初中物理教学中电压概念的类比策略研究

■首都师范大学附属育新学校 杨晓峰 李 涛

电压在初中物理教学过程中是一个比较抽象的概念，为帮助学生降低理解难度，曾经有不同的观点。以现行的北师大版教材为例，水压是形成水流的原因，抽水机是保持水压的装置。与抽水机类似，电源就是把从电源正极经导线和用电器流向电源负极的电荷再从电源内部移到电源正极，在电路两端保持一定的电压，就能形成持续的电流。使用类比的方法可以帮助学生理解电压的作用。但如此类比仅仅是电压术语的类比，而且有研究者认为：把水压和电压对比来讲，容易使学生误认为电压本质上也是一种力。为了让学生了解电压在力方面的特性，从而理解电压是使电荷定向移动形成电流的原因，为此，我们认为使用类比法进行电压概念教学是有必要的。

导体中形成电流的原因，实质上是因为在电场力的作用下，导体中的自由电荷从高电势向低电势运动形成电流，电场力做功，将电能转化为其他形式的能。但初中生还没有学习电场的有关概念，那初中生是否学习过相似的科学知识呢？仔细审视初中生已学习过的内容，重力场与电场都是保守立场，电势差与地势差在科学上有很多相似之处。同时，初中生已经有了重力的概念，知道物体在重力的作用下，会从高地势向低地势运动，以及物体在运动过程中的能量转化。

一、对初中物理教材中有关电压概念的修改与补充

（一）微观电荷与宏观小球类比

电学中很多概念都是非常抽象的，初中生在学习过程中是很难凭空想象电荷运动的样子。认知负荷理论指出：知识本身的难易程度决定着内在的认知负荷，是无法改变的。而教师对知识的呈现方式则决定了外在的认知负荷。因此，为降低学生的认知负荷，将微观电荷比喻成宏观小球，将电流比喻成小球的流动。研究电荷定向运动形成电流的原因，也就可以通过研究水平放置的玻璃管中的小球运动情况来类比。

（二）电场力与重力类比

初中生虽然没有学习电场力，但已经知道电荷之间的相互作用力，即同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。同时，重力也可以说成是地球对小球的引力，将装满小球的玻璃管稍微倾斜，小球便在地球引力的作用下，由高地势向低地势流动，并且在此过程中撞击风车叶片对外做功。由此，学生很容易联想到在导体两端如果累积了正负电荷，导体中大量的自由电荷便会在电荷间的引力或斥力的作用下向某一个方向流动形成电流。为了增强学生的感性认识，增加演示实验。首先，使用静电起电机，使两个平行板带电，然后把一个氖管通过导线与两个平行板相连，可以清晰地看到氖管闪亮了一下。这样，学生能很直观地理解导体中的电荷是在电荷间的引力与斥力的作用下定向运动形成电流，并将电能转化为其他形式的能量。

（三）电势差与地势差类比

水平放置的玻璃管中的小球，虽然受到地球的引力，但这些小球是在同一水平面上即小球的地势相同，小球不会流动。只有当玻璃管倾斜时即存在地势差时，小球才会在地球引力的作用下由玻璃管的一端流向另一端。与此相似，电学中也存在类似地势的特征，也有高低之分即电势。由此，学生可以理解导体中的自由电荷是在电荷间的引力与斥力的作用下，由高电势向低电势流动从而形成电流，如果电荷在同一个电势面上则不会流动形成电流。所以导体中形成电流的条件就是要有电势差。另外，也可以指出电源外部电路的电势差就成了电压。由此，电压的概念才在学生的头脑中初步形成。

（四）电荷运动中的能量转化

物理概念只有结合实例才能使学生理解深入。充电后的平行板只能使氖管一闪而灭，正如被流动的小球撞击的风车不能持续转动。这是因为小球从高地势向低地势流动的过程中可以对外做功转化为风车的机械能，当小球都流到低地势处即处在同一地势时就不再流动。同时，在此可以指出并不是小球被消耗了，小球并没有消失，只是地势差没有了，小球的能量转移了。此时只有将小球再次搬运到高地势，小球才能继续流动持续对外做功。而将小球从低地势搬运到高地势就是外界对小球做功，是其他形式能转化为小球的机械能。与此相似，只有不停地把低电势的电荷搬运到高电势处，这个过程就是将其他形式的能转化为电能。电荷才能在力的作用下持续运动形成持续电流，才会对外做功，将电能转化为其他形式能，如此往复。搬运电荷的装置就称为电源，电源是提供电能与电压的装置。

二、研究总结与讨论

物理概念是客观事物的共同属性与本质在人脑中的反映，物理概念的生成既需要大量的感知活动、经验事实为依托，也需要依靠科学方法才能使学生形成清晰的物理概念。电压概念是一个非常抽象的科学概念，它既不是能量，也不是力，学生缺少直接的感性认识。类比法在物理学习中能帮助学生练习感性认识，拓宽物理图景，同时类比法又是极具物理特色的科学方法。因此，初中生使用类比法建立电压的概念是一个非常正确的策略。在教材中将电压与水压进行类比，电压的本质是电势差，是具有“相对”意义的物理量，有一定的空间距离感，而水压是一种力。因此，用水压比喻电压，效果不尽人意，而电势差与地势差有着很多相似的地方。同时，在初中阶段引入电势与电势差的概念并不会增加学生的认知负担，它作为概括性更高的先行组织者为电压概念的理解提供了观念上的“固定点”，并促使了知识的结构化，而且本设计在形式与科学性上都一一对应进行类比。使用类比策略更有利于学生直观地认识电压，从而更好地突破了学生对电压内涵认识的难点。

总之，在教学过程中，虽然使用类比、先行组织等方法能帮助学生建立电压的概念，但是，结合实例的应用更是学生理解电压的重要补充与延伸。因此，应后续安排学生用电压表测量导体两端的电压，帮助学生理解电压就是导体两端的电势差，从而取得更好的教学效果。