場推動電荷移動，電流消失，鐘表就停止工作了.

學(xué)生活動1：畫出草圖，用磁力黑板貼模擬該過程，如圖3所示.

師：電子在流動時，其電勢能如何變化？

生：電勢能轉(zhuǎn)化為焦耳熱.

師：用什么裝置可以給鐘表持續(xù)提供能量呢？

生：用電源.

圖3 學(xué)生模擬電容器放電畫出的草圖

師：為什么電池可以使用電器持續(xù)工作呢？

生：電源可以把負(fù)電荷從正極經(jīng)過電源內(nèi)部搬運(yùn)到負(fù)極，維持穩(wěn)定的電勢差，使回路中產(chǎn)生持續(xù)的電流.

教師通過動畫模擬(如圖4所示)，將電源與水泵類比：水泵可以把水從水位低的地方經(jīng)過水泵送到水位高的地方，維持穩(wěn)定的高度差，使管道中產(chǎn)生持續(xù)的水流；電源可以把負(fù)電荷從正極經(jīng)過電源內(nèi)部搬運(yùn)到負(fù)極，維持穩(wěn)定的電勢差，使回路中產(chǎn)生持續(xù)的電流.

圖4 動畫模擬電源與水泵類比示意圖

設(shè)計意圖：以學(xué)生原有的認(rèn)知作為起點(diǎn)，從電容器放電談起，在此基礎(chǔ)上通過對真實(shí)情境的思維加工，從電場的角度認(rèn)識電源的作用，這樣的生成比較平穩(wěn)和牢固.這既符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，又減小了新、老知識在思維上的臺階.小活動和動畫模擬使電容器供電和電源供電過程清晰化，化抽象為形象，幫助學(xué)生從力和運(yùn)動的角度理解電源的作用，有利于學(xué)生找出區(qū)別，易于理解.

5.2 動力學(xué)分析 發(fā)現(xiàn)非靜電力

師：為何正電荷仍然能夠不斷地從電源負(fù)極回到正極？是靠電場力的作用嗎？

學(xué)生活動2：組織學(xué)生繪制內(nèi)外電路中的電場線，分析電荷的受力和運(yùn)動情況.

生：電源內(nèi)部一定存在一種和電場力方向相反的力,這種力一定不是電場力.

師：大家都同意這種看法嗎？同學(xué)們的思路和推理非常正確！物理學(xué)中我們管這種力叫非靜電力，其特點(diǎn)是將正電荷從低電勢處搬運(yùn)到高電勢處.

師：在電源外部，電場力對正電荷做功為正功還是負(fù)功？正電荷的電勢能如何變化？能量的轉(zhuǎn)化去向是什么？

生：電場力做正功，電勢能減小，轉(zhuǎn)化為外電路的焦耳熱.

師：在電源內(nèi)部，電場力對正電荷做功為正功還是負(fù)功？正電荷的電勢能如何變化？正電荷為何能夠再次流向電源正極？能量又是如何轉(zhuǎn)化的？

生：電場力做負(fù)功，電勢能增加，非靜電力克服電場力做功使正電荷再次流向電源正極，該過程其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢能.

教師總結(jié)：非常好，不難發(fā)現(xiàn)電源是通過非靜電力做功將其他形式能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置.電源的這兩種作用(維持兩級穩(wěn)定的電勢差和將其他形式能轉(zhuǎn)化為電能)都是通過非靜電力實(shí)現(xiàn)的，這是它和電容器的本質(zhì)差異.

實(shí)驗(yàn)演示：以土豆電池、手搖式發(fā)電機(jī)、太陽能投光燈為例介紹在不同類型的電源中，是不同形式的能量轉(zhuǎn)化為電能，對應(yīng)的非靜電力一般也不同.

設(shè)計意圖：通過在已有模型的基礎(chǔ)上繪制電場線并進(jìn)行運(yùn)動和力的分析，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力.學(xué)生自主探究發(fā)現(xiàn)非靜電力，進(jìn)而從能量轉(zhuǎn)化與守恒角度定性地研究非靜電力的作用，更深入地理解電源到底是怎么工作的，完成電源概念的進(jìn)階.通過動畫模擬借助已有熟知的現(xiàn)象去理解這個陌生抽象的物理過程.

5.3 能量分析 建立電動勢概念

師：我們再來介紹一種電源,實(shí)驗(yàn)表明，一些金屬受到紫外線照射時會有電子射出，如圖5所示.

圖5 紫外線照射鋅板有電子射出示意圖

真空中一對平行金屬板A和B正對放置，用紫外線持續(xù)照射A板時，會有電子逸出.如果用導(dǎo)線把A和B連起來，可在靈敏電流計中檢測到電流，如圖6所示.我們可以把該裝置當(dāng)成一種電源.這個過程能量是怎么轉(zhuǎn)化的？

圖6 檢測紫外線照射金屬板產(chǎn)生電流示意圖

生：光能轉(zhuǎn)化為電子的動能，再轉(zhuǎn)化為電勢能.

師：猜猜看，若把導(dǎo)線撤掉，這個孤立的電源內(nèi)部依然能夠不停地搬運(yùn)電荷嗎？

生：電源在搬運(yùn)電荷時，內(nèi)部電場不斷增強(qiáng)，電荷受到的阻礙作用不斷增強(qiáng)，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，兩極形成一個穩(wěn)定的電勢差.

學(xué)生活動3：畫出草圖，用磁力黑板貼模擬該過程，如圖7所示.

圖7 磁力黑板貼模擬電勢差形成過程

師：如果電子的電荷量為q，該過程非靜電力做功為W非，電子離開A板時的動能為Ek，請利用所學(xué)知識，并從能量角度推導(dǎo)這個裝置開路時穩(wěn)定的電勢差U.

生：由動能定理出發(fā)

W非=Ek-0

-qU=0-Ek

進(jìn)而得到

生：不同的電源搬運(yùn)相同數(shù)量電荷，非靜電力做功不同.

師：U的大小能反映電源的特性嗎？U的大小反應(yīng)電源怎樣的特性？

生：可以.U越大，電源把相同電荷從一極搬到另一極的過程中非靜電力做功越多，轉(zhuǎn)化的電勢能越多.U可以反應(yīng)不同電源將其他形式能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng).

介紹一些常見的化學(xué)電池及其電動勢,組織學(xué)生從能量轉(zhuǎn)化角度說一說銘牌上所標(biāo)“電壓”的物理含義.

師：除了從銘牌上得知電源的電動勢之外，目前階段我們可以利用電壓表直接接在電源兩端來進(jìn)行粗測.

學(xué)生活動4：組織學(xué)生利用數(shù)字萬用表粗略測定幾種電源的電動勢，如圖8所示.

圖8 測電源電動勢器材

師：根據(jù)學(xué)生測定的結(jié)果，歸納總結(jié)不同的電源電動勢一般不同，電動勢大小由電源中非靜電力的特性決定，實(shí)際使用時我們可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇.

設(shè)計意圖：考慮到常見的化學(xué)電池中非靜電力的復(fù)雜性和帶電粒子在磁場中受到的力學(xué)生還未涉及，故利用光伏電池構(gòu)建一個真實(shí)的物理模型，更有利于學(xué)生從正面理解電動勢的概念、意義和定義方式，也能讓學(xué)生更深刻地體會到電源電動勢的大小只由非靜電力的特性決定.學(xué)生活動3的安排是為了使學(xué)生經(jīng)歷構(gòu)建模型的過程，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識物理模型在探索自然規(guī)律中的作用，并讓這個難于觀測到的抽象過程形象化，便于學(xué)生從能量角度展開科學(xué)推理、科學(xué)論證.學(xué)生活動4旨在增加學(xué)生的實(shí)際體驗(yàn)，并為后續(xù)測量電源電動勢和內(nèi)阻的課程留下接口.

6 教學(xué)特色說明與教學(xué)反思

物理學(xué)是怎樣的一門科學(xué)呢？筆者認(rèn)為，物理學(xué)相比其他學(xué)科最顯著的特點(diǎn)便是模型構(gòu)建的思想.物理學(xué)的發(fā)展離不開模型的構(gòu)建，模型的構(gòu)建體現(xiàn)了人類在認(rèn)識大自然過程中的獨(dú)有智慧.不管是力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)，還是近代物理的發(fā)展都無不伴隨著模型的建立、修整和完善.因此，本節(jié)最大的特點(diǎn)是教學(xué)形態(tài)上從“理解知識”變?yōu)椤斑M(jìn)行創(chuàng)造”.

通過基于電源特征抽象出符合學(xué)生當(dāng)前認(rèn)知的物理模型，利用學(xué)生已有力學(xué)和電場知識從能量和動力學(xué)角度進(jìn)行科學(xué)推理、論證，進(jìn)而構(gòu)建反映電源本質(zhì)特征的概念電動勢，為突破電動勢概念的理解做了有益的嘗試.