高中“電流”概念的高端備課①

李 希 董鑫鑫 邢紅軍

(首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院，北京 100037)

電流是高中物理的重要概念，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。由于現(xiàn)行教材未能全面詮釋電流概念的物理本質(zhì)及定義式的得出過(guò)程，從而導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)中往往處于機(jī)械記憶狀態(tài)，不能深入把握電流概念的物理本質(zhì)。針對(duì)以上問(wèn)題，筆者立足物理學(xué)描述范式，通過(guò)顯化比值定義法，對(duì)電流概念及其定義式的得出進(jìn)行符合思維邏輯的教學(xué)設(shè)計(jì)，以期為電流概念教學(xué)提供參考。

1 現(xiàn)行教材中電流概念的編寫(xiě)分析

在深入研究教材的基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為，該節(jié)教材的編寫(xiě)更偏重于“電流”，教材在“拓展學(xué)習(xí)”欄目推導(dǎo)了電荷定向移動(dòng)的速率，又在“STSE”欄目對(duì)電源的工作原理進(jìn)行了補(bǔ)充，舍去了上一版“電動(dòng)勢(shì)”的內(nèi)容。教材內(nèi)容的“去留”情況所折射出的編寫(xiě)意圖是：電源可以在電路中提供恒定電場(chǎng)，從而說(shuō)明恒定電流形成的物理本質(zhì)。教材編寫(xiě)的這種處理方式存在的問(wèn)題在于：教材直接將宏觀層面的電流表現(xiàn)和微觀層面的電荷量相聯(lián)系，在缺乏引導(dǎo)性介紹的情況下就直接給出了電流的定義式，并不利于學(xué)生對(duì)電流概念的有意義建構(gòu)。

筆者認(rèn)為，學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中不是去機(jī)械地記憶公式，而是要借助于科學(xué)方法，把握物理知識(shí)的本質(zhì)。電流是采用比值法定義的，顯然，只有借助于比值定義法，逐步揭示電流形成的物理本質(zhì)，才能展現(xiàn)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密、邏輯清晰的教學(xué)過(guò)程，從而幫助學(xué)生更好地理解電流概念。

2 電流概念的高端備課

基于上述分析，高中電流概念的教學(xué)需要說(shuō)明電流形成的來(lái)龍去脈，并在此基礎(chǔ)上厘清電流和電荷量的關(guān)系，為此，筆者對(duì)高中電流概念的教學(xué)進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)。

2.1 巧用類(lèi)比，詮釋“場(chǎng)”描述范式下的電流本質(zhì)

在電流概念的引入過(guò)程中，對(duì)于電流傳輸速度和電子運(yùn)動(dòng)速度的討論，可以通過(guò)一個(gè)形象的比喻來(lái)處理，即：“為什么水龍頭打開(kāi)就能立即流出水，而停水后從水廠(chǎng)再次輸送水到每家每戶(hù)的時(shí)間卻需要很久？”探究這個(gè)問(wèn)題不難發(fā)現(xiàn)，初中對(duì)電流的描述屬于“水龍頭出水”，是在“路”的物理學(xué)描述范式下對(duì)電流進(jìn)行的描述，主要關(guān)注的是一段電路或整個(gè)電路的特性和能量轉(zhuǎn)換情況，教學(xué)的要求是讓學(xué)生能夠通過(guò)電流表直接測(cè)量或通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算；高中電流的教學(xué)則屬于“從水廠(chǎng)向家庭輸送水”，需要考察電場(chǎng)系統(tǒng)中所發(fā)生的物理過(guò)程。因此，高中電流教學(xué)需要在“場(chǎng)”的物理學(xué)描述范式下進(jìn)行，[2]分析單個(gè)自由電子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)狀況，從而闡釋電流的物理本質(zhì)。

需要明確的是，導(dǎo)體中自由電子同時(shí)參與無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)和定向運(yùn)動(dòng)。自由電子的熱運(yùn)動(dòng)方向是雜亂無(wú)章的，不會(huì)產(chǎn)生宏觀電流。而定向運(yùn)動(dòng)則是在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下發(fā)生的，是產(chǎn)生電流的原因。根據(jù)所學(xué)的靜電力知識(shí)，學(xué)生不難知道，電場(chǎng)強(qiáng)度的大小將直接決定自由電子的定向運(yùn)動(dòng)速率。在恒定電場(chǎng)中，自由電子在電場(chǎng)力作用下加速運(yùn)動(dòng)，又在和其他離子的碰撞中受到阻礙，因此自由電子表現(xiàn)為以一定的平均速率定向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)接通電源后，在恒定電場(chǎng)的作用下，電路中的自由電子便會(huì)發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)，從而形成恒定電流。

教師還需要進(jìn)一步說(shuō)明：導(dǎo)體內(nèi)自由電子的定向運(yùn)動(dòng)速率很小，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電流傳輸?shù)乃俾省４藭r(shí)，學(xué)生不禁要問(wèn)：為什么導(dǎo)體通電，電流都是瞬時(shí)產(chǎn)生的？對(duì)此，我們可以繼續(xù)利用“自來(lái)水供應(yīng)”進(jìn)行類(lèi)比，水廠(chǎng)提供了水壓(電源提供電場(chǎng))，水管中充滿(mǎn)了水(導(dǎo)體內(nèi)各處均有自由電荷)，只要打開(kāi)水龍頭便會(huì)流出水(在電場(chǎng)的作用下自由電荷便會(huì)發(fā)生定向運(yùn)動(dòng))。而水流要從水廠(chǎng)到水龍頭不是瞬間抵達(dá)的(自由電荷的定向運(yùn)動(dòng)速率小于電流速率)，水廠(chǎng)停水后，由于用戶(hù)還要用水，所以水管里儲(chǔ)存的水會(huì)全部流出去，但電路停電后，電路里的自由電子卻始終都不會(huì)減少，這是水管里的水和電路里面的自由電子存在的不同形式。概而言之，電流的產(chǎn)生在于電源提供了電場(chǎng)，使得導(dǎo)體內(nèi)的自由電荷發(fā)生了定向運(yùn)動(dòng)，在閉合電源開(kāi)關(guān)的瞬間，電路中各個(gè)位置以接近光速的速率迅速建立了電場(chǎng)，整個(gè)電路中也就幾乎同時(shí)形成了電流。

2.2 運(yùn)用比值定義法，定量描述電流

基于“場(chǎng)”的物理學(xué)描述范式發(fā)現(xiàn)：電流大小與電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的電荷量有關(guān)。為了得到電荷量和電流大小的關(guān)系，我們依據(jù)比值定義法的邏輯開(kāi)展教學(xué)設(shè)計(jì)。

2.2.1 設(shè)計(jì)起點(diǎn)，直接比較通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量來(lái)定義電流

首先，建立一個(gè)直觀的物理模型(圖1)，根據(jù)這一物理模型假設(shè)：將通過(guò)某一導(dǎo)體相同橫截面的電荷量的多少作為電流大小的量度，看看是否可行？

圖1

設(shè)在電源電壓為2 V時(shí)，2 s內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體某一截面的電荷量為4C，導(dǎo)體內(nèi)的電流為I1；改變電源電壓為1 V，5 s內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體某一截面的電荷量為5C，導(dǎo)體內(nèi)的電流為I2。這時(shí)教師向?qū)W生提問(wèn)：能否用通過(guò)導(dǎo)體內(nèi)某一橫截面積電荷量的多少作為導(dǎo)體內(nèi)電流大小的量度？若以這樣的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)量度，則有I2>I1。然而，電流表測(cè)量的結(jié)果卻是I1>I2。這是為什么呢？教師可以引導(dǎo)學(xué)生分析，產(chǎn)生問(wèn)題的原因在于：導(dǎo)體內(nèi)的電流不僅與通過(guò)導(dǎo)體中某一橫截面的電荷量多少，還與時(shí)間有關(guān)，因?yàn)樽杂呻娮幼龆ㄏ蜻\(yùn)動(dòng)通過(guò)上述橫截面需要花費(fèi)時(shí)間。因此，為了確定電流，在比較通過(guò)導(dǎo)體中某一橫截面的電荷量多少時(shí)，所花費(fèi)的時(shí)間應(yīng)該相同。于是，電流的定義就轉(zhuǎn)化為比較在相同時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體中某一橫截面電荷量的多少。

2.2.2 選取相同的時(shí)間比較通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量，定義電流

不難發(fā)現(xiàn)，直接用通過(guò)導(dǎo)體橫截面電荷量的多少并不能準(zhǔn)確反映出導(dǎo)體內(nèi)的電流大小。若想解決這一問(wèn)題，在比較電荷量時(shí)，還需要選取相同的時(shí)間。于是引入時(shí)間變量t，用通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量與所用時(shí)間的比值來(lái)定義電流(表1)。

表1

如表1所示，在2 s內(nèi)，通過(guò)導(dǎo)體某一橫截面的電荷量與時(shí)間的比值為2 C/s；而在5 s內(nèi)，通過(guò)導(dǎo)體某一橫截面的電荷量與時(shí)間的比值為1 C/s。這與電流表實(shí)際測(cè)量的電流數(shù)值相同,顯然，當(dāng)選取相同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)后，電荷量與時(shí)間的比值就能夠準(zhǔn)確地反映出導(dǎo)體內(nèi)電荷量流動(dòng)的特性。然而，這個(gè)比值表達(dá)了什么樣的物理意義？還需要展開(kāi)進(jìn)一步研究。

至此，我們似乎已經(jīng)看出了電荷量與時(shí)間的比值的意義，然而，這僅僅是在數(shù)學(xué)上達(dá)成了這一觀念認(rèn)同。從物理學(xué)的角度出發(fā)，我們?nèi)匀恍枰M(jìn)一步揭示其物理意義。

需要指出的是：電流大小是由電源產(chǎn)生的電場(chǎng)和通電導(dǎo)體所決定。在“場(chǎng)”的描述范式下，說(shuō)明了電荷量和電流大小的關(guān)系，揭示了電流形成的物理本質(zhì)。然而，電荷量通過(guò)導(dǎo)體相同橫截面的物理模型忽略了導(dǎo)體本身的物理形態(tài)和屬性。因此，對(duì)通電導(dǎo)體的物理性質(zhì)進(jìn)行深入分析，仍然需要在后續(xù)的“電阻”教學(xué)中展開(kāi)進(jìn)一步研究。

3 研究啟示

基于上述研究，我們得到如下啟示。

3.1 以物理學(xué)描述范式分析電流形成的物理本質(zhì)

在高中物理概念教學(xué)中，很多物理概念往往是教材通過(guò)文字直接給出，學(xué)生只是機(jī)械地記憶物理概念，很難理解物理概念背后的物理本質(zhì)。在這種情況下，學(xué)生往往只知道物理概念“是什么”，卻不知道“為什么”。因此，在電流的高端備課中，我們需從物理學(xué)描述范式的視角，[3]基于“場(chǎng)”的描述范式，分析導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在場(chǎng)的作用下的運(yùn)動(dòng)狀況，從而揭示電流形成的根本原因，這就將初中物理“路”的描述范式下的電流定義與高中物理“場(chǎng)”的描述范式下的電流定義進(jìn)行了統(tǒng)一。這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)，不僅能夠從宏觀角度認(rèn)識(shí)電路中的電流，而且也能窺視到導(dǎo)體內(nèi)部自由電子微觀運(yùn)行的機(jī)制，不但解決了電流“是什么”的問(wèn)題，還解決了“為什么”的問(wèn)題。顯然，基于物理學(xué)描述范式審視電流的教學(xué)，能夠幫助學(xué)生重整電流的知識(shí)結(jié)構(gòu)，并體現(xiàn)了物理學(xué)教學(xué)的本質(zhì)。

3.2 按照比值定義法的步驟建立電流的定義式

比值定義法的本質(zhì)是比較，就是根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)把彼此有某種聯(lián)系的事物加以對(duì)照，從而確定其相同與相異之點(diǎn)，以便對(duì)事物做出分類(lèi)。[4]因此，以比值定義法進(jìn)行高中電流的教學(xué)設(shè)計(jì)，首先要確立比較對(duì)象，在場(chǎng)的描述范式下說(shuō)明電流的形成與定向移動(dòng)的電荷量有關(guān)，再選取時(shí)間作為比較的標(biāo)準(zhǔn)，使電荷量與時(shí)間的比值能夠準(zhǔn)確地表達(dá)在單位時(shí)間內(nèi)電路中電荷量輸送的多少，并最終闡釋電流的物理意義。顯而易見(jiàn)，只有運(yùn)用比值定義法，才能夠抓住學(xué)生形成電流概念的心理動(dòng)因，從而較好地體現(xiàn)比值定義法的教學(xué)邏輯，促進(jìn)學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)的比較思想，從而達(dá)成核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。

3.3 以類(lèi)比方法幫助學(xué)生理解抽象的物理內(nèi)容

伴隨著物理學(xué)習(xí)過(guò)程的深化，高中物理概念的抽象性不斷提升。由于學(xué)生的個(gè)體認(rèn)知存在差異，物理認(rèn)知發(fā)展水平往往滯后于理解教材內(nèi)容掌握所對(duì)應(yīng)的認(rèn)知水平。因此，高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)就需要在教材原有認(rèn)知難度上進(jìn)行降階，使其更容易讓學(xué)生接受、理解和消化。為此，根據(jù)高端備課的要求，在對(duì)電流內(nèi)容進(jìn)行深入分析后，以水流類(lèi)比電流，以水量類(lèi)比電荷量，以水廠(chǎng)類(lèi)比電源，從而為學(xué)生構(gòu)建出形象生動(dòng)的生活化模型，并將此類(lèi)比貫穿教學(xué)的全過(guò)程，使高中電流教學(xué)能夠更接近學(xué)生的直接經(jīng)驗(yàn)，為學(xué)生提供形象思考的空間，從而有效化解高中電流教學(xué)的難點(diǎn)，這為高中電流教學(xué)的進(jìn)一步研究提供了較好的借鑒。