賀艷偉

(寧波科學(xué)中學(xué) 浙江 寧波 315300)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出： 核心素養(yǎng)是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力,物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面,其中物理觀念居于物理學(xué)科核心素養(yǎng)之首,是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華,是形成科學(xué)思維經(jīng)歷科學(xué)探究及養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的前提也是歸宿,可見，物理教學(xué)應(yīng)以物理觀念來統(tǒng)領(lǐng),物理概念的科學(xué)構(gòu)建是形成物理觀念的基礎(chǔ).

1 物理概念教學(xué)的去情境化過程

物理概念是從大量的物理事實(shí)中抽象、概括出來的物理現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系,是反映物理現(xiàn)象、物理過程本質(zhì)屬性的思維形式,是物理規(guī)律和理論的基礎(chǔ),是整個(gè)物理學(xué)科體系的基石.通過具有特定含義的簡明字詞組成的物理概念,不僅是物理基礎(chǔ)知識(shí)的重要組成部分, 而且是構(gòu)成物理規(guī)律和科學(xué)表述物理規(guī)律、 建立物理體系和完善物理理論的基礎(chǔ)和前提.物理概念的一個(gè)重要特點(diǎn)是抽象性,物理概念教學(xué)是物理教學(xué)的重點(diǎn)也是一直以來的難點(diǎn).

如圖1所示,完整的物理概念教學(xué)需經(jīng)歷情境化、去情境化、再情境化3個(gè)階段[1],其中“去情境化”階段重視從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的飛躍,使學(xué)生獲得一般化的抽象知識(shí)和思維方法,形成知識(shí)體系.在此過程中,學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷從直觀的具體認(rèn)知到抽象認(rèn)知,學(xué)生思維從形象思維發(fā)展到抽象思維,通過進(jìn)一步豐富認(rèn)知結(jié)構(gòu)形成系統(tǒng)的知識(shí)體系,是學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的質(zhì)的變化.

圖1 物理概念教學(xué)的3個(gè)階段

2 一個(gè)再情境化的物理問題

再情境化階段的物理問題綜合性強(qiáng),是對(duì)物理規(guī)律、物理概念抽象本質(zhì)融合后的具體化呈現(xiàn),需要通過將復(fù)雜問題分解為若干簡單問題的科學(xué)思維方法進(jìn)一步尋求解決問題的途徑.

【例題】如圖2所示,電源電動(dòng)勢(shì)E=12 V,內(nèi)阻r=3 Ω,圖2(a)中R0=1 Ω,圖2(b)中直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻R′0=1 Ω,當(dāng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R1時(shí)可使圖2(a)電路輸出功率最大,同樣,調(diào)節(jié)R2時(shí)可使圖2(b)電路輸出功率最大,且此時(shí)電動(dòng)機(jī)剛好正常工作(額定輸出功率為P0=2 W),則R1和R2的值為( )

圖2 例題題圖

A．2 Ω,2 Ω B．2 Ω,1.5 Ω

C．1.5Ω,1.5Ω D．1.5Ω,2Ω

初步分析題面：題目情境為綜合問題,直流電路的外接負(fù)載分別為純電阻和非純電阻兩種不同的情形,涉及到的物理概念主要是電源的輸出功率及最大輸出功率.

學(xué)生的困難：首先,通過直流電源向純電阻負(fù)載輸出電能的基本情境中學(xué)生得到了電源輸出功率的概念,但是在非純電阻電路中該如何應(yīng)用這一結(jié)論呢？其次,兩個(gè)電路之間究竟應(yīng)該如何建立聯(lián)系才能有效解決問題呢？顯然,對(duì)電源輸出功率和最大輸出功率這一物理概念沒有透徹思考研究,在遷移中解決綜合問題時(shí)便顯得無從下手.下面重新還原概念的得出過程,重點(diǎn)是去情境化的環(huán)節(jié)中對(duì)概念的抽象思考、重建的過程.

3 還原物理概念的情境化得出過程

圖3 “閉合電路”概念的情境化得出過程

4 關(guān)于最大輸出功率的去情境化思考

4.1 純電阻電路中電源最大輸出功率條件的尋找方法

方法1：不等式法

方法2：判別式法

將上式視為關(guān)于R的一元二次方程,方程必有解,判別式滿足

解得

4.2 對(duì)結(jié)論的再思考

思考2：在幾何畫板中做出電源輸出功率隨外電阻變化的關(guān)系圖線如圖4所示.

圖4 電源輸出功率隨外電阻變化的關(guān)系圖像

觀察圖線規(guī)律并結(jié)合情境電路圖思考，作如下討論：若電路中外電阻R1>R2>r,則PR2>PR1；若電路中外電阻R1PR1；若R1

思考3：再觀察上面的圖線,同一輸出功率值P可以有兩個(gè)外電阻值與之相對(duì)應(yīng),設(shè)為R1,R2,兩電阻分別滿足

聯(lián)立解得

4.3 非純電阻電路中電源最大輸出功率條件的尋找方法

若外電路為非純電阻元件,由于上述推理過程中用到了歐姆定律,在此便不再適用,又該如何探討最大輸出功率的條件呢？

方法1：設(shè)電路中電流為I,則路端電壓滿足U=E-Ir,于是電源輸出功率為

P=I(E-Ir)

利用采樣點(diǎn)集SAB、SBC、SDE、SEF,對(duì)公式(4)應(yīng)用最小二乘法,可獲得k、bAB、bBC、bDE、bEF的估計(jì)值,得到以上4條直線在世界坐標(biāo)系中的直線方程。

4.4 對(duì)結(jié)論的進(jìn)一步變式思考

物理教學(xué)過程中, 教師利用不同形式的素材或?qū)嵗齽?chuàng)設(shè)情境, 在保持事物本質(zhì)特點(diǎn)不變的情形下,多角度、多層次地變化問題的非本質(zhì)條件,突出事物的本質(zhì)屬性,這樣可以讓學(xué)生更加全面而深度地理解物理問題,這就是所謂的“變式教學(xué)”[2].物理變式教學(xué)有助于學(xué)生澄清前概念并將之與新問題角度相結(jié)合形成科學(xué)概念、科學(xué)思維.

思考角度1：等效電源角度

圖5 等效電源思考角度圖

思考角度2：等效電阻

如圖6所示,理想變壓器的原副線圈匝數(shù)分別為n1，n2,原線圈接有電阻r′,副線圈n2作為輸出端接有可變電阻R,原線圈n1作為輸入端輸入交流電壓u，已知交流電源的電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻為r.此電路中可將虛線框內(nèi)部電路作為等效輸出端,等效電阻阻值為(詳見趙凱華老師的《電磁學(xué)》).

圖6 等效電阻思考角度圖

圖6中外電路總電阻為r′+R′,調(diào)節(jié)可變電阻R，當(dāng)滿足條件r′+R′=r時(shí)交變電源的輸出功率達(dá)到最大為

4.5 去情境化過程后對(duì)開篇中再情境化問題的處理

5 結(jié)束語

“去情境化”的目的是使學(xué)生對(duì)于科學(xué)事實(shí)的認(rèn)識(shí)從經(jīng)驗(yàn)層面上升到理論層面,幫助學(xué)生脫離情境、超越情境,形成概括性知識(shí),是科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法、科學(xué)思維進(jìn)一步發(fā)展的重要過程,是有效教學(xué)的關(guān)鍵所在.