夏 莉 錢長(zhǎng)炎 (安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽 蕪湖 241002)

自20世紀(jì)80年代科學(xué)建模教學(xué)理論誕生以來(lái)，科學(xué)模型及建模作為人們理解世界的重要途徑，受到了廣泛關(guān)注.科學(xué)建模教學(xué)理論提出者美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)教授Hestenes認(rèn)為物理研究的過(guò)程即是對(duì)自然世界建模的過(guò)程.明確將物理與建模關(guān)聯(lián)起來(lái)，體現(xiàn)模型教學(xué)對(duì)育人的重要價(jià)值.中學(xué)物理教學(xué)中，許多教學(xué)過(guò)程中需要構(gòu)建模型.在電流概念教學(xué)的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行電流概念教學(xué)時(shí)，國(guó)內(nèi)外不同的教科書構(gòu)建了不同的物理模型進(jìn)行教學(xué)，幫助學(xué)生了解科學(xué)本質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)主要有4種模型.現(xiàn)將這4種模型進(jìn)行整理、分析比較，挖掘其中的教育價(jià)值，旨在為電流概念教學(xué)和教科書編寫提供新思路.

1 問(wèn)題的提出

物理學(xué)研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律.在研究過(guò)程中，實(shí)際的事物和規(guī)律都是錯(cuò)綜復(fù)雜的，常需要對(duì)它們進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，忽略次要因素，突出主要因素.物理模型就是用理想化的方法將實(shí)際中的事物和規(guī)律進(jìn)行簡(jiǎn)化，幫助人們理解復(fù)雜事物和規(guī)律，研究不易觀察到的現(xiàn)象，透過(guò)現(xiàn)象、看到本質(zhì)的一種重要的研究方法[1].在我國(guó)新頒布的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中提出科學(xué)思維是學(xué)生物理學(xué)習(xí)的必備品格和關(guān)鍵能力，模型建構(gòu)則是科學(xué)思維的重要要素，所以構(gòu)建物理模型進(jìn)行教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)至關(guān)重要[2].物理概念是某類物理現(xiàn)象和物理過(guò)程的共同性質(zhì)和本質(zhì)特性在人們頭腦中的反映，是對(duì)物理現(xiàn)象、物理過(guò)程抽象化和概括化的思維形式[3].正是這一性質(zhì)決定了物理概念的抽象性和概括性.因此，物理概念教學(xué)更需要概念模型的建構(gòu)來(lái)幫助學(xué)生構(gòu)建學(xué)習(xí)支架.

電流概念由于本身不可見(jiàn)、抽象的特性，并且在初中階段學(xué)生還沒(méi)學(xué)習(xí)電場(chǎng)的概念，故是學(xué)生初中物理電學(xué)部分學(xué)習(xí)的難點(diǎn).相關(guān)研究表明了學(xué)生在學(xué)習(xí)電流概念之前有非常多的錯(cuò)誤前概念，舉例如下：

(1)電流到某處會(huì)停下來(lái)，斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)其前面有電流，后面沒(méi)有電流.

(2)電流的傳播需要時(shí)間，離正極近的小燈泡先亮，離正極遠(yuǎn)的小燈泡后亮.

(3)串聯(lián)電路中電流“順序”消耗模型，離正極近的燈泡電流大，離正極遠(yuǎn)的燈泡電流小.

(4)串聯(lián)電路中電流“分配”消耗模型:同樣的兩個(gè)小燈泡電流相等，電流等量分配，不同的小燈泡，亮的燈泡分配的電流多.

(5)串聯(lián)電路中電流的大小與導(dǎo)線的長(zhǎng)短有關(guān)，離電源近的燈泡電流大，離電源遠(yuǎn)的燈泡電流小[4].

學(xué)生受日常生活中的直接經(jīng)驗(yàn)影響或多或少地都存在錯(cuò)誤的前概念，教師一般會(huì)使用各種各樣的模型來(lái)轉(zhuǎn)變迷思概念，通過(guò)類比使電流的形象“摸得著”.再通過(guò)問(wèn)題鏈的形式建構(gòu)電流.因此將各種常見(jiàn)的類比模型進(jìn)行對(duì)比分析對(duì)初中物理教學(xué)來(lái)說(shuō)是非常有必要的.

2 電流概念教學(xué)中4種類比模型分析

如何引入電流的概念才能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維呢？筆者查閱資料發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外關(guān)于電流概念的教學(xué)中使用的模型一共有4種，分別是“水流類比模型”“自行車車鏈模型”“引力模型”“電子傳輸模型”.為了更好地幫助學(xué)生建立正確的電流概念有必要對(duì)這幾種類比方法進(jìn)行比較分析.

2.1 4種類比模型的介紹

我們以蘇教版初中物理教科書[5]為例，介紹“水流類比模型”.如圖1所示，教材以水流來(lái)類比電流：“水流類比模型”就是將電流比作水流，將水流是水的移動(dòng)類比成電流是電荷的移動(dòng).將水流動(dòng)的動(dòng)力水輪機(jī)類比成讓電荷移動(dòng)的電源，水流流過(guò)水輪機(jī)，能夠使水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)類比成電流流過(guò)燈絲，使電燈發(fā)光.因其形象生動(dòng)貼近學(xué)生生活，學(xué)生利于理解，在初中物理教材有著非常重要的地位.雖然這樣可以反映一些電流的特性，但是卻不能很好地使學(xué)生理解電流的方向性和瞬時(shí)性，還容易讓學(xué)生產(chǎn)生錯(cuò)誤觀念.

水流通過(guò)水輪機(jī)，能使水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，

“自行車車鏈模型”將運(yùn)動(dòng)的自行車鏈條類比成電荷.模擬圖如圖2所示，鏈條的移動(dòng)類比成電荷的定向移動(dòng)，將人踩踏板使自行車鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)類比成使電荷移動(dòng)的電源.自行車消耗的是人的能量，燈泡消耗的是電源的能量.而鏈條的數(shù)量不會(huì)減少類比成燈泡消耗的是電源的能量而不是電荷，電流的數(shù)量也不會(huì)減少，電荷相當(dāng)于電能的傳遞者.“自行車車鏈模型”既避免了將能量表示為一種物質(zhì)，又顯示了能量可以在沒(méi)有物質(zhì)載體實(shí)際運(yùn)動(dòng)的情況下移動(dòng)，還有效地糾正了“電流消耗模型”“電流傳播需要時(shí)間”等錯(cuò)誤前概念.

圖2 自行車車鏈模型

“引力模型”[6]就是將在引力作用下運(yùn)動(dòng)的物體比作電流.以蘋果為例模擬其示意圖如圖3所示，將向山下滾動(dòng)的許多蘋果類比成電荷，將蘋果的滾動(dòng)類比成電荷的定向移動(dòng)，將蘋果滾動(dòng)需要的勢(shì)能類比成使電荷移動(dòng)的電源.蘋果滾動(dòng)消耗的是重力勢(shì)能，燈泡消耗的是電源的能量，而蘋果的數(shù)量不會(huì)減少類比成燈泡消耗的是電源的能量而不是電荷，電流的數(shù)量也不會(huì)少，電荷相當(dāng)于電能的傳遞者.這個(gè)模型可以很好地反映電流的方向性和糾正“電流消耗”，但是其不能很好地反映電流的瞬時(shí)性.傾向于用引力來(lái)類比電位差，將下山時(shí)勢(shì)能的損失比作“當(dāng)正電從一個(gè)電位差較高的導(dǎo)體下降到電位差較低的導(dǎo)體時(shí)”所損失的能量.電流的引力模型被推廣是出于不同的原因.質(zhì)量在重力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)和帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)形式是完全平行的.這顯示了物理學(xué)學(xué)科的一個(gè)寶貴特征:在不同的主題中概念結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性.

圖3 引力模型

“電子運(yùn)輸模型”[6]其模擬示意圖如圖4所示，就是將電流定義為帶電粒子在導(dǎo)線兩端的電位差影響下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，電子的定向移動(dòng)產(chǎn)生了電流.這是目前在中學(xué)物理教學(xué)中使用的最符合事實(shí)的電流模型了，電路中正電荷不會(huì)運(yùn)動(dòng)，與運(yùn)動(dòng)的電子相遇就會(huì)阻礙其運(yùn)動(dòng).但是它不能解釋電子是如何參與電子周圍的能量傳輸與分布的，并且需要一定的知識(shí)儲(chǔ)備，難度較大，不利于學(xué)生理解，一般會(huì)在我國(guó)高中物理教材中出現(xiàn).

圖4 電子運(yùn)輸模型

2.2 4種類比模型的教學(xué)效果分析

基于以上分析，不難看出各個(gè)模型都不能完整地表述出真正的電流概念，但一定程度上能夠糾正學(xué)生迷思概念，降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，現(xiàn)總結(jié)分析如表1所示.

表1 布盧姆認(rèn)知目標(biāo)分類表

從表1可以看出，不同的電流類比模型都從不同角度反映了電流的某一特性，我們可以在教學(xué)中合理運(yùn)用其優(yōu)點(diǎn)來(lái)引入電流的概念.在我國(guó)初中物理教學(xué)中教師普遍會(huì)運(yùn)用“水流模型”來(lái)進(jìn)行電流概念的引入.因其生動(dòng)形象貼切生活也確實(shí)能反映流動(dòng)性，有著不可撼動(dòng)的地位.但學(xué)生進(jìn)一步正確理解電流概念仍有困難.于是教育研究者在學(xué)生的前概念基礎(chǔ)上將“水流模型”和“自行車車鏈模型”兩個(gè)模型整合，搭建腳手架來(lái)轉(zhuǎn)變學(xué)生錯(cuò)誤前概念，很好地利用了兩個(gè)模型的優(yōu)點(diǎn)[4].這也給教育教學(xué)帶來(lái)很大的啟示，我們可以在調(diào)查學(xué)生錯(cuò)誤前概念的基礎(chǔ)上選擇合適的多種模型進(jìn)行“類比腳手架模型”的建構(gòu)來(lái)幫助學(xué)生克服前概念，掌握科學(xué)本質(zhì).

3 總結(jié)與啟示

在高中物理中我們學(xué)習(xí)到電流產(chǎn)生的真正原理是導(dǎo)線中電子在電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)，屬于場(chǎng)模型.但是在初中并未學(xué)習(xí)此類知識(shí).所以我們只能選取某個(gè)結(jié)構(gòu)模型來(lái)幫助學(xué)生理解抽象概念.雖然物理教育者之間可能會(huì)達(dá)成共識(shí)，即場(chǎng)模型是我們希望學(xué)生認(rèn)識(shí)到的正確的模型，但在學(xué)習(xí)的特定階段，讓學(xué)生理解場(chǎng)模型是存在爭(zhēng)議的.所以我們要在教學(xué)中合理選取模型來(lái)進(jìn)行教學(xué).

這些電流概念教學(xué)模型盡管在初中物理課程中并沒(méi)有正式地流傳，但從某種意義上來(lái)說(shuō)，它非常生動(dòng)形象地表述了電流概念的某一個(gè)特征.因?yàn)樗梢越忉層^察到的現(xiàn)象，特別是學(xué)生自己感到困惑的現(xiàn)象，并提出進(jìn)一步的問(wèn)題.學(xué)生關(guān)于電流概念又有非常多的前概念，教師可以在學(xué)生學(xué)習(xí)這節(jié)課之前調(diào)查學(xué)生的已有知識(shí)，做好學(xué)情分析，在講解這部分內(nèi)容時(shí)，做到有的放矢.基于學(xué)生的前概念我們可以選取合適的模型來(lái)引入電流，幫助學(xué)生克服錯(cuò)誤前概念，掌握電流概念本質(zhì).同時(shí)這也為中學(xué)物理抽象概念的教學(xué)提供了新思路.