李光宇

摘要：針對“電壓”概念的建構(gòu)，中國大陸現(xiàn)行六套初中物理教材中，有五套采用了與水壓類比的方法；英國利茲大學(xué)科學(xué)與數(shù)學(xué)教育研究中心所編寫的《教學(xué)科學(xué)的理解——電路》（Teaching Science for Understanding：Electric Circuits）一書，也采用了類比的方法.本文將這些不同版本的教材縱橫對比，并進(jìn)行整合與創(chuàng)新，以求教學(xué)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化.

關(guān)鍵詞：電壓；類比；概念；土暖氣

1類比與物理概念

發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動三大定律的德國天文學(xué)家開普勒說：“我珍視類比勝于任何東西，它是我最可信賴的老師，它能揭示自然界的秘密.”康德也曾說：“每當(dāng)理智缺乏可靠論證的思路時(shí)，類比這個(gè)方法往往能指引我們前進(jìn).”在物理研究中，將熟悉的物理對象與待研究的物理對象相比較，找出他們已知的共同點(diǎn)、相似點(diǎn)或相聯(lián)系的地方，據(jù)此推測出待研究對象也可能具有熟知對象的另一些特征，這一邏輯推理方法就叫物理類比法.它實(shí)質(zhì)上是一種從特殊到特殊或從一般到一般的推理，它是根據(jù)兩個(gè)（或兩類）對象在某些方面的相同或相似從而推知他們在其他方面也可能相同或相似的一種邏輯思維.運(yùn)用物理類比思維可以將陌生的對象與熟悉的對象進(jìn)行對比，將未知與已知對比，特別是在還不足以進(jìn)行歸納推理和演繹思維的情況下，類比更是得天獨(dú)厚，它可以啟迪思維、提供線索，使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識物理世界.

概念是科學(xué)大廈的基石，學(xué)習(xí)科學(xué)、探索科學(xué)都是從最基礎(chǔ)的概念建構(gòu)開始.物理概念是物理現(xiàn)象、物理規(guī)律的本質(zhì)屬性的反映，是物理學(xué)習(xí)與思維的基本單位.一直以來，學(xué)生對物理概念的建構(gòu)情況不容樂觀.首先是因?yàn)槲锢砀拍畋旧硭哂械某橄笮运?，其次，由于初中學(xué)生是以豐富多樣的形象思維為主，基本處于具體運(yùn)算階段和前運(yùn)算階段，缺乏抽象的邏輯思維能力，學(xué)生還沒有形成良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，不能有效地將概念系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，從而導(dǎo)致解決實(shí)際問題時(shí)遇到障礙.

采用類比的方法理解物理概念有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，符合初中學(xué)生的身心發(fā)展特點(diǎn)和認(rèn)知規(guī)律.初中物理電學(xué)部分的電壓是最重要的基本概念之一，是學(xué)生普遍感覺抽象、難懂的概念.中國大陸現(xiàn)行各版本教材多數(shù)是通過類比的方法理解電壓的，英國利茲大學(xué)科學(xué)與數(shù)學(xué)教育研究中心所編寫的《教學(xué)科學(xué)的理解——電路》（Teaching Science for Understanding：Electric Circuits）[1]一書，也采用了類比的方法，其對電壓概念的建構(gòu)或許能對我們有所啟迪.本文擬將各版本教科書進(jìn)行對比，以求探尋到最優(yōu)化處理方案與途徑.

2大陸教科書針對“電壓”的類比思路之對比

不同版本的新課標(biāo)教材反映出其主張的教學(xué)理念和提倡的教學(xué)方式，凝聚著編者的良苦用心與理論依據(jù)，體現(xiàn)了課程組織者不同的價(jià)值取向.但是，通過對比不同版本的教材，又可以品味出各自獨(dú)特的、別具一格的理念與觀點(diǎn).

21內(nèi)容框架對比

采用形象的方式，在學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”開展教學(xué)是提高學(xué)習(xí)效率的有效途徑.在引入電壓概念時(shí)，類比是絕大多數(shù)教材所采用的方式，中國大陸現(xiàn)行六套教材中，除人教版之外，其余版本均不約而同地采用了類比的方法，不妨將這五種版本的類比思路作一比較.

211文字形式

滬科版：我們知道，水在水管中流動時(shí)，水管兩端必須要有一定的壓力差，簡稱“水壓”；同樣，電荷在電路中定向運(yùn)動時(shí)，電路兩端也需要電壓.接通電路，電路中的電源使電路兩端保持一定的電壓，電路中的電荷就會持續(xù)地做定向運(yùn)動，電路中就有持續(xù)的電流.

滬粵版：我們知道，當(dāng)水管兩端存在壓力差時(shí)，水管中的水就會流動，形成水流.同樣，要在一段電路中形成電流，這段電路的兩端必須要有一定的電壓.

212圖片形式.如圖1所示

22教材的異同點(diǎn)分析

各版本分別使用文字或圖片的形式將電壓與水壓進(jìn)行類比.整體思路基本相同，但仔細(xì)品味其細(xì)微之處，仍感頗為耐人尋味.

221文字與圖片對比

圖片除了能表達(dá)出文字所能表達(dá)的意義之外，其感染力和沖擊力都是文字所不能比擬的.作為一個(gè)初中學(xué)生普遍感覺較難理解與接受的物理概念，用圖片展示的效果要優(yōu)于文字描述.

222圖片之間對比

我們先來看北師大版教材的圖片（圖1A），以甲、乙、丙三幅圖來說明水壓對水流形成的作用，類似于一組連環(huán)畫將研究過程展示較為充分；但同時(shí)美中不足之處是：（1）水路中沒有用來工作的水輪機(jī)，與電路中的用電器對應(yīng)不起來，水路中的工作物質(zhì)——水是在無用功；（2）甲、乙兩圖均有閥門，過渡到丙圖卻沒有了閥門，這就導(dǎo)致水路與電路中的開關(guān)無法對應(yīng)起來；（3）甲、乙兩圖中閥門的畫法也有待商榷：兩圖中的閥門都應(yīng)該是打開著的，畫法與學(xué)生的日常生活經(jīng)驗(yàn)不符.

再來比較教科版（圖1B）和蘇科版（圖1C）的兩組圖片，似無較明顯差異，但仔細(xì)比較與品味會發(fā)現(xiàn)，蘇科版圖片中，水輪機(jī)右側(cè)水管略低于左側(cè)，為水的逆時(shí)針流動創(chuàng)造了有利的條件.這不可不謂為教材編者的匠心獨(dú)運(yùn)之處.

23改進(jìn)方案的再改進(jìn)

首師大邢紅軍教授等人在文獻(xiàn)中對水壓與電壓的類比提出了質(zhì)疑.主要觀點(diǎn)為：用水壓來進(jìn)行電壓教學(xué)的比喻是牽強(qiáng)附會的，這種為了比喻而人為設(shè)置的例子日常生活中根本不存在[2].一邊耗費(fèi)電能來抽水，另一邊靠抽上來的水推動水輪機(jī)，這從根本上違反了邏輯性.小學(xué)數(shù)學(xué)中出現(xiàn)的“一個(gè)水池有兩個(gè)龍頭，一個(gè)向水池中加水，一個(gè)向外放水，速度不同，問什么時(shí)候可以將水池加滿水？”之類的題目已經(jīng)廣受詬病了，教材中的類比其實(shí)又是在潛移默化中引導(dǎo)學(xué)生做這些無用而又不切實(shí)際的設(shè)計(jì).其次，圖中一側(cè)管中的水是靠水壓而流動的，而另一側(cè)的水則是靠抽水機(jī)抽回而流動的.兩者流動的原因缺乏一致性.因此，用水壓比喻來講授電壓顯然是不妥的.同時(shí)，作者還給出了如圖2所示的“土暖氣”改進(jìn)方案：裝置的核心是一個(gè)帶有可加熱水箱的爐子（相當(dāng)于電源）.水箱上部側(cè)面和下部側(cè)面分別連接水管（相當(dāng)于電路），A為暖氣片（相當(dāng)于用電器）.B為閥門（相當(dāng)于開關(guān)）.當(dāng)爐子開始加熱水箱中的熱水時(shí)，由于熱水的密度小而冷水的密度大，因此，熱水就開始從水箱上部側(cè)面的連接水管流出，經(jīng)過暖氣片時(shí)放出熱量，溫度降低后的水經(jīng)閥門再從水箱下部側(cè)面的連接水管流入水箱，經(jīng)爐子加熱后再完成下一個(gè)循環(huán).在整個(gè)過程中，由于散熱，水管中各處水的溫度都是不相等的，而正是由于存在溫度差，所以，才會有水的流動.

優(yōu)點(diǎn)：這樣的情境是真實(shí)、自然的，能使電路與水路很好對應(yīng)起來——管道各處均散熱對應(yīng)于導(dǎo)線各處均有電阻而有電能消耗，進(jìn)一步導(dǎo)致管道各處溫度均不相同對應(yīng)于電路中各處電勢高低各不相同.

仔細(xì)思考發(fā)現(xiàn)仍有不盡如意之處：首先，圖2用溫度差（溫壓）與電壓類比，有其優(yōu)勢.但溫度是一個(gè)狀態(tài)量，不符合初中學(xué)生的身心發(fā)展特點(diǎn)及認(rèn)知規(guī)律.其次，圖2中的水流方向與設(shè)想的流動方向是不一致的，應(yīng)該說，這只是一個(gè)假想的“一廂情愿”的情境.根據(jù)連通器原理，打開閥門前，熱水箱中的水沿著下部管道流動到閥門位置并積存在此處不動；水箱中的水并沒有裝滿，水的上方有空氣，打開閥門時(shí)水并不能正常地流動，是一個(gè)失敗的設(shè)計(jì).真實(shí)的“土暖氣”設(shè)計(jì)方案有多種，現(xiàn)實(shí)生活中，與圖2類似的土暖氣安裝圖如圖3所示，比圖2多了一個(gè)豎起來的水箱，它在水的流動過程中起著非常重要的作用，將水箱的作用直接或間接地展示出來才是真實(shí)的“土暖氣”示意圖.其真實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作過程又是怎樣的呢？2008年全國初中應(yīng)用物理知識競賽復(fù)賽的第三大題所提供的圖形應(yīng)該較有實(shí)用價(jià)值.不妨把題目列舉如下，以供深入研究與剖析.

題目：家庭水暖又叫“土暖氣”，是我國北方廣大農(nóng)村及一些城市使用的一種取暖設(shè)備， 圖4是一種家庭水暖的安裝示意圖，其中下水管的D端比A端略高，其坡度為1∶100.請看圖思考并回答以下問題：（1）這種水暖設(shè)備并沒有應(yīng)用水泵，但是當(dāng)點(diǎn)燃鍋爐后，水便可以在管中按箭頭所示方向自行流動.請具體分析管中的水流動的原因是什么.（2）為什么要安裝放氣閥？（3）使用該套設(shè)備時(shí)，對水箱中的水位高低有什么要求？

解答：（1）在管中A點(diǎn)附近取一截面，截面右側(cè)水管ABC段中的水溫高，密度ρA右較??；水經(jīng)暖氣片放熱后，溫度降低，所以水管CDA段中的水溫較低，密度ρA左較大，根據(jù)液體壓強(qiáng)公式p=ρgh，A截面左側(cè)CDA段中水的壓強(qiáng)大于右側(cè)ABC段水的壓強(qiáng)，因此水管中的水會按逆時(shí)針方向流動.同時(shí)安裝水管時(shí)又有一定的坡度，即D端高、A端低，為水的逆時(shí)針流動創(chuàng)造了有利的條件.（2）當(dāng)水管中有空氣時(shí)，氣泡會沿管道向上移動，并匯集在最高處，包括管道中向上凸起的部分、暖氣片的頂部等處.如果匯集的氣體過多，會形成氣柱，分?jǐn)嗔怂苤械乃?，阻礙水的流動，從而影響用熱水供暖的效果.（3）水箱中的水位一定要高于整個(gè)循環(huán)水路的最高點(diǎn)，才能在整個(gè)循環(huán)水路中灌滿水.否則循環(huán)水路中就會有空氣，水就不能正常流動，從而影響用熱水供暖的效果.

改進(jìn)方案：為了教學(xué)的需要，完全可以將真實(shí)的物體、情境簡化，擇其要而剖析.但是，一個(gè)本質(zhì)的觀念不能丟，即簡約但不能簡單，簡化但不可失真.如何充分利用好這一優(yōu)秀資源，刪除其復(fù)雜性而又不失去其真實(shí)性，學(xué)科組經(jīng)過深入研討，最后提出了改進(jìn)方案（如圖5所示）：從閥門到水箱的管道略向下傾，更利于流體的流動；且設(shè)計(jì)了一個(gè)彎管，水箱中的水位與彎管的頂部大致持平，這樣可以保證水不致于倒流進(jìn)入管道；加熱時(shí)產(chǎn)生的水蒸氣從置于頂部的管道進(jìn)入暖氣片A，流經(jīng)閥門B再回到水箱中.此處用氣壓與電壓進(jìn)行類比，更接近于學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.改進(jìn)后的裝置既保留了實(shí)物的真實(shí)性，又進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，是學(xué)生可以理解與接受的.

3英國教科書的處理方案

英國利茲大學(xué)科學(xué)與數(shù)學(xué)教育研究中心所編寫的《教學(xué)科學(xué)的理解——電路》一書，也采用了類比的方法，其基本思路如下：將電池類比為面包店，將用電器（燈泡）類比為超市，將電荷類比為運(yùn)載面包的貨車.詳細(xì)類比如圖6、圖7所示.

圖6的頂部為面包店，底部為超市.面包店老板把面包裝上貨車運(yùn)走；每輛貨車均將面包運(yùn)到超市；貨車在超市把面包卸下，在那里顧客把面包買走；空貨車返回到面包店再裝上面包.

圖7的頂部為電池，底部為燈泡.在電池中電荷收集能量；在線路中，電荷攜帶著能量運(yùn)行；燈泡將電荷所攜帶的能量轉(zhuǎn)化為光和熱；電荷返回到電池中去收集更多的能量.

在這一類比方式中，將學(xué)生比較直觀的面包店、超市分別與電源、用電器類比，形象且易于理解，同時(shí)將能量的概念有機(jī)地滲透了進(jìn)去，應(yīng)該是一個(gè)比較優(yōu)秀的方案.

概念是在人們感覺、知覺和表象有效積累的基礎(chǔ)上，通過分析綜合、抽象概括等思維活動形成的，從這個(gè)角度來看，概念是抽象的；但是概念又不是憑空產(chǎn)生的，離開了感覺、知覺和表象的有效積累，人們就無法科學(xué)、有效地建構(gòu)概念，從這個(gè)角度來看，概念是感性的.如果能將我國各教材普遍采用的“水泵、水輪機(jī)”方案與“面包店、超市”方案有機(jī)地整合起來，就可以兼顧各層次的學(xué)生、兼顧知識的抽象與感性，并可將能量的知識潛移默化地滲透進(jìn)去.

4整合與創(chuàng)新

類比是一種推理的方法，根據(jù)兩種事物在某些特征上的相似，做出他們在其他特征上也可能相似的結(jié)論.因而類比推理是一種或然性的推理，其結(jié)論是否正確還有待實(shí)踐證明.那么，將盡可能多的相似的情景提供給學(xué)生，才可以提高他們的分析辨別能力.類比需要多次比較，而不是一蹴而就的.

41感性入手

出示：固定在示教板上的簡單電路，閉合開關(guān)，燈泡亮了.

設(shè)問：燈泡亮，說明了什么？（有電流通過燈絲）

演示：燈泡正在發(fā)光時(shí)，取下電池，燈泡滅了.

設(shè)疑：電源在電路中有什么作用？電流是怎樣形成的？今天，我們就來解決與此相關(guān)的問題.

分別呈現(xiàn)改造后的“土暖氣”（圖5）、“面包店、超市”（圖6），請學(xué)生分析氣流、車流的形成.展示電路圖，分析電流的形成，形成初步的感性認(rèn)識.

42理性辨析

以游戲“找朋友”展開：請同學(xué)們將以下器件歸類找到各自的朋友，引導(dǎo)學(xué)生將爐子、面包店、電池對應(yīng)起來，暖氣片、超市、燈泡對應(yīng)起來…….讓學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)理性分析并辨析比較的過程.

43系統(tǒng)建構(gòu)

氣壓形成氣流、面包店與超市之間的“供需關(guān)系”促進(jìn)了車流的形成；電壓形成電流.即：電壓是形成電流的一個(gè)原因.電源是提供電壓的器件.

思考：電流的形成還需要什么原因？

辨析：電路中有電壓就一定有電流嗎？電路中有電流就一定有電壓嗎？

師：現(xiàn)在，你能解釋拔下電池，燈泡就不亮了的原因嗎？

以上程序是一個(gè)分層遞進(jìn)的有機(jī)整體，其中感性入手是基礎(chǔ)，理性辨析是保障，系統(tǒng)建構(gòu)是關(guān)鍵，三者互為支撐，環(huán)環(huán)相扣，不可偏廢.將兩種類比糅合在在一起進(jìn)行教學(xué)，相信是一種比較優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案.不當(dāng)之處，敬請諸位同仁批評指正.

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