吳春曉，蘇 航，黃致新，謝英勝

1.華中師范大學(xué)人工智能教育學(xué)部，武漢 430079

2.四川省成都市第七中學(xué)，成都 610041

3.湖北省教育科學(xué)研究院，武漢 430071

在“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念的引導(dǎo)下，教師的教學(xué)設(shè)計(jì)需要更多地考慮到學(xué)生的實(shí)際情況，有時(shí)對(duì)于一部分學(xué)生很合適的教學(xué)設(shè)計(jì)，可能就不適合另一批學(xué)生。所以，對(duì)于同一個(gè)概念進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的教師需要在既有的教學(xué)案例的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)甚至創(chuàng)新出更加適合自己學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑。教學(xué)設(shè)計(jì)中有哪些選項(xiàng)，這些選項(xiàng)各自有什么特點(diǎn)，教師應(yīng)該基于哪些原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，則成為教師成長(zhǎng)道路上需要不斷思考的課題。

美國國家研究理事會(huì)（NRC）將學(xué)習(xí)進(jìn)階定義為：“學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)學(xué)生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述，在一個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間跨度下，學(xué)生學(xué)習(xí)和探究某一重要的知識(shí)或者實(shí)踐領(lǐng)域時(shí)，其思維方式逐漸進(jìn)階?！保?］“電源電動(dòng)勢(shì)”是高中物理教學(xué)中較難理解的一個(gè)物理概念，其建立過程還是要基于學(xué)生的既有經(jīng)驗(yàn)?；谡鲜竭M(jìn)階理論［2］，這一個(gè)概念理解的發(fā)展模型應(yīng)該有如表1 所示的五個(gè)層級(jí)。

表1 “電源電動(dòng)勢(shì)”概念理解的發(fā)展層級(jí)模型

整合式進(jìn)階理論指出，物理概念需要建立在經(jīng)驗(yàn)和映射的基礎(chǔ)上，而學(xué)生從初中習(xí)得的概念是“電源電壓”，也就將所有的電源都理想化成了內(nèi)阻不計(jì)的電源。所以，在構(gòu)建“電源電動(dòng)勢(shì)”這一概念之前，學(xué)生需要先構(gòu)建“內(nèi)電壓和外電壓”這兩個(gè)先行概念。

1 設(shè)計(jì)認(rèn)知沖突，沖擊既有觀念——認(rèn)識(shí)電源路端電壓

一個(gè)好的引入能夠很好地吸引學(xué)生的注意力，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的求知欲和探索精神，從而讓學(xué)生更深入地參與后續(xù)學(xué)習(xí)階段。引入過程需要基于學(xué)生既有的認(rèn)知，在本節(jié)內(nèi)容中，學(xué)生對(duì)電源電動(dòng)勢(shì)的既有認(rèn)知是電源兩端的電壓不變，但這是建立在初中物理電源內(nèi)阻不計(jì)的理想化模型的基礎(chǔ)上，而這樣的認(rèn)知在高中可能就會(huì)變成錯(cuò)誤的前概念，而認(rèn)知沖突就是沖擊錯(cuò)誤前概念最好的方式。所以，在如下幾個(gè)引入設(shè)計(jì)中，教師可以思考哪種引入更適合自己的學(xué)生。在引入的過程中可以考慮如下幾種方案：

①演示更大的電動(dòng)勢(shì)反而讓小燈泡變暗；

②外電路并聯(lián)的小燈泡越多，小燈泡就越暗［3］；

③將小燈泡接在充電后的電容器兩端，發(fā)現(xiàn)小燈泡閃亮一下就熄滅［4］；

④演示范式起電機(jī)、法拉第圓盤發(fā)電機(jī)［5］。

從引入的角度而言，方案②就優(yōu)于方案①。因?yàn)?，在學(xué)生還沒有電動(dòng)勢(shì)的概念的時(shí)候，直接將其呈現(xiàn)出來，學(xué)生就會(huì)轉(zhuǎn)而去疑惑什么是電動(dòng)勢(shì)，而忽略了本來非常精彩的演示實(shí)驗(yàn)。引入方案③確實(shí)說明了電源和電動(dòng)勢(shì)的不同之處，但是有時(shí)候需要進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，則需要教師根據(jù)學(xué)生的具體情況進(jìn)行調(diào)整。方案④所展示的確實(shí)涉及了電動(dòng)勢(shì)的概念，但是范式起電機(jī)和法拉第圓盤發(fā)電機(jī)本身就屬于教學(xué)難點(diǎn)，如果在引入部分進(jìn)行介紹則會(huì)分散學(xué)生的注意力，同時(shí)打擊部分學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

綜上所述，引入的設(shè)計(jì)方式也隨著新課改的推進(jìn)在逐步優(yōu)化。目前已經(jīng)有很多的引入方式［6］：現(xiàn)象呈現(xiàn)式引入、認(rèn)知沖突式引入、知識(shí)生成式引入、原始物理問題引入、傳統(tǒng)文化引入等。但是，縱觀不同的研究，教師可能會(huì)面臨多種引入都可以考慮，只需要使用一種引入的選擇。而引入的設(shè)計(jì)原則又跟課堂教學(xué)目標(biāo)緊密相連（表2）。

表2 引入的不同類型和場(chǎng)景

2 基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探尋電壓關(guān)聯(lián)——電動(dòng)勢(shì)概念呼之欲出

由于物理概念需要建立在學(xué)生個(gè)人觀察的基礎(chǔ)上，所以需要將電源的內(nèi)電壓和外電壓顯化處理，學(xué)生才能根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出內(nèi)外電壓之和為一個(gè)常數(shù)的結(jié)論，從而進(jìn)一步將這個(gè)現(xiàn)象和“電源電動(dòng)勢(shì)概念”聯(lián)系起來。

在文獻(xiàn)梳理的過程中，發(fā)現(xiàn)了如下一些非常有代表性的相關(guān)實(shí)驗(yàn)：

最早在1959 年就出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)（圖1），用兩個(gè)內(nèi)阻不計(jì)的電源，加入一個(gè)定值電阻，直接人為將內(nèi)阻“植入”了電源之中［7］。次年，文獻(xiàn)中就出現(xiàn)了以鋅銅電池為主體的內(nèi)外電壓的測(cè)量裝置（圖2），其電解液由特定濃度的稀硫酸和高錳酸鉀溶液混合而成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果內(nèi)外電壓在0.88 V~0.90 V，數(shù)據(jù)良好。其要領(lǐng)在于每讀一組數(shù)據(jù)需要把極板取出約一分鐘再讀第二組數(shù)據(jù)，同時(shí)一組溶液只能讀出4~5 次數(shù)據(jù)［8］。之后，在1996 年，出現(xiàn)了電源的串并聯(lián)問題（圖3）［9］，其難度就有明顯上升。2013 年，教師更加注重知識(shí)的生成性，開始結(jié)合物理學(xué)史［10］進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，甚至有研究重現(xiàn)了歐姆當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)（圖4）［11］。其結(jié)果依舊面臨著內(nèi)外電壓之和在1.602 V~1.610 V之間波動(dòng)，且并不恒定的問題。2015 年，對(duì)土豆電池、可樂－鋅銅電池進(jìn)行測(cè)量［12］。2018 年傳感器的使用開始普及［13］（其結(jié)果為1.31 V~1.28 V）。

圖1 實(shí)驗(yàn)示意圖（1959 年）

圖3 實(shí)驗(yàn)示意圖（1996 年）

圖4 實(shí)驗(yàn)示意圖（2013 年）

隨著傳感器的普及和探究式教學(xué)的不斷發(fā)展，教師不滿足于僅僅測(cè)量出固定兩點(diǎn)的電壓（圖5），而試圖利用傳感器測(cè)量?jī)?nèi)電路不同位置的電勢(shì)高低［14］（其結(jié)果如圖6 所示）。但是，上述測(cè)量結(jié)果始終存在內(nèi)外電壓之和隨著外電阻的變化而波動(dòng)的問題。而這其中的原因就是測(cè)量?jī)?nèi)電壓的探針和附近的電極始終會(huì)有一定的距離。于是，就有研究者將這一部分的電壓也測(cè)了進(jìn)去［15-16］，如圖7、圖8 所示。這樣的方式確實(shí)更加精確，但是還需要結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，并不是所有層次的學(xué)生都能很快地理解這樣的方式。這樣的方式可能更適用于有一定基礎(chǔ)的學(xué)生。

圖5 實(shí)驗(yàn)示意圖（2015 年）

圖6 實(shí)驗(yàn)示意圖（2019 年）

圖7 實(shí)驗(yàn)示意圖（2020 年）

圖8 實(shí)驗(yàn)示意圖（2021 年）

從上述1959 年到2021 年的演示實(shí)驗(yàn)器材的不斷演化可以發(fā)現(xiàn)，雖然是實(shí)驗(yàn)器材，但是還需要基于真實(shí)存在的電源，而不是直接人為接入一個(gè)電阻作為內(nèi)阻。隨著教育改革的發(fā)展，演示實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了從磁電式電表向傳感器的演變，這樣的改變不僅能夠提升測(cè)量的精度，而且電壓傳感器的內(nèi)阻（約為1 MΩ）遠(yuǎn)大于磁電式電壓表（幾千歐），實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差進(jìn)一步降低。最后，隨著可樂電池、水果電池等電池的出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)所采用的材料也從不易獲取的危險(xiǎn)稀硫酸溶液等向更容易獲取的可樂轉(zhuǎn)變。其中，如果直接使用自來水，其實(shí)也能達(dá)到很好的實(shí)驗(yàn)效果。

在實(shí)驗(yàn)探究的過程中，很多學(xué)生對(duì)測(cè)內(nèi)電壓的電路感到難以理解，很難理解為什么插入電解液的探針測(cè)的電壓就是內(nèi)電壓［17］。這就需要教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，判斷是否需要在課堂或者課前對(duì)電壓表測(cè)電壓的原理和本質(zhì)進(jìn)行說明。

3 回歸理論推導(dǎo)，構(gòu)建全新概念——電動(dòng)勢(shì)概念水到渠成

最初中學(xué)課本中使用的電動(dòng)勢(shì)定義是：“單位電量沿閉合電路移動(dòng)一周時(shí)，電場(chǎng)力所做的功?！保?8］現(xiàn)在的課本中多采用的是：“非靜電力把正電荷從負(fù)極移送到正極所做功跟被移送電量的比值?！彼?，電動(dòng)勢(shì)并不是由于電場(chǎng)力做功，也不完全等于非靜電力做功，而是非靜電力做的功和所移送的電荷量的比值。同時(shí)，就是因?yàn)榉庆o電力做功無法直接測(cè)量，所以利用內(nèi)外電路靜電力做功的數(shù)值來表示。但是，這些邏輯需要教師引導(dǎo)學(xué)生一步步達(dá)成。于是，從理論推導(dǎo)而言，教學(xué)設(shè)計(jì)也呈現(xiàn)出了一定的演化脈絡(luò)。

如圖9 所示，在1983 年的教學(xué)設(shè)計(jì)中，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示內(nèi)外電壓之和為一個(gè)常數(shù)的時(shí)候，就直接給出了這個(gè)數(shù)值等于電動(dòng)勢(shì)［18］，從而進(jìn)一步得出全電路歐姆定律。但是，這樣的推理方式會(huì)讓學(xué)生認(rèn)為電動(dòng)勢(shì)“就是”內(nèi)外電壓之和，并認(rèn)為電動(dòng)勢(shì)就是靜電力做功。于是，2006 年的研究中就明確指出了電動(dòng)勢(shì)是非靜電力做功相關(guān)的物理量，而不是靜電力做功所對(duì)應(yīng)的數(shù)值［19］，但是對(duì)于E 的出現(xiàn)依舊需要進(jìn)一步鋪墊。由于電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)外電壓之和的關(guān)系不僅僅是數(shù)值相等，還可以通過能量守恒的方式來進(jìn)行說明（圖10）［20］。如圖11所示，我們?cè)谶M(jìn)行本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)的時(shí)候，采用了探究發(fā)現(xiàn)的學(xué)習(xí)路徑。先從能量守恒的角度闡述了電路通過靜電力對(duì)電荷做正功，從而消耗能量，于是就得到了

圖9 教學(xué)設(shè)計(jì)思路（1983 年）

圖10 教學(xué)設(shè)計(jì)思路（2006 年）

圖11 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

由于能量守恒，這部分能量是由于非靜電力做功而輸入到電路中的，其做功對(duì)象同樣是電荷量q，于是上述式子就等于再考慮到這是一個(gè)定義式，同時(shí)還可以寫成，于是，這樣的比值定義法作為物理學(xué)中常見的對(duì)新概念的定義方式，就很自然地引出了電動(dòng)勢(shì)的概念和定義式

所以，為了更加自然地引出電動(dòng)勢(shì)的概念，同時(shí)展示定義這個(gè)概念的必要性。需要“能量守恒”和“比值定義法”的參與。如果直接生硬地提出電動(dòng)勢(shì)的概念，不僅不利于學(xué)生理解這個(gè)概念，同時(shí)也不利于學(xué)生后續(xù)對(duì)全電路歐姆定律的理解。

在給出電動(dòng)勢(shì)概念之后，為了幫助學(xué)生將其構(gòu)建進(jìn)既有的“內(nèi)外電壓之和未定值”認(rèn)知中去，就需要教師通過圖示或者實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行進(jìn)一步的引導(dǎo)。

如圖12 所示，該圖顯示了電勢(shì)在電源處升高，在內(nèi)電阻和外電阻所在處有所降低［20］，其好處是學(xué)生對(duì)于電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)外電壓之和的數(shù)值能夠快速把握，同時(shí)還能強(qiáng)化電源提升了電勢(shì)和電阻降低了電荷的電勢(shì)的基本觀念。其缺點(diǎn)則是學(xué)生對(duì)該圖示構(gòu)成回路的方式產(chǎn)生疑惑。于是就可以采用圖13 的展示方式將圖12 圍成一個(gè)立體的圖像，其優(yōu)點(diǎn)是更加直觀地展現(xiàn)了各個(gè)位置處電勢(shì)的高低變化，其缺點(diǎn)是需要教師在第一次展示的時(shí)候結(jié)合實(shí)物進(jìn)行說明，否則可能存在部分學(xué)生空間立體思維受限而無法想象該場(chǎng)景的情況。同時(shí)，圖13 認(rèn)為電源的正極和負(fù)極都升高了電勢(shì)，而圖12 則回避了這個(gè)問題。是否正負(fù)電極都會(huì)升高電勢(shì)，其對(duì)電勢(shì)的升高是否相同，并不是高中物理要求學(xué)生掌握的內(nèi)容，但是如果混用這兩個(gè)圖可能會(huì)引起一定的誤解。相應(yīng)地，圖14［5］和圖13 表達(dá)的意思接近，并且位置對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確。學(xué)生可以參考圖14 來理解圖13 的類比思維。

圖12 回路

圖13 回路

圖14 回路

4 驗(yàn)證既有認(rèn)知，解釋全新現(xiàn)象——全電路歐姆定律實(shí)戰(zhàn)演練

在建立了電源電動(dòng)勢(shì)概念的基礎(chǔ)上，在用電器為純電阻的情況下，很自然地就能推導(dǎo)出全電路歐姆定律。全電路歐姆定律這一規(guī)律對(duì)學(xué)生而言既熟悉又陌生，它能回應(yīng)一些初中沒有解決的奇思妙想，同時(shí)也能在新的物理情境中進(jìn)行應(yīng)用。這樣既驗(yàn)證了既有認(rèn)知，又解釋了全新現(xiàn)象的規(guī)律應(yīng)用方式，能夠更好地幫助學(xué)生將這個(gè)規(guī)律構(gòu)建進(jìn)自己既有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。具體操作如下。

先驗(yàn)證既有認(rèn)知。如果教師在課堂一開始選擇了“外電路并聯(lián)的小燈泡越多，小燈泡就越暗”的方式進(jìn)行引入，現(xiàn)在就可以解釋這個(gè)疑惑：由于小燈泡不斷并聯(lián)的過程中，外電阻的總阻值越來越小，跟內(nèi)阻分壓所得的電壓就越來越小，于是外電路電壓減小，所以燈泡都變暗。不僅如此，還可以直接引導(dǎo)學(xué)生思考：“如果直接用導(dǎo)線將電源短路會(huì)發(fā)生什么？ ”這個(gè)問題在初中難以得到解答，學(xué)生只有一個(gè)模糊的印象就是這樣做非常危險(xiǎn)，但是為什么危險(xiǎn)，究竟哪里危險(xiǎn)則不得而知。通過這個(gè)例子的解釋，學(xué)生不僅知道了短路電流的概念，還知道此時(shí)真正危險(xiǎn)的不是外電路，而是發(fā)熱的內(nèi)電路。相應(yīng)地，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生思考：“如果外電路斷路則意味著什么？”通過將斷路部分想象成一個(gè)無窮大的阻值，從而得出此時(shí)的路端電壓等于電源電動(dòng)勢(shì)的結(jié)論。通過這樣的方式，學(xué)生就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“新規(guī)律與我有關(guān)”的認(rèn)知，也就更加容易接受。

而后解釋全新現(xiàn)象。在前面?zhèn)溥x的引入中，其實(shí)“演示更大的電動(dòng)勢(shì)反而可能讓小燈泡變暗”更適合放在應(yīng)用環(huán)節(jié)，因?yàn)榇藭r(shí)學(xué)生才真正知道什么是電動(dòng)勢(shì)，明白教師究竟想表達(dá)什么。但是，直接這樣問不免過于抽象，可以對(duì)比干電池和水果電池，由于水果電池內(nèi)阻很大，所以當(dāng)二者電動(dòng)勢(shì)差不多時(shí)（可以在水果電池上多插幾組電池達(dá)到這樣的效果），同樣的燈泡在水果電池兩端反而相對(duì)較暗。這樣聯(lián)系實(shí)際的規(guī)律應(yīng)用方式，能夠讓學(xué)生產(chǎn)生“新規(guī)律對(duì)我有用”的認(rèn)知，從情感上而言更樂于學(xué)習(xí)物理的相關(guān)規(guī)律。如果物理規(guī)律從未聯(lián)系實(shí)際，那就很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

5 總結(jié)

本文參考了近60 年來關(guān)于電源電動(dòng)勢(shì)概念建立的教學(xué)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的理念也隨著課程改革的不斷推進(jìn)而更加貼近學(xué)生實(shí)際情況，更加結(jié)合實(shí)際，同時(shí)也更注重知識(shí)的探究與生成。在研究了既往研究者的成果之后，要做好基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)，還需要關(guān)注驅(qū)動(dòng)問題和錨基任務(wù)［5］兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。這里的驅(qū)動(dòng)問題是“電源電動(dòng)勢(shì)是什么？電源內(nèi)阻會(huì)產(chǎn)生什么影響？”而錨基任務(wù)則是“認(rèn)識(shí)電源電動(dòng)勢(shì)這一概念并能初步應(yīng)用全電路歐姆定律”。這樣根植于學(xué)生既有認(rèn)知、聯(lián)系真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、在認(rèn)知沖突的基礎(chǔ)上進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計(jì)，能夠更好地幫助學(xué)生掌握新的概念，從而達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。