從物理知識提煉物理觀念的一個教學案例*
——兼談用小單元主題教學進行概念整合

夏維宏 張 國

(北京匯文中學 北京 100061)

續(xù)佩君

(首都師范大學物理系 北京 100048)

1 問題的提出

《高中物理課程標準(2017年版)》雖然指出了物理觀念形成的基本途徑——“物理觀念是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華；是從物理學視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎”[1]，但在新概念和規(guī)律連續(xù)涌入的實際教學中，對知識的接受、消化及其理解難度使學生難于及時進行物理觀念的提煉和獲得升華.應該承認，這是目前物理觀念教育的常態(tài)，且在一段時期內(nèi)還難于避免.為探索這一問題的解決途徑，嘗試以“電源”為題，幫助學生感受由知識提煉觀念的過程，在高二學完電磁學內(nèi)容后，組織學生開展了一次以物理觀念教育為主題的小單元教學.小單元主題教學是指將某些分散在教材不同章節(jié)但相互間具有明顯內(nèi)在聯(lián)系的物理知識，通過某一主題整合成一個課時不多的教學單元.“主題”可以是知識型的，也可以是操作型或教育型的；可為新課，也可為復習課.由此可知，小單元主題教學有利于教師在整合目的性的內(nèi)容與方式之間靈活且統(tǒng)一的組織教學.單元教學時“全局意識更強，對知識與規(guī)律建構(gòu)的把握更加精當，有利于改善和促進當下的物理教學實踐”[2].

在這次“電源”主題教學實踐之后，不少學生反映：原來物質(zhì)觀、運動和相互作用觀、能量觀沒那么抽象，不就在我們學的這些知識之中嗎.

2 “電源”小單元教學的目的 內(nèi)容與組織

2.1 教學目的

通過解析多種電源的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，體驗進行科學分類的方法，同時加深理解“電動勢”“非靜電力”等概念以及電源的物理本質(zhì).通過概括電源的工作過程在實質(zhì)上是不同物質(zhì)彼此之間發(fā)生不同類的相互作用,通過不同形式的運動完成的不同形式的能量向電能的轉(zhuǎn)化過程，感悟知識之間的相互關(guān)聯(lián)，學習從知識提煉物理觀念，體驗如何提出質(zhì)疑，理解需要將不同學習階段所學的知識自主進行關(guān)聯(lián)、形成一個整體認知的必要性.

2.2 知識載體和教學方式的選擇

電源是一個學生極其熟悉的概念.雖然始于生活，從小就經(jīng)常使用，也從小學科學和初中物理等學科就開始專門學習，但由于不同電源在材料、結(jié)構(gòu)、原理、用途上的不同，學生卻始終沒有深入解析其內(nèi)在變化過程和理解電源的物理實質(zhì).電源的知識涉及到物理學、化學、材料科學等諸多學科，其中涉及的物理學概念散落在不同的教學章節(jié).在不同電源的結(jié)構(gòu)和原理上，學生普遍存在著程度不同的困惑.對電源概念認知的這些客觀或主觀的狀態(tài)，提供了用小單元課對電源相關(guān)概念進行整合的客觀需求.更重要的一點是，不同電源在形態(tài)和使用上都具有直觀實體性和單一功能性，在結(jié)構(gòu)與原理的背后都比較容易直接感受到材料的先行存在、相互作用下運動狀態(tài)的改變過程以及做功與能量的轉(zhuǎn)化.不同電源的這些共同特征給學生感受或體驗如何由具體知識向觀念層面進行提煉和升華，創(chuàng)造了較有利的客觀條件.

教學方式：學生查閱資料、自學與探究、講授、課堂交流相結(jié)合.

3 “電源”小單元新課教學過程的主要環(huán)節(jié)

3.1 布置開放性作業(yè)

內(nèi)容：電能的獲得，常見電池的分類與發(fā)電技術(shù)，并嘗試從不同角度對其抽取共同因素.

要求：收集資料，分享交流；對“分類”與“共同性”提出自己的見解及得出見解的方法.

3.2 課堂匯報 師生提煉 建立電源概念

3.2.1 電能的使用

英國化學家和物理學家J·丹尼爾發(fā)明了世界上第一個使用于早期鐵路信號燈的電池(1836).現(xiàn)在常用的電池有化學電池和太陽能電池，兩者按照被轉(zhuǎn)換為電能的原能量的性質(zhì)區(qū)分.

3.2.2 化學電池的分類

常用兩個標準，一是電解液種類，二是電極材料.按電解液種類，分為堿性電池、酸性電池、有機電解液電池.堿性電池電解液主要以氫氧化鉀溶液為主，如堿錳電池、鎘鎳電池，鎳氫電池等.酸性電池電解液主要以硫酸溶液為介質(zhì)，如鋅錳干電池、海水電池等.有機電解液電池主要以有機溶液為介質(zhì)，如鋰離子電池.按電池正、負極所用材料，劃分為鋅系列電池(鋅錳電池、鋅銀電池)、鎳系列電池(鎘鎳電池、氫鎳電池)、鉛系列電池(鉛酸電池)、二氧化錳系列電池(鋅錳電池、堿錳電池)、空氣(氧氣)系列電池，如鋅空電池.

3.2.3 我國現(xiàn)有電力能源

火力發(fā)電、水力發(fā)電、風能發(fā)電及核能發(fā)電與太陽能發(fā)電等，其分別是將化學能與內(nèi)能、機械能、核能、光能通過相應的不同器材裝置(大都是發(fā)電機)，轉(zhuǎn)化為電能.發(fā)電機產(chǎn)生的電能是交流電能，便于進行超高壓遠距離輸送.

3.2.4 交流且提煉

第一，科學分類要先定標準.第二，各類電源在結(jié)構(gòu)、原理、過程上的共性：不同物質(zhì)材料，彼此相互作用，不同運動形式，不同形式能量向同一種能量轉(zhuǎn)化.

3.2.5 探討電源概念的實質(zhì)

一種穩(wěn)定持續(xù)產(chǎn)生電能的能量轉(zhuǎn)換器材、裝置或工程設備.轉(zhuǎn)折-思考，激發(fā)欲望：這些電源裝置或設備里面的結(jié)構(gòu)到底什么樣，究竟怎么轉(zhuǎn)化得到電能的？

3.3 探究直流電源(化學電池) 進一步理解非靜電力的功與電動勢及內(nèi)阻

3.3.1 電源結(jié)構(gòu) 導電粒子 電流回路與電源工作原理

學生拆解化學電池，觀察材料、結(jié)構(gòu)，思考分析3個問題：電池內(nèi)的導電粒子是什么性質(zhì)的粒子？在電源中與電路中，導電粒子如何定向移動？在電極兩端發(fā)生了什么物理過程使電源不間斷地獲得電能？注意適時插入下述三方面的啟發(fā)性提示：可從電源定義或從原有能量靠什么物理過程轉(zhuǎn)化為電能的視角進行思考，要把電源放進閉合電路中整體考察電流的流程，敢于使用其他學科知識進行綜合論證.

3.3.2 梳理原理

在電源內(nèi)部電極與電解液的接觸面處，極板上的電子和溶液中的離子之間不斷發(fā)生的相互作用(一種化學作用)使化學能轉(zhuǎn)化為電能.從物理學視角，物質(zhì)總在運動，總能量時刻守恒；該種化學相互作用是一種非靜電力在做功.

3.3.3 自制電池供電 尋找丟失電壓 基于測量數(shù)據(jù)理解內(nèi)阻

學生自制電池，檢測有電(約0.9 V)，連接小燈泡，不亮.在電路中再測電池電壓，電壓去哪兒了？猜想-測量求證：從外電路到內(nèi)電路測量電壓求證，意識到內(nèi)電路發(fā)生的能量消耗，循因可知內(nèi)阻、內(nèi)電壓的必然存在.

3.3.4 提煉概念

非靜電力、電動勢、路端電壓，內(nèi)阻；內(nèi)電路、外電路，內(nèi)電壓、外電壓(路端電壓).對于新建立的重要概念，既需厘清其來龍去脈，還需引向提升物理觀念.例如非靜電力，在分析了不同類型電源中非靜電力的具體形成機制之后(1)化學電池——物理化學作用;熱電偶——電子氣的擴散作用;光伏發(fā)電——半導體的光電效應;電磁感應——磁場或渦旋電場對(運動)電荷的作用.目前的風力發(fā)電、水力發(fā)電、熱電和核電，核心原理都是磁場對運動電荷的作用(動生電動勢).，通過歸納明確：盡管不同電源中非靜電力的機制不同，但都是在電源內(nèi)部克服靜電力移動電荷做正功.由此共同點抽象出一個統(tǒng)一的“非靜電力” 概念[3].繼而，在要求學生思考并試作回答“如何向觀念層面再提升一步”之后，再明確說明：所有的機制，都不過是某幾種物質(zhì)之間的相互作用能夠完成同一任務——克服靜電力對電荷做正功；正是在克服靜電力對電荷做正功的過程中將其他形式的能量轉(zhuǎn)換為電能.

3.3.5 交流拓展3個問題

(1)結(jié)合生活經(jīng)驗與日常觀察，舉例說明電源內(nèi)阻的客觀存在.(2)在干電池、小燈泡、滑動變阻器、開關(guān)構(gòu)成的一個閉合回路中，都存在著什么形式的能量轉(zhuǎn)化，整個回路的電勢又是如何分布的？(3)從物質(zhì)觀分別審視一個化學電源，以及一個含源直流閉合電路，有沒有以場形態(tài)存在的物質(zhì)？

3.4 探究交流電源 深入理解電磁感應

3.4.1 發(fā)電機結(jié)構(gòu) 電流的產(chǎn)生與持續(xù)及大小與方向

學生拆解交流發(fā)電機模型，觀察材料、結(jié)構(gòu)(裝置與運轉(zhuǎn)).思考分析3個問題：為什么可用一個矩形導線框代替一組線圈來分析發(fā)電機的發(fā)電原理？發(fā)電機發(fā)出的電流方向和大小為什么會發(fā)生改變？要使發(fā)電機發(fā)出的電流波形保持正弦曲線，在器材和操作上起碼需要滿足哪些條件？對第三個問題的討論，需要涉及勻強磁場、密度均勻的直導線構(gòu)成的線圈組(對轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量分布而言)、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)軸，以及線圈做勻速定軸轉(zhuǎn)動.此外，還可適時指出，該問題的表述既體現(xiàn)了物理學如何看世界和如何研究問題的視角,物質(zhì)、運動、相互作用的這一表述順序，也給我們回答問題提供了一個邏輯思路.

3.4.2 發(fā)電過程的宏觀分析與質(zhì)疑的提出

實踐操作發(fā)電機發(fā)電點亮小燈泡；斷開電路，測量輸出端電動勢的值.思考如何從物質(zhì)、運動、能量3個角度解釋線圈轉(zhuǎn)動時如何獲得電動勢？有3個注意點.一是說“物質(zhì)”時,不能丟掉空間的磁場.二是說“運動”時,須包括機械運動和電磁運動及其變化，導線切割磁感線的同時導線中產(chǎn)生電動勢，屬于電磁運動.三是注意實際難點在于：發(fā)電過程中機械能到底是如何轉(zhuǎn)化為電能的.宏觀地看，有兩種解釋.用法拉第電磁感應定律解釋，線圈勻速轉(zhuǎn)動過程中，與磁場共面時，線圈所圍面積內(nèi)的磁通量為零，但在變化，變化率還最大，因此有感應電流產(chǎn)生；用切割運動的動力學機制解釋，導線切割磁感線時，磁場對導線中隨之運動的大量電子的洛倫茲力(即宏觀的非靜電力)，使電子定向移動，導致有電流產(chǎn)生(即動生電流).磁場同時對此電流發(fā)生作用(使線圈受安培力)，這導致線圈要繼續(xù)轉(zhuǎn)動就必須克服安培力所做功，于是需要消耗機械能.由于從能量角度看，動生電流生成的原因不是直接源于磁，就是機械能轉(zhuǎn)化成了線圈中的電勢能.宏觀解釋的優(yōu)勢是可以簡潔地得到結(jié)論，但不同結(jié)論之間欠缺內(nèi)在的聯(lián)系，甚至有相互矛盾的假象，難以形成整體認識.

兩個解釋的差異源于模型不同.在電動力學中存在兩個假設，非靜電力做功與電磁感應，分別建立兩個模型.雖然模型不同，但兩個模型對動生電動勢的理論計算，得出的量值卻是一樣的[4].或許，這意味著更深層的聯(lián)系有待探索.

不過仍然可以提出一個值得質(zhì)疑的問題.電磁感應理論和最后的麥克斯韋方程組，都是研究磁變電的；“動生”過程沒有磁能向電能的轉(zhuǎn)化，為什么歸屬于電磁感應理論之中？

3.4.3 試引導對“質(zhì)疑”進入微觀機理的探索

仔細思考動生電動勢的產(chǎn)生過程，注意到兩點.從微觀看，洛倫茲力是磁場對運動電荷的作用，在切割磁感線時它對導線內(nèi)電子做的正功意味著磁場能量向電勢能的轉(zhuǎn)化，雖然在洛倫茲力做的總功(零)中不被顯現(xiàn).這也說明還有一份等量的負功，即大量電子定向移動受到的洛倫茲力(宏觀的安培力)的負功，消耗機械能同步補償了磁場能.或者說機械能轉(zhuǎn)化為電能的過程其實借助了磁場能變化.即“動生”過程在機理上雖不像“感生”過程一樣直接呈現(xiàn)為磁電轉(zhuǎn)化，但還離不開磁與電的不間斷相互作用，因此放在了電磁感應的理論框架內(nèi).

綜合來看，“動生”過程，導體、電子與磁場之間發(fā)生的相互作用——非靜電力與安培力，即實物粒子與場之間進行的是具有清晰微觀細節(jié)的機械能與電磁能的轉(zhuǎn)化過程；“感生”過程，磁場、渦旋電場與微觀粒子之間相互作用，在一定條件下以場的運動及其變化直接完成磁場能量與電場能量間的轉(zhuǎn)化.兩種過程，從微觀機理到宏觀的能量轉(zhuǎn)化，差異如此之大，但是統(tǒng)一于法拉第電磁感應定律磁通變化率的描述，是不是隱藏著更加深刻的內(nèi)容有待挖掘呢？

3.4.4 對比發(fā)電機與電動機

仿照發(fā)電機的分析過程，從結(jié)構(gòu)、工作原理、微觀機制、宏觀過程和能量轉(zhuǎn)化幾個角度比較異同點.

3.4.5 提煉概念

洛倫茲力、安培力，磁通量、電磁感應、感應電動勢，正電動勢、反電動勢，交流電的周期與頻率.

3.5 交流拓展

變壓器的功能、工作原理、銘牌參數(shù)與使用，拆裝實驗室可拆變壓器.仿照本單元上述兩節(jié)的研究方式自學、交流，提煉出所涉及的物理概念，最后提交小論文：從物質(zhì)、運動和相互作用、能量的角度考察變壓器.