大概念統(tǒng)攝下的高三物理復(fù)習(xí)課堂實(shí)踐

趙海艷 鄧靖武

摘 要：大概念統(tǒng)攝下的高三物理復(fù)習(xí)課能夠更有效地促進(jìn)學(xué)生的有效學(xué)習(xí)發(fā)生，能夠清晰地建構(gòu)知識、概念、規(guī)律之間的聯(lián)系，使學(xué)生獲得“既有森林又有樹木”的整體感.本文以專題“動生電動勢能量轉(zhuǎn)化關(guān)系”為例，建構(gòu)大概念統(tǒng)領(lǐng)下的高三物理復(fù)習(xí)策略.

關(guān)鍵詞：大概念;高三復(fù)習(xí);動生電動勢;能量守恒

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）19-0030-04

作者簡介：趙海艷（1980-），女，河北人，碩士，中學(xué)一級教師，研究方向：物理教學(xué)教法.

在高三復(fù)習(xí)中，教師往往按照一輪章節(jié)復(fù)習(xí)、二輪采用版塊模式進(jìn)行復(fù)習(xí).在這種復(fù)習(xí)中，學(xué)生往往掌握了基本知識，但是對于知識間的深層理解，知識間橫向聯(lián)系并沒有有效形成.因此在高三復(fù)習(xí)中，有必要在大概念的統(tǒng)攝下對原有知識進(jìn)行重新組合，依據(jù)知識間的聯(lián)系進(jìn)行整合復(fù)習(xí).溫哈倫認(rèn)為大概念是能用于解釋大范圍內(nèi)的物體、時間與現(xiàn)象的概念[1].大概念是有組織、有結(jié)構(gòu)的科學(xué)知識和模型，這些大概念能夠解釋大范圍內(nèi)的一系列相關(guān)現(xiàn)象[2].高三學(xué)生已經(jīng)掌握了大部分的概念、規(guī)律，恰恰缺乏大概念的統(tǒng)領(lǐng)，以及不同知識內(nèi)容間的融匯和深層理解.在高三以大概念為視角的知識復(fù)習(xí)不管是在宏觀層面的認(rèn)知框架上、中觀層面的課程線索上，還是在微觀層面的教學(xué)設(shè)計(jì)上，都有其很好的引領(lǐng)作用[2].

1 基于大概念的內(nèi)容整合

學(xué)科大概念（學(xué)科核心概念）并不指向某一知識的具體概念，而是指向具體知識背后更為本質(zhì)、更為核心的思想或看法，他是對概念間關(guān)系的抽象表述，是對事物的性質(zhì)、特征以及事物之間的內(nèi)在關(guān)系及規(guī)律的高度概括[3].但是大概念由于過于抽象很難在教學(xué)中直接使用，因此學(xué)生需要在抽象程度相對較低和適用范圍相對較小的概念學(xué)習(xí)的支撐下逐步完成大概念的學(xué)習(xí)，如圖1所示[4].

在一輪復(fù)習(xí)中高三學(xué)生對電場、磁場、電磁感應(yīng)、電流等基本概念已經(jīng)掌握但是這些知識點(diǎn)零散、復(fù)雜，并且在動生感應(yīng)電路中涉及到了閉合電路歐姆定律、電源中的非靜電力、帶電粒子在磁場中的運(yùn)動、洛倫茲力與安培力的宏觀與微觀上的聯(lián)系，以及在閉合電路中轉(zhuǎn)化的能量關(guān)系，這些關(guān)系學(xué)生往往感到混亂，無法厘清頭緒，無法找到對應(yīng)的功能關(guān)系，因此將動生電動勢的能量守恒作為次級大概念將電路、能量觀念和運(yùn)動與相互作用串聯(lián)起來，展開為一個綜合性的電磁復(fù)習(xí)課，學(xué)生能夠多角度看問題，充分調(diào)動學(xué)生建模、分析、綜合等科學(xué)思維，提高學(xué)生處理問題的綜合能力.

2 基于大概念進(jìn)行教學(xué)活動設(shè)計(jì)

2.1 圍繞大概念建立知識框架

2013年美國頒布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Gerneration Science Standards）最終確立了物質(zhì)科學(xué)的四個學(xué)科核心概念：物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用、能量、波及其在技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用——信息傳遞.能量是“所有科學(xué)概念中最重要也是應(yīng)用最廣泛的物理概念[5]”，貫通從小學(xué)到大學(xué)的全部科學(xué)課程并且一直在發(fā)展，“能量”被全部樣本國家（地區(qū)）列為科學(xué)教育的核心概念之一[6].眾所周知，能量的轉(zhuǎn)化與守恒是對廣泛領(lǐng)域的客觀事物進(jìn)行抽象概括的產(chǎn)物，它在物理學(xué)科中幾乎涵蓋各個主題：力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、原子等.能量觀的核心內(nèi)容是：自然界中有多種形式的能量，能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過程中，有能量轉(zhuǎn)化，而總能量保持不變.能量是“守恒量”，在自然界中能量在轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化過程中的守恒是最基本的守恒定律，也是物理學(xué)科素養(yǎng)中的基本觀念，在物理教學(xué)中讓學(xué)生建立能量觀念并浸透到物理學(xué)習(xí)中去.

如圖2所示，根據(jù)能量守恒定律的發(fā)展史，我們可以發(fā)現(xiàn)人們先發(fā)現(xiàn)的是機(jī)械能守恒，即動能與勢能間相互轉(zhuǎn)化與守恒;然后是機(jī)械能與內(nèi)能間轉(zhuǎn)化也是守恒的，并提出了熱力學(xué)第一定律;之后人們發(fā)現(xiàn)機(jī)械能和內(nèi)能的總和也可能不守恒，于是就引入了電磁能加入機(jī)械能和內(nèi)能，以同樣思路發(fā)展下去，物理學(xué)中引入了光能、原子核能，甚至相對論能量、光子能量、粒子場的能量等等，從而進(jìn)一步建立了普遍的能量守恒定律[7].

在物理的學(xué)習(xí)中，機(jī)械能與內(nèi)能、電磁能之間存在的轉(zhuǎn)化與守恒是能量守恒觀中的重要部分.因此在高三復(fù)習(xí)中，可以將動生電動勢部分以機(jī)械能與內(nèi)能、電磁場之間的轉(zhuǎn)化與守恒列為次級大概念，將學(xué)生的知識重新進(jìn)行架構(gòu)，可以更深刻地體會能量守恒觀.根據(jù)圖3的次級概念整合各個概念， 不僅從知識的角度能更加深刻理解各個物理量間的關(guān)系，還能建構(gòu)電磁中能量轉(zhuǎn)化與守恒的知識體系.

2.2 圍繞大概念建立活動主線

從能量轉(zhuǎn)化的角度看，電磁感應(yīng)現(xiàn)象是其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的過程.學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)時都知道有電動機(jī)模型和發(fā)電機(jī)模型，其本質(zhì)是安培力做正功和安培力做負(fù)功.發(fā)電機(jī)模型又分為動生電動勢和感生電動勢，在復(fù)習(xí)動生電動勢時可分為導(dǎo)體棒切割磁感線模型、磁流體發(fā)電機(jī)等，學(xué)生往往分別看待這兩種模型，認(rèn)為他們的產(chǎn)生原理是不同的.在導(dǎo)體棒切割磁感線的過程中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的微觀解釋，與洛倫茲力做功間的關(guān)系，以及感應(yīng)電動勢在閉合回路中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系是高三復(fù)習(xí)的難點(diǎn).因此根據(jù)次級概念與大概念間的聯(lián)系，以“對導(dǎo)體棒切割磁感線的分析”為活動主線：從學(xué)生自主活動設(shè)計(jì)電源入手;從導(dǎo)體棒切割磁感線和磁流體發(fā)電機(jī)入手;從課本上反復(fù)出現(xiàn)的模型入手，啟發(fā)學(xué)生思維;從多角度證明二者的一致性.從而以導(dǎo)體棒切割磁感線模型繼續(xù)從微觀、能量角度分析閉合電路中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)動生電路中的能量關(guān)系.

3 主要學(xué)習(xí)活動設(shè)計(jì)

3.1 回歸教材——多角度驗(yàn)證導(dǎo)體棒切割磁感線與磁流體發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電動勢原理的一致性

設(shè)計(jì)思路：本環(huán)節(jié)通過人教版教材中的問題進(jìn)行討論，打開從微觀角度思考導(dǎo)體棒切割磁感線模型的思路，從而從動力學(xué)角度得出電動勢，為從能量角度分析電動勢埋下伏筆.學(xué)生對于導(dǎo)體棒切割磁感線與磁流體發(fā)電機(jī)的相似處是有朦朧感受的，但是如何進(jìn)一步獲得靈感從不同角度去驗(yàn)證自己的猜測，是需要教師引導(dǎo)的，因此設(shè)計(jì)通過展示課本上出現(xiàn)的問題，從而引起學(xué)生對于課本問題的深入思考.啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的微觀電流知識，運(yùn)用分析、綜合、推理、科學(xué)論證等方法得出導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與磁流體發(fā)電機(jī)表達(dá)式一致，利用科學(xué)方法驗(yàn)證了自己的猜想.本環(huán)節(jié)通過學(xué)生對已有電磁知識的理解和應(yīng)用（低階思維），通過分析推理、論證，運(yùn)用已學(xué)的知識最后得到二者的電動勢的表達(dá)式是一樣的，這樣恰好印證了我們的猜想是正確的，即二者是同一類型的電源，為下面以導(dǎo)體棒為例來分析導(dǎo)體棒內(nèi)部的工作原理埋下鋪墊（如圖5）.

問題鏈如下：（1）此電子在向右勻速運(yùn)動過程中受力如何？（2）隨著源源不斷的電子累積到下極板，產(chǎn)生什么樣的電場？（3）電子受力會有何變化？（4）電子做何運(yùn)動？（5）電子會一直這樣運(yùn)動下去嗎？請從觀點(diǎn)、依據(jù)、推理過程、結(jié)論四個方面進(jìn)行論述.（6）對比磁流體發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，你有何發(fā)現(xiàn)？這說明什么？

3.2 尋找共性規(guī)律——以導(dǎo)體棒為例研究動生電類能量轉(zhuǎn)化問題

（1）設(shè)計(jì)思路：

在證實(shí)導(dǎo)體棒切割磁感線與磁流體發(fā)電機(jī)電動勢產(chǎn)生的原理是相同后，師生共同對此類動生電動勢模型進(jìn)行進(jìn)一步分析，找出其能量轉(zhuǎn)化關(guān)系.為了符合學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”的特點(diǎn)，設(shè)置了開路、無內(nèi)阻的閉合回路、有內(nèi)阻的閉合回路三種情況，便于學(xué)生對于動生電動勢的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系進(jìn)一步清晰明了.

（2）具體做法：

以導(dǎo)體棒為例研究動生電類能量轉(zhuǎn)化問題，為了便于研究我們設(shè)置了兩個情境.

3.2.1 開路情境1：開路狀態(tài)，AB剛開始運(yùn)動到電動勢穩(wěn)定，導(dǎo)體棒電阻為零

問題鏈：①=1＼*GB3請畫出導(dǎo)體棒AB中沿棒方向的電子受力情況.

②=2＼*GB3電路中各個力做功與能量轉(zhuǎn)化關(guān)系.

③=3＼*GB3電源中非靜電力充當(dāng)什么作用？此模型中哪個力充當(dāng)非靜電力？電場力做功的轉(zhuǎn)化情況如何？

④=3＼*GB3從非靜電力做功的角度證明導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的表達(dá)式E=Blv？

⑤=4＼*GB3當(dāng)電動勢穩(wěn)定后，還有能量轉(zhuǎn)化嗎？

通過對導(dǎo)體內(nèi)部進(jìn)行受力分析，如圖6所示，洛侖茲力與電場力平衡.根據(jù)功能關(guān)系有W洛=W非，qvBl=E電動勢q，E電動勢=Blv.

3.2.2 情境2：閉合回路，外阻為R，內(nèi)阻為零;外阻為R，內(nèi)阻為r

問題鏈：

①=1＼*GB3畫出導(dǎo)體棒中電子受力圖.

②=2＼*GB3找出導(dǎo)體棒中電子受力大小關(guān)系.

③=3＼*GB3畫出電阻R中電子受力情況.

④=4＼*GB3找出R內(nèi)電子受力大小關(guān)系.

⑤=5＼*GB3思考在能量轉(zhuǎn)化中，導(dǎo)體棒和電阻中的電子所受力所起的作用.

⑥=6＼*GB3在此模型中，導(dǎo)體棒勻速運(yùn)動， 拉力做功與安培力做功分別為多少？外力做功轉(zhuǎn)化為哪種能量？

⑦=7＼*GB3非靜電力做功與電路中獲得電能有何關(guān)系？

⑧=8＼*GB3電路中產(chǎn)生的焦耳熱是多少？

⑨=9＼*GB3在動生電路中，你可以總結(jié)能量轉(zhuǎn)化關(guān)系嗎？

通過上述分析，可確定各力的功能關(guān)系（見表2）.

3.2.3 完善能量觀

設(shè)計(jì)思路：在完成動生電路內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系后，從宏觀角度再次進(jìn)行功能和能量轉(zhuǎn)化的分析，幫助學(xué)生建立關(guān)于動生電模型的能量轉(zhuǎn)化與守恒觀.本環(huán)節(jié)運(yùn)用學(xué)生的已有知識，在教師的設(shè)計(jì)下通過分析、推理、論證等方法，進(jìn)一步使學(xué)生對于動生電路中能量轉(zhuǎn)化關(guān)系有了更深刻的認(rèn)識，鍛煉了學(xué)生的科學(xué)思維和探究能力，完善了能量觀，使學(xué)生達(dá)到高階思維水平[8].

問題鏈：①=1＼*GB3從宏觀角度對導(dǎo)體棒進(jìn)行受力分析.

②=2＼*GB3找出導(dǎo)體棒受力大小關(guān)系？

③=3＼*GB3拉力、安培力做功分別引起了哪些能量的變化？

④=4＼*GB3可以從宏觀角度找出導(dǎo)體棒切割磁感線引起的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系嗎？

通過分析可知，從宏觀上看本部分內(nèi)容的知識，其研究線索通?？梢詮牧湍軆煞矫嬲归_（見表3），有時還往往交織應(yīng)用.但遇到變力作用的情況時，從能量的轉(zhuǎn)化和守恒角度就成為唯一手段了[9].

4 大概念統(tǒng)領(lǐng)下課堂實(shí)踐的意義及討論

在大概念統(tǒng)領(lǐng)下的高三復(fù)習(xí)課有以下幾個意義：（1）在大概念的通領(lǐng)下可以抓住學(xué)科的上位知識實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的組織結(jié)構(gòu)化、知識的有效遷移與學(xué)以致用;（2）以大概念進(jìn)行組織教學(xué)，能科學(xué)地、合理地鏈接離散的事實(shí)、技能，使課程知識結(jié)構(gòu)化與統(tǒng)一化，有利于提高學(xué)生的元認(rèn)知水平，促進(jìn)高階思維的發(fā)生;（3）在大概念統(tǒng)領(lǐng)下進(jìn)行復(fù)習(xí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)科知識的連續(xù)性和學(xué)科間的關(guān)聯(lián)性，更加高效地完成教學(xué)任務(wù)“整體大于部分之和”.

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[9]王溢然，徐燕翔.中學(xué)生物理思維方法叢書2守恒[M].合肥：中國科技大學(xué)出版社，2015.

（收稿日期：2021-07-16）