唐燁鋒

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津 300202)

1 教學(xué)背景

物理概念是反映物理現(xiàn)象和過程本質(zhì)屬性的思維形式，是物理學(xué)的基礎(chǔ).物理概念教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)的基礎(chǔ)，而物理概念的抽象性使得不少物理概念成為難以攻克的教學(xué)難點.電動勢被公認為最抽象、最難理解的物理概念之一，許多物理教育專家和一線教師從不同的角度提出了教學(xué)改進的措施，為電動勢概念的教學(xué)提供了許多參考意見.

人教2002版高中物理《必修加選修》第二冊，教材開門見山提出“介紹一個表征電源特性的物理量——電動勢，電源電動勢等于沒有接入電路時兩極間的電壓”.現(xiàn)行教科版也跟它基本相似處理.這樣編排的好處是簡潔、明了，便于學(xué)生通過電壓認識電動勢.缺點是電動勢概念的介紹過于簡單，電動勢定義的科學(xué)性值得商榷，沒有從本質(zhì)上區(qū)分電動勢與電壓，使兩個概念更容易混淆.

為此筆者以人教2003版《物理·選修3-1》第二章第2節(jié)“電動勢”為藍本，整合各種教材，進行優(yōu)化設(shè)計.把類比法應(yīng)用貫穿始末，把抽象的概念類比成形象的物理量，同時利用自制探針可移式蓄電池，結(jié)合DIS技術(shù)展示電動勢，進行教學(xué)資源整合優(yōu)化，取得了良好的教學(xué)效果.

2 引入類比法助力物理概念教學(xué)

類比法是物理教學(xué)中常用的方法.通過類比，可以啟發(fā)學(xué)生的思維，變抽象為形象，加深對物理知識的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生觀察和分析事物的能力.在電動勢一節(jié)中，筆者把類比法應(yīng)用貫穿始末，把抽象的概念類比成形象的物理量，幫助學(xué)生理解電動勢的概念.教材用抽水機類比，筆者改用小豬電動滑梯玩具(圖1)，后者在課堂的可操作性更強，類比更形象.整個玩具跟整個電路類比，滑梯部分與外電路類比，電動軌道部分與電源內(nèi)部類比，非重力做功與非靜電力做功類比，提升的高度與電動勢類比，下降的高度與電壓類比.

圖1 用以類比電動勢的小豬電動滑梯玩具

2.1 電動勢概念生成時的類比

筆者用小豬電動滑梯玩具類比.展示大號和小號兩種型號的玩具，同時展示1.5 V的干電池和2 V的蓄電池.電動滑梯玩具的電動軌道類似于我們乘坐自動扶梯上樓，可以把小豬從玩具的底部送到頂部.大號玩具電動軌道的高度比小號的高，提升相同數(shù)量的小豬非重力做功多，非重力做功本領(lǐng)就大.同樣地，蓄電池的電勢差比干電池的大，搬運相同數(shù)量的正電荷非靜電力做功多，非靜電力做功本領(lǐng)就大.通過類比，得到非靜電力做功本領(lǐng)大小跟搬運單位正電荷非靜電力做功多少有關(guān)，自然地引出電動勢概念.

2.2 電動勢與電壓概念比較時的類比

雖然電動勢與電壓的定義和物理意義有著本質(zhì)的區(qū)別，但學(xué)生還是很容易把兩個概念混淆.為了更直觀地加以區(qū)別，筆者還是采用類比法.對電動滑梯玩具，沿小豬運動方向，小豬在電動軌道部分高度提升，在滑梯部分高度降低.同樣地，通過實驗展示(詳見下文)，沿電流方向，電源內(nèi)部電勢提升，提升的電勢就是電動勢，在電源外部電勢降低，降低的電勢就是電壓.電動勢相當(dāng)于電動軌道部分提升的高度，電壓相當(dāng)于滑梯部分下降的高度，這樣把電動勢和電壓兩個概念分辨得一清二楚.

3 創(chuàng)新實驗助力物理概念理解

通過類比引入電動勢概念后，學(xué)生對電動勢雖有了一定的認識，但還不是很清晰、透徹的.物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，物理實驗以其直觀性、形象性為學(xué)生提供了豐富的感性信息.筆者通過設(shè)計實驗來形象地呈現(xiàn)電動勢，給學(xué)生直觀的實驗體驗，幫助學(xué)生加深對電動勢概念的理解、掌握.

3.1 自制教具實驗展示電動勢

學(xué)生對電壓的最初認識和理解來源于電壓表的測量，如果也用實驗的方法把電動勢展示出來，對學(xué)生認識、理解電動勢將起到積極的促進作用.從電動勢的單位V，可以推知它是與電勢有關(guān)的物理量，引導(dǎo)學(xué)生探究電源內(nèi)部電勢變化情況.為此筆者設(shè)計了探針可移式蓄電池，實驗裝置如圖2所示.與普通的蓄電池相比，多了一根可移動的探針，容器上面開口處設(shè)計了一道槽，探針可以沿槽在正、負極間來回移動.

圖2 探針可移式蓄電池實驗裝置圖

給蓄電池充足電，不接外電路，直接用電壓傳感器的負極與蓄電池的負極相連，傳感器的正極與探針相連，同時啟動數(shù)據(jù)采集器采集電壓信號，選用“示波”方式，在電腦窗口中呈現(xiàn)u-t圖像.讓探針在電解液中從蓄電池的負極移動到正極，這時計算機呈現(xiàn)的就是電源內(nèi)部的電勢變化情況，如圖3所示.

圖3 蓄電池內(nèi)部電勢變化圖

在電源負極附近電勢躍升了約0.6 V，在電源正極附近電勢躍升了約1.5 V，電勢總共躍升了約2.1 V，這個2.1 V就是電源電動勢.這樣利用探針可移式蓄電池結(jié)合DIS技術(shù)，直觀地展示了電源電動勢，把抽象的概念用實驗的方法直觀地展示了出來.

實驗不僅可以展示電源電動勢(即電源內(nèi)部躍升的電勢)，還可以得到電動勢在數(shù)值上等于電源沒有接入電路時兩極間的電壓.這兩點教材在“閉合電路的歐姆定律”一節(jié)中通過插圖和理論推導(dǎo)進行說明，筆者在“電動勢”一節(jié)中通過實驗加以呈現(xiàn)，讓學(xué)生更加信服.同時，這兩個結(jié)論對學(xué)生認識、理解電動勢起到事半功倍的效果，把電動勢抽象的概念用實驗的方法直觀地展示了出來，直觀的實驗圖像給人一目了然的感覺，起到了畫龍點睛的效果.這樣處理還可以平衡兩節(jié)課的內(nèi)容，在“電動勢”一節(jié)加強對電動勢概念的拓展，在“閉合電路的歐姆定律”一節(jié)可以減輕教學(xué)任務(wù).而且拓展的電動勢概念可以更好地促進后續(xù)“閉合電路的歐姆定律”的學(xué)習(xí)，降低教學(xué)難度，有效地提高教學(xué)效果，可以說起到一箭雙雕的作用.我們還可以用探針可移式蓄電池演示閉合電路的歐姆定律實驗，也取得了十分好的效果[1].

電動勢數(shù)值上等于電源沒有接入電路時兩極間的電壓，這一點也是人教2002版和現(xiàn)行教科版直接引入的電動勢概念，筆者通過實驗方式呈現(xiàn)讓學(xué)生更加信服，這也為用電壓表測量電源電動勢提供了依據(jù).滬教版教材通過實驗測量通路時的內(nèi)、外電壓，得到內(nèi)、外電壓之和是一個定值，間接測定電動勢.相比而言，筆者用可移式探針實驗直接展示了電動勢，過程更加簡潔，實驗現(xiàn)象更為直觀.同時，在“電動勢”這節(jié)教學(xué)中只討論開路時電動勢與電壓的關(guān)系，在“閉合電路歐姆定律”教學(xué)中討論通路時電動勢與內(nèi)外電壓之間的關(guān)系，這樣更加符合循序漸進、由淺入深的教學(xué)原則，也更加適合學(xué)生的認知水平.這樣，可以避免由電動勢和閉合電路歐姆定律“一鍋端”而造成學(xué)習(xí)困惑的弊端.

3.2 實驗測量電動勢 探究電動勢決定因素

電動勢數(shù)值上等于開路時兩極間的電壓，利用這個結(jié)論，測量水果電池的電動勢.安排學(xué)生分組實驗，用數(shù)字多用表電壓擋去測量水果電池的電動勢.水果有番茄、蘋果和土豆；極板為銅片、鋅片和鋁片.

通過實驗得到電動勢的大小與電解質(zhì)和極板材料有關(guān)，電動勢是電池的重要參量.通過分組實驗可以培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力和科學(xué)探究能力，同時也可以促進學(xué)生對電動勢概念的理解.

3.3 實驗感知電源內(nèi)阻

教師創(chuàng)設(shè)情境：用一節(jié)干電池(電動勢為1.5 V)把小燈泡點亮；把兩個番茄電池串聯(lián)起來，電動勢約為1.9 V，接上小燈泡，燈泡卻不亮.

引導(dǎo)學(xué)生分析原因：初中學(xué)習(xí)的電源都是理想電源，忽略內(nèi)阻，但實際電源都是有內(nèi)阻的.水果電池有內(nèi)阻，而且內(nèi)阻比較大，所以水果電池實用價值不高.這樣，通過實驗很好地使學(xué)生感知了電源內(nèi)阻的存在.

4 結(jié)束語

本教學(xué)設(shè)計最大特色就是引入創(chuàng)新實驗，用探針可移式蓄電池結(jié)合DIS技術(shù)來演示電源內(nèi)部電勢變化情況.通過實驗直觀地展示電源電動勢，同時得出電源電動勢數(shù)值上等于開路時電源兩極間的電壓，這兩個結(jié)論對學(xué)生認識、理解電動勢起到事半功倍的效果，實驗起到了畫龍點睛的效果.同時，本教學(xué)設(shè)計把類比法應(yīng)用貫穿始末，化抽象為形象，使學(xué)生對電動勢的概念理解更加深刻、透徹.

運用類比法和創(chuàng)新實驗，使抽象化與形象化相結(jié)合，有利于學(xué)生由淺入深地認識客觀世界.在教學(xué)中教師應(yīng)當(dāng)循序漸進地引導(dǎo)學(xué)生進行思維探究，充分地發(fā)展學(xué)生的抽象思維能力，真正落實學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).