基于模型构建的概念教学尝试——以“电动势”教学为例

李茹新

(北京市朝阳外国语学校 北京 100012)

1 指导思想与理论依据

1.1 指导思想

基于《普通高中物理课程标准》指导教学.核心素养的提出决定了教育的终极任务就是提升人的素养.新形势下的物理教学活动应该是通过知识的学习使学生逐步形成重要的物理观念、关键能力和必备品格，进而提升学生的学科核心素养.

1.2 理论依据

(1)构建主义的学习观.学习是学习者构建知识的过程，每个学生都在以原有的知识经验为基础构建自己的理解.学生通过高水平的思维活动来学习，通过问题解决来学习.

(2)物理教学的基本特征理论模型.以创设问题情境为切入点，以观察实验(事实)为基础，以培养学生思维能力为核心，以提升学生探究能力为重点.

2 教材分析

人教版教材提出了“非静电力”，让学生从力和运动的角度认识到电源内部非静电力的存在，进而得出非静电力在电源能量转化过程中发挥的作用.然后将电源与抽水机类比，从不同抽水机使单位质量的水增加的重力势能不同过渡到不同的电源使单位电荷增加的电势能不同，进而引入电动势的概念.这样的设计体现了教材化抽象为形象的讲授思路.但不可否认教材并没有从正面分析，这使得该概念在学生头脑中一直模糊笼统，甚至还会跟电压混淆，更无从谈及电动势由非静电力的特性决定等更深层次的理解了.

3 难点突破思路

学生对电源电动势的认识大致可以分为如图1所示几个阶段，如何从“电源内部存在非静电力”进阶到“建立电动势概念来表征电源将其他形式的能转化为电能的本领”，是本节的难点.

图1 学生对电源电动势认识的几个阶段

4 学习资源和器材准备

1号干电池、电容器(2 700 μF,6.3 V)、家用指针式钟表、红蓝两种颜色的磁力黑板贴、自制土豆电池、J0401A型指针式演示电表、手摇发电机、太阳能投光灯、数字多用表、3 V纽扣电池、9 V叠层电池、各种水果、铜片、锌片、导线若干.

5 教学环节

5.1 情景引入 认识电源的作用

对于一个完整的电路来说，电源可以说是其“心脏”，今天我们就来认识一下电源.

实验观察：教师展示未安装电池的钟表不工作，演示电容器放电使钟表短时间工作，如图2所示.

图2 演示电容器放电使钟表短时间工作装置

师：钟表工作说明电路中产生了电流，电流是如何形成的？

生：电容器的两个极板存在电势差，使导线中产生了电场，自由电子在电场力的推动下发生了定向移动.

师：钟表为什么工作了一会儿又停了？

生：电容器放电完毕后，两个极板电势差消失，电路中不再有电场推动电荷移动，电流消失，钟表就停止工作了.

学生活动1：画出草图，用磁力黑板贴模拟该过程，如图3所示.

师：电子在流动时，其电势能如何变化？

生：电势能转化为焦耳热.

师：用什么装置可以给钟表持续提供能量呢？

生：用电源.

图3 学生模拟电容器放电画出的草图

师：为什么电池可以使用电器持续工作呢？

生：电源可以把负电荷从正极经过电源内部搬运到负极，维持稳定的电势差，使回路中产生持续的电流.

教师通过动画模拟(如图4所示)，将电源与水泵类比：水泵可以把水从水位低的地方经过水泵送到水位高的地方，维持稳定的高度差，使管道中产生持续的水流；电源可以把负电荷从正极经过电源内部搬运到负极，维持稳定的电势差，使回路中产生持续的电流.

图4 动画模拟电源与水泵类比示意图

设计意图：以学生原有的认知作为起点，从电容器放电谈起，在此基础上通过对真实情境的思维加工，从电场的角度认识电源的作用，这样的生成比较平稳和牢固.这既符合学生的认知规律，又减小了新、老知识在思维上的台阶.小活动和动画模拟使电容器供电和电源供电过程清晰化，化抽象为形象，帮助学生从力和运动的角度理解电源的作用，有利于学生找出区别，易于理解.

5.2 动力学分析 发现非静电力

师：为何正电荷仍然能够不断地从电源负极回到正极？是靠电场力的作用吗？

学生活动2：组织学生绘制内外电路中的电场线，分析电荷的受力和运动情况.

生：电源内部一定存在一种和电场力方向相反的力,这种力一定不是电场力.

师：大家都同意这种看法吗？同学们的思路和推理非常正确！物理学中我们管这种力叫非静电力，其特点是将正电荷从低电势处搬运到高电势处.

师：在电源外部，电场力对正电荷做功为正功还是负功？正电荷的电势能如何变化？能量的转化去向是什么？

生：电场力做正功，电势能减小，转化为外电路的焦耳热.

师：在电源内部，电场力对正电荷做功为正功还是负功？正电荷的电势能如何变化？正电荷为何能够再次流向电源正极？能量又是如何转化的？

生：电场力做负功，电势能增加，非静电力克服电场力做功使正电荷再次流向电源正极，该过程其他形式的能转化为电势能.

教师总结：非常好，不难发现电源是通过非静电力做功将其他形式能转化为电能的一种装置.电源的这两种作用(维持两级稳定的电势差和将其他形式能转化为电能)都是通过非静电力实现的，这是它和电容器的本质差异.

实验演示：以土豆电池、手摇式发电机、太阳能投光灯为例介绍在不同类型的电源中，是不同形式的能量转化为电能，对应的非静电力一般也不同.

设计意图：通过在已有模型的基础上绘制电场线并进行运动和力的分析，培养学生的科学推理能力.学生自主探究发现非静电力，进而从能量转化与守恒角度定性地研究非静电力的作用，更深入地理解电源到底是怎么工作的，完成电源概念的进阶.通过动画模拟借助已有熟知的现象去理解这个陌生抽象的物理过程.

5.3 能量分析 建立电动势概念

师：我们再来介绍一种电源,实验表明，一些金属受到紫外线照射时会有电子射出，如图5所示.

图5 紫外线照射锌板有电子射出示意图

真空中一对平行金属板A和B正对放置，用紫外线持续照射A板时，会有电子逸出.如果用导线把A和B连起来，可在灵敏电流计中检测到电流，如图6所示.我们可以把该装置当成一种电源.这个过程能量是怎么转化的？

图6 检测紫外线照射金属板产生电流示意图

生：光能转化为电子的动能，再转化为电势能.

师：猜猜看，若把导线撤掉，这个孤立的电源内部依然能够不停地搬运电荷吗？

生：电源在搬运电荷时，内部电场不断增强，电荷受到的阻碍作用不断增强，最终达到稳定状态，两极形成一个稳定的电势差.

学生活动3：画出草图，用磁力黑板贴模拟该过程，如图7所示.

图7 磁力黑板贴模拟电势差形成过程

师：如果电子的电荷量为q，该过程非静电力做功为W非，电子离开A板时的动能为Ek，请利用所学知识，并从能量角度推导这个装置开路时稳定的电势差U.

生：由动能定理出发

W非=Ek-0

-qU=0-Ek

进而得到

生：不同的电源搬运相同数量电荷，非静电力做功不同.

师：U的大小能反映电源的特性吗？U的大小反应电源怎样的特性？

生：可以.U越大，电源把相同电荷从一极搬到另一极的过程中非静电力做功越多，转化的电势能越多.U可以反应不同电源将其他形式能转化为电能的本领.

介绍一些常见的化学电池及其电动势,组织学生从能量转化角度说一说铭牌上所标“电压”的物理含义.

师：除了从铭牌上得知电源的电动势之外，目前阶段我们可以利用电压表直接接在电源两端来进行粗测.

学生活动4：组织学生利用数字万用表粗略测定几种电源的电动势，如图8所示.

图8 测电源电动势器材

师：根据学生测定的结果，归纳总结不同的电源电动势一般不同，电动势大小由电源中非静电力的特性决定，实际使用时我们可以根据需要进行选择.

设计意图：考虑到常见的化学电池中非静电力的复杂性和带电粒子在磁场中受到的力学生还未涉及，故利用光伏电池构建一个真实的物理模型，更有利于学生从正面理解电动势的概念、意义和定义方式，也能让学生更深刻地体会到电源电动势的大小只由非静电力的特性决定.学生活动3的安排是为了使学生经历构建模型的过程，促进学生认识物理模型在探索自然规律中的作用，并让这个难于观测到的抽象过程形象化，便于学生从能量角度展开科学推理、科学论证.学生活动4旨在增加学生的实际体验，并为后续测量电源电动势和内阻的课程留下接口.

6 教学特色说明与教学反思

物理学是怎样的一门科学呢？笔者认为，物理学相比其他学科最显著的特点便是模型构建的思想.物理学的发展离不开模型的构建，模型的构建体现了人类在认识大自然过程中的独有智慧.不管是力学、电磁学、热学，还是近代物理的发展都无不伴随着模型的建立、修整和完善.因此，本节最大的特点是教学形态上从“理解知识”变为“进行创造”.

通过基于电源特征抽象出符合学生当前认知的物理模型，利用学生已有力学和电场知识从能量和动力学角度进行科学推理、论证，进而构建反映电源本质特征的概念电动势，为突破电动势概念的理解做了有益的尝试.