基于類比建模讓“猜想”之苗在物理情境中生根發(fā)芽

徐杰

摘 ? 要：類比建模是物理學(xué)習(xí)的一種重要方法，特別在對(duì)物理概念的建構(gòu)上起到很重要的作用，而猜想是物理探究實(shí)驗(yàn)中必不可少的環(huán)節(jié)。如何正確引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“有效”猜想，筆者從“電功”案例入手，通過(guò)類比建模，讓學(xué)生在物理情境中理清本應(yīng)在高中才掌握的知識(shí)——電流做功的微觀過(guò)程，在啟發(fā)學(xué)生猜想的同時(shí)也完成了對(duì)電功概念的初步建立，為后面的探究驗(yàn)證打下良好的基礎(chǔ)，也為后續(xù)電熱的學(xué)習(xí)做了鋪墊。

關(guān)鍵詞：類比建模;猜想;情境

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）5-0026-2

類比建模是用已知的事物或知識(shí)來(lái)類比學(xué)習(xí)陌生的知識(shí)[1]。根據(jù)新課程理念，“猜想”是探究性教學(xué)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，正確的猜想應(yīng)該是促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展，建立在一定經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)之上的合乎情理的猜想，而合乎情理的猜想除了與學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)有關(guān)，與老師在課堂上所呈現(xiàn)的“情境”也是密不可分的[2]。

1 ? ?緣起：在電功概念引入時(shí)直接先告訴結(jié)論再進(jìn)行驗(yàn)證

蘇科版物理九年級(jí)下冊(cè)第15章第1節(jié)《電能表與電功》中對(duì)于電功概念的引入，教材直接給出概念——電功：電流所做的功。電功大小與加在用電器兩端的電壓、通過(guò)的電流和通電的時(shí)間有關(guān)。特別是影響電功大小的因素，教材中直接給出了結(jié)論，導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生很多認(rèn)識(shí)上的障礙。因?yàn)樵诔踔形锢碇校绊懸蛩匾话愣际峭ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、猜想、探究等模式分析出來(lái)的，很少有直接給出影響因素然后進(jìn)行探究驗(yàn)證的。在學(xué)生感到困惑的同時(shí)，很多老師也會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)，為什么不先對(duì)電功的影響因素進(jìn)行猜想、探究，而是直接給出結(jié)論，這不符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。

2 ? ?難點(diǎn)：教材編寫(xiě)的現(xiàn)實(shí)考慮

舊版蘇科版物理九年級(jí)下冊(cè)中有先猜想、再探究的模式，后來(lái)將之修改。因?yàn)橐罁?jù)學(xué)生剛剛學(xué)習(xí)的歐姆定律的有關(guān)內(nèi)容，較多學(xué)生也許能夠猜想電功大小與電壓、電流有關(guān)，也有學(xué)生猜想與電阻有關(guān)。但學(xué)生無(wú)法解釋為什么與這些因素有關(guān)，這與沒(méi)有相應(yīng)的物理情境作為鋪墊有關(guān)。這樣的猜想只能是無(wú)本之源，就算是猜想也是偽猜想或者是看了書(shū)“幫”老師猜想。影響電流做功大小的因素涉及到高中物理知識(shí)，即電功是因?yàn)殡妶?chǎng)力推動(dòng)電荷在做功，由W=Fd，因?yàn)镕=EQ、E=U/d得W=UQ，而Q=It，所以最終W=UIt。但由于知識(shí)的限制，初中學(xué)生無(wú)法理解電場(chǎng)力等，故無(wú)法從微觀角度去解釋。

由于電功是學(xué)習(xí)電功率、電熱等后續(xù)知識(shí)的基礎(chǔ)，故而編者只得直接先告知結(jié)論，等學(xué)生學(xué)習(xí)到一定程度或進(jìn)入高中再去解決。所以，編者把舊版教材中的猜想、探究等環(huán)節(jié)刪除，直接告訴電功的公式，進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，但這樣做也為學(xué)生的思維留下了一定的障礙。

3 ? ?策略：基于類比建模的改進(jìn)方法

首先，用類比的手法解釋為什么電流能做功。通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，我們將電流類比成水流，在有水位差時(shí)就可能形成水流;同樣，如果有電勢(shì)差（電壓）時(shí)，也可能形成電流（通路）。水從高處落下水被做功;電荷從電勢(shì)高的地方被推向電勢(shì)低的地方同樣被做功。

解決電流做功與電阻無(wú)關(guān)的問(wèn)題，通過(guò)前面機(jī)械功的學(xué)習(xí)我們知道，水平推力在對(duì)地面上的物體沿水平方向做功時(shí)，由W=FS可知，推力所做的功與地面的粗糙程度無(wú)關(guān)。學(xué)生有前面的知識(shí)做鋪墊能夠很快意識(shí)到，與此類似，電流做功與導(dǎo)體的電阻也無(wú)關(guān)。

創(chuàng)設(shè)情境：裝有相同水量的箱子從不同高度落到同一地面上，重力對(duì)水箱哪一次做的功多。通過(guò)前面動(dòng)能、勢(shì)能、機(jī)械能的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠意識(shí)到水箱從較高處落下時(shí)重力對(duì)水箱做功更多。同樣，如果裝有不同水量的箱子從同一高度落下，重力對(duì)水箱做功又是怎樣的？

這里將不同高度差類比成電勢(shì)差，即電壓大小，將裝在箱中的水量類比成電量的多少，將重力對(duì)水做功類比成電場(chǎng)力對(duì)電荷的作用，從而由機(jī)械功的W=Gh，類似得到電功W=UQ（Q為電量）。根據(jù)生活中的經(jīng)驗(yàn)，箱中放入水量的多少，可以設(shè)想將水箱放在水龍頭下，由放水時(shí)水流的大小和放水的時(shí)間所決定，所以同樣電量也由電流大小和通電時(shí)間決定，這與Q=It不謀而合。由Q=It，最終推出W=UIt。

這樣的推導(dǎo)看似繁瑣，但每一步都是基于學(xué)生已有知識(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)行的邏輯推導(dǎo)，通過(guò)熟悉的情境自我生成、自我構(gòu)建，比直接告訴學(xué)生公式然后進(jìn)行驗(yàn)證，更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。

4 ? ?拓展：類比建模在猜想電熱與電阻有關(guān)時(shí)的作用

這樣的類比建模，這樣的情境創(chuàng)設(shè)，對(duì)于后面電熱的學(xué)習(xí)也起到了較好的鋪墊作用。在研究電熱時(shí)，在猜想電熱為什么與電阻有關(guān)時(shí)，學(xué)生可能聯(lián)想到以下猜想依據(jù)：

（1）箱子在地面上被推動(dòng)時(shí)，地面有阻力，要克服摩擦力做功而發(fā)熱;

（2）水在小溪里流動(dòng)會(huì)撞擊水中的石塊，這與電子的定向移動(dòng)撞擊帶正電的原子實(shí)而產(chǎn)生電熱異曲同工;

（3）水從高處落下的時(shí)候擊打樹(shù)葉，樹(shù)葉會(huì)跳動(dòng)，樹(shù)葉跳動(dòng)的能量就是來(lái)自水落下做的功，會(huì)把部分能量傳給阻礙（樹(shù)葉），這部分能量可以看成是內(nèi)能。

5 ? ?結(jié) ?語(yǔ)

通過(guò)類比建模和巧妙的情境創(chuàng)設(shè)，再結(jié)合前面所學(xué)的知識(shí)，讓學(xué)生的猜想有根可尋，概念的建立有據(jù)可依[3]。在物理教學(xué)中，應(yīng)充分利用學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行類比幫助學(xué)生突破學(xué)習(xí)過(guò)程中的難點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生形成物理學(xué)習(xí)的積極心理。幫助學(xué)生逐步從“經(jīng)驗(yàn)型”形象思維向“理論型”抽象思維轉(zhuǎn)化[4]。所以，類比建模不光可以解決電功的影響因素，也能為學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，對(duì)提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)起到良好的促進(jìn)作用，值得我們一線老師去追求，去探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣新.讓“猜想”與“情境”融合共生[J].物理教師，2018，39（3）：49-51.

[2]唐安琪，黃云，袁海泉.基于“類比腳手架模型”的電流概念教學(xué)研究[J].物理教師，2018，39（9）：30-32.

[3]張靜，郭玉英.物理抽象概念教學(xué)中的類比腳手架模型的研究進(jìn)展與啟示[J].大學(xué)物理，2013，32（3）：19-22.

[4]馬佳.類比生活物理情景化解物理教學(xué)難點(diǎn)[J].物理教學(xué)探討，2016，34（12）：7-9.

（欄目編輯 ? ?劉 ? 榮）