指向科學(xué)思維提升的高中物理教學(xué)設(shè)計
——以“電源和電流”為例

黃皓燕

(江蘇省南京市金陵中學(xué)，江蘇 南京 210005)

1 問題的提出

“科學(xué)思維”是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式；是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運用；是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格?！翱茖W(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素?？茖W(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容，科學(xué)思維的培養(yǎng)是物理教育的核心，也是物理教學(xué)的難點。筆者以“電源和電流”為例，指向科學(xué)思維提升進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，旨在有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

2 教材分析

“電源和電流”是人教版高中物理必修第三冊第十一章第一節(jié)的內(nèi)容，本節(jié)內(nèi)容要求為：初步建立電源的模型，知道電源是“搬運”電荷、維持電路電勢差的裝置。該教材將“電源電動勢”放到了第十二章第二節(jié)“閉合電路的歐姆定律”中，而對于電源內(nèi)部非靜電力做功及內(nèi)阻，筆者認(rèn)為在學(xué)習(xí)了磁流體發(fā)電機、電磁感應(yīng)等知識后，學(xué)生才會有更具體的理解。教材做這樣的處理，讓學(xué)生第一次接觸電源時，僅從產(chǎn)生持續(xù)電流的角度理解電源，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)電源的門檻，有利于學(xué)生對電源進(jìn)行進(jìn)階學(xué)習(xí)。

恒定電流場模型的建立是學(xué)習(xí)的難點，教材采用了定性論證的方法，這樣可以降低學(xué)習(xí)的難度，但學(xué)生不易理解，往往似懂非懂。筆者建議對學(xué)習(xí)能力較強的同學(xué)可以運用科學(xué)推理與論證的方式，利用逐層遞進(jìn)的問題，引領(lǐng)學(xué)生建構(gòu)穩(wěn)恒電流場模型，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。

3 指向科學(xué)思維提升的教學(xué)目標(biāo)

課程標(biāo)準(zhǔn)針對科學(xué)思維，將質(zhì)量學(xué)業(yè)劃分為5級水平，筆者認(rèn)為，對同樣的情境、同樣的問題、不同知識基礎(chǔ)的同學(xué)，水平等級應(yīng)該是不同的。根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)“電源和電流”的認(rèn)知基礎(chǔ)，確定了本節(jié)內(nèi)容的科學(xué)思維教學(xué)目標(biāo)(表1)。

表1

4 指向科學(xué)思維提升的教學(xué)流程

4.1 電源模型的初步建構(gòu)

4.1.1 創(chuàng)設(shè)情境，比較分類

師：請同學(xué)們觀察圖片，電閃雷鳴時，強大的電流使天空不時發(fā)出耀眼的閃光(圖1)，但它只能存在于一瞬間，我們來模擬一下閃電的過程，請注意觀察。

圖1

實驗1：使靜電感應(yīng)起電機起電，將兩個放電球靠近(圖2)。

圖2

生：將放電球靠近，出現(xiàn)了閃電現(xiàn)象。

師：為什么會發(fā)生這樣的現(xiàn)象？

生：兩放電球分別帶異種電荷，在兩球間產(chǎn)生電場，存在電勢差，當(dāng)兩球靠近時，它們間的場強增大到一定值時，空氣分子被電離，瞬間形成放電電流。

師：同學(xué)們看一下，手電筒中的小燈泡能持續(xù)發(fā)光，這是為什么？

實驗2：引導(dǎo)學(xué)生觀察手電筒電路(圖3)，回路里有電源(電池)、小燈泡、開關(guān)、導(dǎo)線，閉合開關(guān)，觀察實驗現(xiàn)象。

圖3

現(xiàn)象：開關(guān)閉合后，小燈泡一直發(fā)光。

問題引領(lǐng)1：請同學(xué)們比較這兩個實驗現(xiàn)象，如何才能產(chǎn)生持續(xù)的電流？

生：小燈泡能持續(xù)發(fā)光的主要原因就是電路中有電源。

4.1.2 科學(xué)推理，建構(gòu)模型

模型抽象：可以用導(dǎo)體球A和B表示靜電感應(yīng)起電機的兩個放電球，起電后A球帶正電，B球帶負(fù)電，如何才能使電荷發(fā)生移動？

生：用一根導(dǎo)線連接A、B球。

師：用一根導(dǎo)線連接帶等量異種電荷的A、B球，會發(fā)生什么現(xiàn)象？

生：導(dǎo)線中的自由電子由B向A移動，B失去電子，A得到電子，在導(dǎo)線中會形成電流，A、B之間的電勢差很快消失，兩導(dǎo)體成為等勢體，達(dá)到靜電平衡，此后自由電子不再移動，所以導(dǎo)線中的電流只會瞬間出現(xiàn)。

師：如何才能使導(dǎo)線中存在持續(xù)的電流呢？

生：給A球重新帶上正電荷、B球重新帶上負(fù)電荷。繼續(xù)搖動靜電感應(yīng)起電機的手柄。

科學(xué)論證：學(xué)生一直搖動靜電感應(yīng)起電機的手柄，兩個靠近的金屬球間一直有電流產(chǎn)生。

生：通過一直起電，使A球、B球一直帶有正、負(fù)電荷，這樣導(dǎo)線中一直有電流流過。

遷移思維：使A球、B球一直帶正、負(fù)電荷更簡單的方法是什么？或者說，B球的負(fù)電荷(電子)去哪兒了?

生：通過導(dǎo)線給了A球。

師：所以更簡單的方法是什么？

生：從另外的通道，將電子再從A球“搬回”到B球上。

師：如圖4所示，可以通過裝置P,將電子再從A球“搬運”到B球上，以維持A、B球間的電勢差。

圖4

類比遷移：如圖5所示，A容器內(nèi)的水位比B容器內(nèi)水位高，所以，A容器內(nèi)的水會自動流向B容器，當(dāng)兩容器內(nèi)的水位等高時，水就不流動了。如果用抽水機將水從B容器中抽回到A容器中，源源不斷地抽水，水也就源源不斷地由A容器流向B容器。所以，電源就是“搬運”電荷的裝置，可以叫“電泵”。不同的電源“搬運”電荷的方法不同，同學(xué)們課后可以查找資料，在后面的學(xué)習(xí)中我們也會逐步研究。

圖5

4.1.3 設(shè)計思路

(1)在真實的情境中比較分類

筆者利用靜電感應(yīng)起電機現(xiàn)場模擬閃電，用簡單的閉合回路還原手電筒電路。這樣的改進(jìn)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對短暫電流與連續(xù)電流的感受,方便學(xué)生理解電源的本質(zhì)，建構(gòu)電源模型，也為電源的理論探究及下面的恒定電場分析提供了實物模型。

(2)理論探究與科學(xué)論證并重，科學(xué)推理與類比推理相呼應(yīng)

將實體模型進(jìn)行抽象，再根據(jù)電子在電場中運動的知識推理電流的形成過程及形成持續(xù)電流的條件：保持A、B球間的電勢差，從而引入電源裝置。同時通過水位差及水的循環(huán)流動類比電子在回路中的運動，形象生動，加深了學(xué)生對電源的理解。

4.2 恒定電場的建構(gòu)

4.2.1 科學(xué)推理，建構(gòu)模型

問題引領(lǐng)2：在有電源的電路中,導(dǎo)線內(nèi)部的電場有何特點？

師：可以認(rèn)為電源兩極上帶有等量異種電荷，那么電荷周圍的電場如何？同學(xué)們可以試著畫一下周圍的電場線。

學(xué)生畫出等量異種電荷周圍的電場線(圖6)。

圖6

師：接通電路后，我們截取其中一段導(dǎo)線進(jìn)行研究，如圖7所示，導(dǎo)線內(nèi)的自由電子受到電場力作用后沿電場線的反向方向運動到導(dǎo)線的M側(cè)，就會積累負(fù)電荷(電子)，N側(cè)積累正電荷，導(dǎo)線內(nèi)部就形成了與導(dǎo)線垂直方向的感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場E′，感應(yīng)電場與電源電荷形成的電場相合成，將電源電荷形成的電場分解為沿導(dǎo)線方向上的Et和與導(dǎo)線垂直方向上的En(圖8)，穩(wěn)定后，感應(yīng)電荷的電場強度E′與電源電荷形成的沿與導(dǎo)線垂直方向的電場強度En相等，方向相反，導(dǎo)線內(nèi)的合電場沿導(dǎo)線方向(圖9)。

圖7

圖8

圖9

4.2.2 自主探究，科學(xué)推理

引導(dǎo)學(xué)生閱讀課本中相關(guān)內(nèi)容，思考問題：在有電源的電路中，電荷的分布有什么特點？

導(dǎo)線內(nèi)的電場是由電源、導(dǎo)線等電路元件所積累的電荷共同形成的。盡管這些電荷也在運動，但有的流走了，另外的又來補充，所以電荷的分布是穩(wěn)定的，電場的分布也是穩(wěn)定的，形成穩(wěn)恒電場。

4.2.3 質(zhì)疑創(chuàng)新，科學(xué)論證

問題引領(lǐng)3：在有電源的電路中，導(dǎo)線內(nèi)的電場沿導(dǎo)線方向，那么電子會一直加速運動下去嗎？

生1：會一直加速下去，因為自由電子受到與場強方向的相反的電場力作用，做加速運動，所以速度會越來越大。

生2：導(dǎo)線內(nèi)部不是只有自由電子，還有帶正電的原子核和不可以自由移動的電子，加速后的自由電子會與這些粒子碰撞，碰撞阻礙了自由電子的定向運動，結(jié)果是大量自由電子定向運動的平均速率不隨時間變化，形成恒定電流。

問題引領(lǐng)4：你認(rèn)為在有電源的電路中電流是恒定的嗎？

生1：我相信，因為推理很合理。

生2：我們可以測量一下回路中的電流，看是不是恒定電流。

實驗驗證：將電流表接入回路中，觀察電流表的讀數(shù)。

實驗結(jié)果：回路中的電流是恒定電流。

4.2.4 設(shè)計思路

(1)通過理論探究和定性分析，推理得出通電線路中的電場是穩(wěn)恒電場，讓學(xué)生了解導(dǎo)線內(nèi)電場形成的機理，這是學(xué)生習(xí)得科學(xué)推理方法的有效途徑。

(2)科學(xué)論證恒定電流。為什么通電導(dǎo)線內(nèi)的電流是恒定的？通過理論探究及實驗驗證，并得出結(jié)論，提升了學(xué)生的質(zhì)疑能力和論證能力。

4.3 恒定電流的研究

4.3.1 運用比喻，建構(gòu)電流概念

問題引領(lǐng)5：如何描述電流的強弱？

師：在生活中，我們?nèi)绾谓y(tǒng)計公路上的車流量？

生：在公路的某一截面處觀察，統(tǒng)計相同時間(單位時間)內(nèi)通過車子的數(shù)量(圖10)。可以在電路的某一截面處統(tǒng)計相同時間(單位時間)內(nèi)通過的定向移動的自由電子的數(shù)量。

圖10

教師由此引導(dǎo)學(xué)生給出電流強度的定義。

4.3.2 科學(xué)推理，理解電流的微觀本質(zhì)

理論探究：如圖11所示，AB表示粗細(xì)均勻的一段長為L的金屬導(dǎo)體，導(dǎo)體的橫截面積為S，兩端加一定的電壓，導(dǎo)體中的自由電子沿導(dǎo)體定向移動的速率為v，單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n，自由電子的電荷量為e，導(dǎo)體中的電流是多大？

圖11

取導(dǎo)線中的任一橫截面D，可以讓學(xué)生分步思考:

(1)在t時間內(nèi)導(dǎo)體中通過橫截面D的自由電子數(shù)是多少？

生：電子數(shù)N=nSvt。

(2)在t時間內(nèi)導(dǎo)體中通過橫截面D的總電荷量是多少？

生：總電荷量Q=Nq=nvtSe。

(3)流過導(dǎo)體AB中的電流是多大？

4.3.3 科學(xué)推理，質(zhì)疑創(chuàng)新

實例探究：研究電子定向移動的平均速率。

有一橫截面積S=1.00 mm2的銅導(dǎo)線，單位體積中自由電子個數(shù)n=8.5×1028m-3，電子的電荷量e=1.6×10-19C，當(dāng)通以電流為I=1 A的電流強度時，求電子定向移動的平均速率。

問題引領(lǐng)6：既然電子的定向運動速率很小，為什么閉合開關(guān)時電路中的電燈立刻就亮了呢？

展示學(xué)生跑步的圖片(圖12)，運用比喻進(jìn)行說明，每個人跑動的速度并不快，但整個隊伍很快就動起來了。為什么？

圖12

生：因為隊伍動起來的快慢，取決于“哨音”傳播的快慢。

師：閉合開關(guān)后，在電路中以電場傳播速度建立電場，電路中各處的自由電子幾乎同時發(fā)生定向移動，在電路中形成電流。

4.3.4 設(shè)計思路

(1)利用車流量打比方，學(xué)生很容易理解電流的定義。

(2)通過理論探究，深度建構(gòu)電流概念。解讀電流的微觀本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的推理能力；探討電流傳導(dǎo)的本質(zhì)：在回路中建立穩(wěn)恒電場、形成電流，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力。

5 結(jié)語

本節(jié)課在三個教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計上都對科學(xué)思維的培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行了精確定位，在真實的情境中比較、分類，建立電源模型，通過科學(xué)推理、科學(xué)論證及實例探究等活動，切實培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。