纵横对比整合创新

李光宇

摘要：针对“电压”概念的建构，中国大陆现行六套初中物理教材中，有五套采用了与水压类比的方法；英国利兹大学科学与数学教育研究中心所编写的《教学科学的理解——电路》（Teaching Science for Understanding：Electric Circuits）一书，也采用了类比的方法.本文将这些不同版本的教材纵横对比，并进行整合与创新，以求教学设计的最优化.

关键词：电压；类比；概念；土暖气

1类比与物理概念

发现行星运动三大定律的德国天文学家开普勒说：“我珍视类比胜于任何东西，它是我最可信赖的老师，它能揭示自然界的秘密.”康德也曾说：“每当理智缺乏可靠论证的思路时，类比这个方法往往能指引我們前进.”在物理研究中，将熟悉的物理对象与待研究的物理对象相比较，找出他们已知的共同点、相似点或相联系的地方，据此推测出待研究对象也可能具有熟知对象的另一些特征，这一逻辑推理方法就叫物理类比法.它实质上是一种从特殊到特殊或从一般到一般的推理，它是根据两个（或两类）对象在某些方面的相同或相似从而推知他们在其他方面也可能相同或相似的一种逻辑思维.运用物理类比思维可以将陌生的对象与熟悉的对象进行对比，将未知与已知对比，特别是在还不足以进行归纳推理和演绎思维的情况下，类比更是得天独厚，它可以启迪思维、提供线索，使学生进一步认识物理世界.

概念是科学大厦的基石，学习科学、探索科学都是从最基础的概念建构开始.物理概念是物理现象、物理规律的本质属性的反映，是物理学习与思维的基本单位.一直以来，学生对物理概念的建构情况不容乐观.首先是因为物理概念本身所具有的抽象性所致，其次，由于初中学生是以丰富多样的形象思维为主，基本处于具体运算阶段和前运算阶段，缺乏抽象的逻辑思维能力，学生还没有形成良好的认知结构，不能有效地将概念系统化、网络化，从而导致解决实际问题时遇到障碍.

采用类比的方法理解物理概念有着得天独厚的优势，符合初中学生的身心发展特点和认知规律.初中物理电学部分的电压是最重要的基本概念之一，是学生普遍感觉抽象、难懂的概念.中国大陆现行各版本教材多数是通过类比的方法理解电压的，英国利兹大学科学与数学教育研究中心所编写的《教学科学的理解——电路》（Teaching Science for Understanding：Electric Circuits）[1]一书，也采用了类比的方法，其对电压概念的建构或许能对我们有所启迪.本文拟将各版本教科书进行对比，以求探寻到最优化处理方案与途径.

2大陆教科书针对“电压”的类比思路之对比

不同版本的新课标教材反映出其主张的教学理念和提倡的教学方式，凝聚着编者的良苦用心与理论依据，体现了课程组织者不同的价值取向.但是，通过对比不同版本的教材，又可以品味出各自独特的、别具一格的理念与观点.

21内容框架对比

采用形象的方式，在学生的“最近发展区”开展教学是提高学习效率的有效途径.在引入电压概念时，类比是绝大多数教材所采用的方式，中国大陆现行六套教材中，除人教版之外，其余版本均不约而同地采用了类比的方法，不妨将这五种版本的类比思路作一比较.

211文字形式

沪科版：我们知道，水在水管中流动时，水管两端必须要有一定的压力差，简称“水压”；同样，电荷在电路中定向运动时，电路两端也需要电压.接通电路，电路中的电源使电路两端保持一定的电压，电路中的电荷就会持续地做定向运动，电路中就有持续的电流.

沪粤版：我们知道，当水管两端存在压力差时，水管中的水就会流动，形成水流.同样，要在一段电路中形成电流，这段电路的两端必须要有一定的电压.

212图片形式.如图1所示

22教材的异同点分析

各版本分别使用文字或图片的形式将电压与水压进行类比.整体思路基本相同，但仔细品味其细微之处，仍感颇为耐人寻味.

221文字与图片对比

图片除了能表达出文字所能表达的意义之外，其感染力和冲击力都是文字所不能比拟的.作为一个初中学生普遍感觉较难理解与接受的物理概念，用图片展示的效果要优于文字描述.

222图片之间对比

我们先来看北师大版教材的图片（图1A），以甲、乙、丙三幅图来说明水压对水流形成的作用，类似于一组连环画将研究过程展示较为充分；但同时美中不足之处是：（1）水路中没有用来工作的水轮机，与电路中的用电器对应不起来，水路中的工作物质——水是在无用功；（2）甲、乙两图均有阀门，过渡到丙图却没有了阀门，这就导致水路与电路中的开关无法对应起来；（3）甲、乙两图中阀门的画法也有待商榷：两图中的阀门都应该是打开着的，画法与学生的日常生活经验不符.

再来比较教科版（图1B）和苏科版（图1C）的两组图片，似无较明显差异，但仔细比较与品味会发现，苏科版图片中，水轮机右侧水管略低于左侧，为水的逆时针流动创造了有利的条件.这不可不谓为教材编者的匠心独运之处.

23改进方案的再改进

首师大邢红军教授等人在文献中对水压与电压的类比提出了质疑.主要观点为：用水压来进行电压教学的比喻是牵强附会的，这种为了比喻而人为设置的例子日常生活中根本不存在[2].一边耗费电能来抽水，另一边靠抽上来的水推动水轮机，这从根本上违反了逻辑性.小学数学中出现的“一个水池有两个龙头，一个向水池中加水，一个向外放水，速度不同，问什么时候可以将水池加满水？”之类的题目已经广受诟病了，教材中的类比其实又是在潜移默化中引导学生做这些无用而又不切实际的设计.其次，图中一侧管中的水是靠水压而流动的，而另一侧的水则是靠抽水机抽回而流动的.两者流动的原因缺乏一致性.因此，用水压比喻来讲授电压显然是不妥的.同时，作者还给出了如图2所示的“土暖气”改进方案：装置的核心是一个带有可加热水箱的炉子（相当于电源）.水箱上部侧面和下部侧面分别连接水管（相当于电路），A为暖气片（相当于用电器）.B为阀门（相当于开关）.当炉子开始加热水箱中的热水时，由于热水的密度小而冷水的密度大，因此，热水就开始从水箱上部侧面的连接水管流出，经过暖气片时放出热量，温度降低后的水经阀门再从水箱下部侧面的连接水管流入水箱，经炉子加热后再完成下一个循环.在整个过程中，由于散热，水管中各处水的温度都是不相等的，而正是由于存在温度差，所以，才会有水的流动.

优点：这样的情境是真实、自然的，能使电路与水路很好对应起来——管道各处均散热对应于导线各处均有电阻而有电能消耗，进一步导致管道各处温度均不相同对应于电路中各处电势高低各不相同.

仔细思考发现仍有不尽如意之处：首先，图2用温度差（温压）与电压类比，有其优势.但温度是一个状态量，不符合初中学生的身心发展特点及认知规律.其次，图2中的水流方向与设想的流动方向是不一致的，应该说，这只是一个假想的“一厢情愿”的情境.根据连通器原理，打开阀门前，热水箱中的水沿着下部管道流动到阀门位置并积存在此处不动；水箱中的水并没有装满，水的上方有空气，打开阀门时水并不能正常地流动，是一个失败的设计.真实的“土暖气”设计方案有多种，现实生活中，与图2类似的土暖气安装图如图3所示，比图2多了一个竖起来的水箱，它在水的流动过程中起着非常重要的作用，将水箱的作用直接或间接地展示出来才是真实的“土暖气”示意图.其真实的内部结构及工作过程又是怎样的呢？2008年全国初中应用物理知识竞赛复赛的第三大题所提供的图形应该较有实用价值.不妨把题目列举如下，以供深入研究与剖析.

题目：家庭水暖又叫“土暖气”，是我国北方广大农村及一些城市使用的一种取暖设备， 图4是一种家庭水暖的安装示意图，其中下水管的D端比A端略高，其坡度为1∶100.请看图思考并回答以下问题：（1）这种水暖设备并没有应用水泵，但是当点燃锅炉后，水便可以在管中按箭头所示方向自行流动.请具体分析管中的水流动的原因是什么.（2）为什么要安装放气阀？（3）使用该套设备时，对水箱中的水位高低有什么要求？

解答：（1）在管中A点附近取一截面，截面右侧水管ABC段中的水温高，密度ρA右较小；水经暖气片放热后，温度降低，所以水管CDA段中的水温较低，密度ρA左较大，根据液体压强公式p=ρgh，A截面左侧CDA段中水的压强大于右侧ABC段水的压强，因此水管中的水会按逆时针方向流动.同时安装水管时又有一定的坡度，即D端高、A端低，为水的逆时针流动创造了有利的条件.（2）当水管中有空气时，气泡会沿管道向上移动，并汇集在最高处，包括管道中向上凸起的部分、暖气片的顶部等处.如果汇集的气体过多，会形成气柱，分断了水管中的水，阻碍水的流动，从而影响用热水供暖的效果.（3）水箱中的水位一定要高于整个循环水路的最高点，才能在整个循环水路中灌满水.否则循环水路中就会有空气，水就不能正常流动，从而影响用热水供暖的效果.

改进方案：为了教学的需要，完全可以将真实的物体、情境简化，择其要而剖析.但是，一个本质的观念不能丢，即简约但不能简单，简化但不可失真.如何充分利用好这一优秀资源，删除其复杂性而又不失去其真实性，学科组经过深入研讨，最后提出了改进方案（如图5所示）：从阀门到水箱的管道略向下倾，更利于流体的流动；且设计了一个弯管，水箱中的水位与弯管的顶部大致持平，这样可以保证水不致于倒流进入管道；加热时产生的水蒸气从置于顶部的管道进入暖气片A，流经阀门B再回到水箱中.此处用气压与电压进行类比，更接近于学生的认知规律.改进后的装置既保留了实物的真实性，又进行了适当的简化，是学生可以理解与接受的.

3英国教科书的处理方案

英国利兹大学科学与数学教育研究中心所编写的《教学科学的理解——电路》一书，也采用了类比的方法，其基本思路如下：将电池类比为面包店，将用电器（灯泡）类比为超市，将电荷类比为运载面包的货车.详细类比如图6、图7所示.

图6的顶部为面包店，底部为超市.面包店老板把面包装上货车运走；每辆货车均将面包运到超市；货车在超市把面包卸下，在那里顾客把面包买走；空货车返回到面包店再装上面包.

图7的顶部为电池，底部为灯泡.在电池中电荷收集能量；在线路中，电荷携带着能量运行；灯泡将电荷所携带的能量转化为光和热；电荷返回到电池中去收集更多的能量.

在这一类比方式中，将学生比较直观的面包店、超市分别与电源、用电器类比，形象且易于理解，同时将能量的概念有机地渗透了进去，应该是一个比较优秀的方案.

概念是在人们感觉、知觉和表象有效积累的基础上，通过分析综合、抽象概括等思维活动形成的，从这个角度来看，概念是抽象的；但是概念又不是凭空产生的，离开了感觉、知觉和表象的有效积累，人们就无法科学、有效地建构概念，从这个角度来看，概念是感性的.如果能将我国各教材普遍采用的“水泵、水轮机”方案与“面包店、超市”方案有机地整合起来，就可以兼顾各层次的学生、兼顾知识的抽象与感性，并可将能量的知识潜移默化地渗透进去.

4整合与创新

类比是一种推理的方法，根据两种事物在某些特征上的相似，做出他们在其他特征上也可能相似的结论.因而类比推理是一种或然性的推理，其结论是否正确还有待实践证明.那么，将尽可能多的相似的情景提供给学生，才可以提高他们的分析辨别能力.类比需要多次比较，而不是一蹴而就的.

41感性入手

出示：固定在示教板上的简单电路，闭合开关，灯泡亮了.

设问：灯泡亮，说明了什么？（有电流通过灯丝）

演示：灯泡正在发光时，取下电池，灯泡灭了.

设疑：电源在电路中有什么作用？电流是怎样形成的？今天，我们就来解决与此相关的问题.

分别呈现改造后的“土暖气”（图5）、“面包店、超市”（图6），请学生分析气流、车流的形成.展示电路图，分析电流的形成，形成初步的感性认识.

42理性辨析

以游戏“找朋友”展开：请同学们将以下器件归类找到各自的朋友，引导学生将炉子、面包店、电池对应起来，暖气片、超市、灯泡对应起来…….让学生经历一个理性分析并辨析比较的过程.

43系统建构

气压形成气流、面包店与超市之间的“供需关系”促进了车流的形成；电压形成电流.即：电压是形成电流的一个原因.电源是提供电压的器件.

思考：电流的形成还需要什么原因？

辨析：电路中有电压就一定有电流吗？电路中有电流就一定有电压吗？

师：现在，你能解释拔下电池，灯泡就不亮了的原因吗？

以上程序是一个分层递进的有机整体，其中感性入手是基础，理性辨析是保障，系统建构是关键，三者互为支撑，环环相扣，不可偏废.将两种类比糅合在在一起进行教学，相信是一种比较优秀的设计方案.不当之处，敬请诸位同仁批评指正.

参考文献：

[1]Andy Hind，John Leach，Jenny Lewis and Phil Scott.Teaching Science for Understanding：Electric Circuits.Centre for Studies in Science and Mathematics Education The University of Leeds

[2]陳清梅，刘志景，邢红军电压概念教学的研究[J]中学物理教学参考，2007（4）

[3]陈金秀，朱建廉浅谈概念的自然生长[J]物理教师，2012（6）

[4]彭宏宇“压强”教学设计及点评[J]中学物理教学参考，2009（12）