电动势概念教学中的思维加工培养策略

白晶

摘 要：本文以“电动势”的教学为例，从概念的引入、概念的形成和概念的理解三个层面探讨了物理概念教学中的思维加工策略。结合教学过程中的实例，分析了类比思维、辩证思维和批判性思维在物理概念教学中的作用。

关键词：电动势；概念教学；思维加工

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）6-0014-3

课程目标与教学目标都要通过学生经历特定的学习过程来达成。物理概念教学的目标之一是形成正确的概念。学生需要在获得足够的感性材料的基础上，运用各种思维方法，对感性材料进行思维加工，进而抽象概括出事物的本质属性，从而形成概念[1]。下面以“电动势”的教学为例，探讨物理概念教学中的思维加工策略。

1 设置认知冲突，激发思维活动

转变错误前概念有利于学生在原有知识储备的基础上形成科学认识，这对提高概念教学的效率大有裨益[2]。学生在初中物理的学习的基础上，容易形成“电源电压恒定不变”的错误前概念。电动势概念的教学可以尝试从转变这个前概念引入。

展示生活中熟悉的一些电池，干电池有1.5 V的标志，纽扣电池有3 V的标志，锂电池有3.7 V的标志……提出问题：电池上的1.5 V、3 V、3.7 V等标志有什么含义？是电压吗？

实验1：按图1所示连接电路，将一节标有1.5 V的干电池与电压表接入电路。闭合开关，观察电压表的读数。

实验2：再接上一个小灯泡，按如图2所示连接电路。闭合开关，观察到电压表的读数变小。为了避免偶然性，还可以再并联几个小灯泡，发现并联的灯泡越多，电压表的读数越小。

由于前概念的存在，学生会对实验2的结果感到惊讶，这是认知冲突的表现，由此激发了本节课的思维活动。在《普通高中物理课程标准（实验）》中，“电动势”概念属于二级主题“电路”。电动势是描述电源特性的物理量，而电路恰是电源表现这种特性的环境。电动势反映了电源的内部本质，而路端电压是电源的这种内在性质在电路中的外在表现。由外在表现深入内部本质，符合科学概念产生和发展的规律，也符合学生的学习心理。这样引入教学，为后面建立电动势概念，认识电动势与电压概念的区别，创设了良好的思维情境。

2 通过类比思维，建立新的概念

类比作为一种思维方式，不仅在科学研究中有重要作用，还是中学物理教学中广泛采用的类比教学法的重要基础。建构主义学习理论解释了类比法使用的合理性[3]。对于电动势这类抽象的概念，可通过类比思维加工，降低理解的难度。认识“非静电力”是理解电动势概念内涵的关键。

图3中ACB为一段弯曲的滑轨，小球从滑轨的顶端A自由释放，经过滑轨下滑到达底端B。若要循环此过程，须通过“非重力”做功将小球从B搬回到A再释放。将弯曲滑轨上的力学过程与闭合电路中的电学过程（图4）进行类比，引入“非静电力”。通过非重力做功和非静电力做功的类比，形成电动势的概念。

需要强调的是，使用类比的思维加工策略时，参与类比的事物或过程在物理本质上应当具有一致性。图3与图4所示的物理过程的类比，从做功与能量转化的本质关系上讲是一致的。通过类比的思维加工，分析电源的作用，引出“非静电力”的概念。类比的关键是引导学生基于功和能的观点，将非静电力做功的本领与电源本身转化能量（即提供电能）的能力联系起来，最终建立起电动势的概念。

引导学生讨论怎样描述非静电力做功的本领：非静电力搬运电量为q的正电荷从负极到正极做功W。搬运电量为2q的正电荷呢？搬运电量为3q的正电荷呢？……在归纳出功和电量的比值是定值之后，再引导学生分别从功和能的角度分析该比值的物理意义：一方面表示电源非静电力做功的本领，另一方面表示单位电量的电荷通过电源获得的能量。

3 通过辩证思维，全面理解概念

电动势虽然是个抽象的物理概念，但又是一个可测量的物理量，这恰恰是电源的内在特征和外在表现两者之间矛盾的统一。电动势是电源本身的性质，与电源所处的外部环境（是否接入电路或如何接入电路）没有关系。而电源的这种特性只有在接入电路，发挥其功能时才能表现出来，由此产生了路端电压和电源内阻的概念。围绕这对矛盾的辩证关系，可引导学生设计实验，探究闭合电路中外电路电阻与路端电压的变化关系。

实验3：将图2电路中的小灯泡换成滑动变阻器，如图5所示。闭合开关，调节滑动变阻器的滑片，观察到电压表读数随之变化。

问题1：可以将电源两端的“电压”理解为电源的“电动势”吗？为什么？

问题2：电源两端的“电压”和电源的“电动势”有可能在数值上相等吗？

路端电压的变化是由于外电路电阻与电源内阻的比例关系发生变化而导致的，于是在“做”实验的过程中自然形成了电源内阻的概念。更重要的是，引导学生思考此变化关系的本质——电源提供给整个电路的电能的分配关系，从而站在电路的视角，认识电动势的物理意义。通过辩证的思维加工，从不同的视角理解电动势的概念，可以更全面地把握概念的内涵。

4 通过批判性思维，深化概念理解

批判性思维是指，为决定相信什么或做什么所进行的合理的、反省的思考[4]。物理思维属于科学的思维方式，本身就决定了其应当具有批判性。实验3的探究完成之后，学生在实验1与实验2的比较中产生的认知冲突得到了化解，实现了由前概念到科学概念的转变。至此，本节课的任务似乎已经完成，然而，学生对电动势和电压这两个概念的本质区别还不一定真正理解。在问题1和问题2的基础上，通过批判性思维的加工，可提出下面的问题：

问题3：不能把电源两端的“电压”理解为电源的“电动势”，仅仅是因为两者在数值上可能不相等吗？

问题4：“电压”与“电动势”虽然都可用“伏特”作为单位，但是，在本质上有什么区别吗？

问题5：实验1中电压表的读数真的和电源电动势在数值上相等吗？换句话说，实验1真的可以测量电源的电动势吗？

问题6：有办法准确测量电源电动势吗？“准确”意指排除电表内阻的影响。

通过问题3和问题4，引发对于“电动势”与“电压”本质区别的思考。其关键是基于功和能的观点，从做功的力与能量转化的方向两个方面，对电动势与电压两个概念进行辨析，深化概念的理解。问题5和问题6通过反思实验过程，激发学生进一步钻研的兴趣，使本节课中思维品质的教育价值得到充分挖掘和体现。

以上分析了电动势概念教学中的思维加工策略：在解决认知冲突的问题驱动下，引入概念；通过类比的思维加工，形成概念；通过辩证和批判性的思维加工，深化对概念的理解。综上，学生在形成新的物理概念的过程中，需要经历丰富的思维活动，获得充实的思维体验。这种体验应当是一种螺旋式、上升式的思维过程，并充分体现批判性。

参考文献：

[1]阎金铎，郭玉英.中学物理教学概论（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]赵娜，张磊.物理“前概念”与任务驱动教学[J].中学物理，2014，（20）：3.

[3]唐凤，唐利强.类比教学的理论基础及其对物理教学设计的启示[J].当代教育理论与实践，2014，（5）：21.

[4]张大昌，等.普通高中课程标准实验教科书《物理·必修①》[M].北京：人民教育出版社，2010.

[5]（美）诺希克著.柳铭心译.学会批判性思维——跨学科批判性思维教学指南[M].北京：中国轻工业出版社，2005.

（栏目编辑 赵保钢）