SORT理論下原始物理問題的教學(xué)研究與啟示

王昌恒 朱巧萍

摘 ? 要：原始物理問題作為一類源于生活的實(shí)際問題，有其趣味性和實(shí)用性。同時(shí)，原始物理問題因其原始性、知識原理的隱蔽性等特點(diǎn)，使得學(xué)生在解決這類物理問題時(shí)往往存在困難。以SORT理論為基礎(chǔ)，分析七個(gè)表征層次下家庭漏電保護(hù)器問題的解決思維，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：原始物理問題；SORT理論；自組織表征理論；漏電保護(hù)器

原始物理問題是一類在社會(huì)生活實(shí)踐中遇到的未被加工的物理問題，它與練習(xí)冊、試卷中的習(xí)題最大的區(qū)別在于是否經(jīng)過人為的加工，學(xué)生往往有較強(qiáng)的根據(jù)已知條件解決物理習(xí)題的能力，但當(dāng)遇到未被加工的、具象的原始物理問題時(shí)卻無從下手[ 1 ]。當(dāng)下礙于繁重的考試負(fù)擔(dān)和升學(xué)壓力，學(xué)生所解決的物理問題都是由出題者“精心設(shè)計(jì)”的物理習(xí)題，其中包括已經(jīng)建構(gòu)好的物理模型和恰到好處的數(shù)值大小等等。一來在這種“題海戰(zhàn)術(shù)”中學(xué)生會(huì)感到疲憊，難以培養(yǎng)學(xué)習(xí)物理的興趣；二來這種問題解決模式讓學(xué)生直接跳過了抽象、簡化、建模、賦值等過程，與實(shí)際情況有較大的差距，不利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，與課標(biāo)要求的教學(xué)目標(biāo)存在裂隙[ 2 ]。

1 ?SORT理論與漏電保護(hù)器

1.1 ?SORT理論——自組織表征理論

邢紅軍教授在協(xié)同學(xué)理論的基礎(chǔ)上，提出了解決物理問題時(shí)的自組織表征理論（Self-Organization Representative Theory），簡稱SORT理論。SORT理論認(rèn)為，學(xué)生在分析原始物理問題時(shí)存在七個(gè)表征層次，且七個(gè)層次不一定會(huì)依次出現(xiàn)，原始物理問題的解決是一個(gè)連續(xù)且又突變、獨(dú)立且又關(guān)聯(lián)、控制且又自發(fā)、協(xié)同且又競爭、必然且又偶然的過程[ 3 ]。解決物理問題的過程中七個(gè)表征層次各自發(fā)揮其重要作用的同時(shí)，彼此之間又有著密切聯(lián)系，共同構(gòu)成一個(gè)整體的解決物理問題的思維模式。通過自組織表征理論下各表征層次間的循環(huán)往復(fù)和共同作用，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展，強(qiáng)化對知識的理解與遷移。七個(gè)表征層次及其內(nèi)涵如圖1所示[ 4 ]。

1.2 ?原始物理問題——漏電保護(hù)器

隨著社會(huì)發(fā)展和人民生活條件的提高，家庭用電需求在人們?nèi)粘１姸嘈枨笾姓加性絹碓街匾牡匚唬踩秒妴栴}也在逐漸為人們所重視。家庭電路的總干路上往往接有一個(gè)漏電保護(hù)裝置，用電過程中發(fā)生漏電事故時(shí)，它就會(huì)自動(dòng)跳閘斷開電路，保障用電安全。該設(shè)備還設(shè)有試驗(yàn)裝置，當(dāng)家庭用電器正常工作且未發(fā)生漏電事故時(shí)，按下試驗(yàn)按鈕，電路就會(huì)自動(dòng)斷開，以此來檢查漏電保護(hù)器是否能正常工作。如圖2所示為一個(gè)漏電保護(hù)器，這樣的保護(hù)裝置內(nèi)部有什么工作原理？又運(yùn)用了哪些電學(xué)和電磁學(xué)知識？

2 ?SORT理論在“漏電保護(hù)器”問題中的應(yīng)用

2.1 ?定向表征

打開漏電保護(hù)器的外殼，觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3。根據(jù)漏電保護(hù)器的工作特點(diǎn)，可初步判斷該問題是一個(gè)有關(guān)電磁學(xué)的物理問題，學(xué)生進(jìn)而可以在大腦中跳躍性地提取電學(xué)、電磁學(xué)的相關(guān)知識，對該問題形成初步認(rèn)識。根據(jù)電磁鐵上方的金屬脫扣向下扳動(dòng)即可斷開電路可判斷用到電磁鐵通電后具有磁性的知識，根據(jù)感應(yīng)線圈上纏繞的零線和火線可判斷用到了電磁感應(yīng)知識。家庭用電和線圈中的感應(yīng)電流都并非直流電，而電磁鐵通入直流電才會(huì)帶有磁性，說明電路板中還有整流裝置，用到了電學(xué)方面知識。

2.2 ?抽象表征

整個(gè)漏電保護(hù)裝置中，有電磁鐵、感應(yīng)線圈、電路板、開關(guān)等各種電學(xué)器件，電路板中又有電阻、二極管、電容等器件。將內(nèi)部結(jié)構(gòu)中涉及到的實(shí)物模型轉(zhuǎn)變?yōu)槔硐牖奈锢砟Ｐ?，忽略微小量，方便分析和討論；將家庭用電視為理想的交流電，感?yīng)線圈中的磁通量一旦發(fā)生變化，線圈兩端就會(huì)激發(fā)感應(yīng)電流；電路板中的二極管為理想二極管，即正向電阻為零，反向電阻為無窮大；經(jīng)過整流的交流電會(huì)變?yōu)橹绷麟?，直流電流?jīng)電磁鐵會(huì)使其產(chǎn)生磁性，吸附上方的金屬脫扣，將電路斷開。

2.3 ?圖像表征

實(shí)物模型線路復(fù)雜，不能直觀地分析現(xiàn)象和問題。通過觀察漏電保護(hù)器的內(nèi)部線路，借助形象思維，用合適的圖像描繪出家庭漏電保護(hù)器的內(nèi)部器件模型簡圖。如圖4，火線和零線經(jīng)過開關(guān)后分別在感應(yīng)線圈上繞一圈，然后接入用電器，感應(yīng)線圈中的兩根導(dǎo)線經(jīng)過整流單元之后連接電磁鐵。試驗(yàn)電路一端接在繞經(jīng)線圈之后的火線上，一端接在繞經(jīng)感應(yīng)線圈之前的零線上。

整流單元主要由二極管整流橋、濾波電容等器件組成，借助觀察法并查閱相關(guān)資料，得如圖5所示的整流單元結(jié)構(gòu)簡圖。

2.4 ?賦值表征

為了方便解決問題和分析敘述，需要對漏電保護(hù)器中所涉及的物理量進(jìn)行必要的賦值，其中包括電流、磁場、磁通、匝數(shù)等。設(shè)任一時(shí)刻繞經(jīng)感應(yīng)線圈的火線和零線電流分別為I和I，二者在線圈中激發(fā)磁場分別為B和B。感應(yīng)線圈的橫截面積設(shè)為S，總匝數(shù)設(shè)為N，感應(yīng)線圈上導(dǎo)線兩端的總電阻設(shè)為R。當(dāng)通過線圈的磁通量φ發(fā)生變化時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢為E，感應(yīng)電流為I。

2.5 ?物理表征

2.5.1未發(fā)生漏電事故時(shí)

電路正常工作且未發(fā)生漏電事故時(shí)，流經(jīng)感應(yīng)線圈的電流，二者在線圈中激發(fā)的磁場相互抵消。此時(shí)感應(yīng)線圈中沒有激發(fā)感應(yīng)電動(dòng)勢，電磁鐵中無電流通過，金屬脫扣無響應(yīng)。

2.5.2發(fā)生漏電事故時(shí)

此時(shí)，流經(jīng)火線的電流沒有全部回流至零線，而是一部分流向了大地，所以有。因?yàn)榧彝ビ秒姴皇侵绷麟?，激發(fā)的磁場也不是恒定的磁場，所以在感應(yīng)線圈兩端激發(fā)交變的感應(yīng)電流。

2.5.3二極管整流橋的作用

利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢蛔兊母袘?yīng)電流進(jìn)行整流。兩種情況下的電流流向如圖6。

2.5.4濾波電容的作用

電容是具有儲(chǔ)電功能的電學(xué)器件，當(dāng)脈沖直流電大于某一固定值時(shí)，電容充電；反之電容將和脈沖直流電一起為電磁鐵供電。一般情況下，濾波電容的容量越大，其起到的濾波效應(yīng)就越好。在電容有序地充放電過程中，使電磁鐵兩端的電流大小趨于穩(wěn)定。穩(wěn)恒電流作用于電磁鐵，使電磁鐵吸引金屬脫扣，將電路斷開。

2.5.5試驗(yàn)電路的原理

按下試驗(yàn)按鈕時(shí)，相當(dāng)于人為模擬了一次漏電事故。繞過感應(yīng)線圈的火線流經(jīng)電阻之后直接流入繞線圈之前的零線內(nèi)，所以有，漏電保護(hù)器進(jìn)行上述響應(yīng)，最終將電路斷開。設(shè)計(jì)一個(gè)試驗(yàn)按鈕，是為了檢查漏電保護(hù)器是否能正常跳閘，保障用電安全。物理表征下涉及的物理知識和概念如表1。

2.6 ?數(shù)學(xué)表征

2.6.1未發(fā)生漏電事故時(shí)

此時(shí)，流經(jīng)感應(yīng)線圈的電流。在任意時(shí)刻，二者在感應(yīng)線圈中激發(fā)的磁場相互抵消。如圖7。

2.6.2發(fā)生漏電事故時(shí)

2.6.4濾波電容的作用

濾波電容能在保證電流方向不變的情況下，減小ab、cd、ef、gh階段中電流隨時(shí)間的變化率，使電流波形趨于平緩，起到所謂“濾波”的作用，如圖10。不同階段中電容的充放電情況及電流流向如表2。

在整流橋和濾波電容的作用下，使得流經(jīng)電磁鐵的電流為大小和方向較為穩(wěn)定的穩(wěn)恒直流電。電磁鐵通電后帶有磁性，金屬脫扣做出響應(yīng)，將電路斷開。從漏電事故發(fā)生到最終電路斷開，漏電保護(hù)器的內(nèi)部作用流程如圖11。

2.7 ?方法表征

從漏電保護(hù)器的實(shí)物模型轉(zhuǎn)換為理論模型，以及在整個(gè)理論分析的過程中，要用到觀察法、模型法、推理法、科學(xué)歸納法等思維方法。在多種科學(xué)方法的共同作用下，強(qiáng)化學(xué)生對知識的理解，提高科學(xué)探究能力。

3 ?結(jié)語

原始物理問題因其本身特性，分析和解決原始物理問題往往需要多種思維方法的共同作用。通過對物理問題的七個(gè)表征層次，提高學(xué)生模型建構(gòu)、邏輯推理的能力，對全面培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)有重要意義。物理知識在生活中的運(yùn)用場景并不是孤立的，一個(gè)原始物理問題往往要涉及到多個(gè)知識點(diǎn)。對物理問題的深度剖析，幫助學(xué)生厘清知識點(diǎn)之間的前后邏輯，明確知識點(diǎn)組合起來在生活中的應(yīng)用，從而建立牢固的知識體系。

學(xué)生提出新問題、分析問題、解決問題的過程，就是對知識的遷移、建構(gòu)、強(qiáng)化的過程；將所學(xué)知識應(yīng)用于生活實(shí)例的過程，就是領(lǐng)悟?qū)W科特性、體會(huì)思想方法的過程[ 5 ]。時(shí)代和科技的發(fā)展日新月異，人們?nèi)粘Ｉ钪杏玫降漠a(chǎn)品、設(shè)施都在不斷地更新迭代。教師也應(yīng)站在時(shí)代發(fā)展的前沿，鼓勵(lì)學(xué)生關(guān)心科技發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，充分了解所學(xué)的物理知識在社會(huì)生活和科技發(fā)展中的重要地位，體現(xiàn)物理緊密聯(lián)系生活的學(xué)科特性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

參考文獻(xiàn)：

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