高中“电流”概念的高端备课①

李 希 董鑫鑫 邢红军

(首都师范大学教师教育学院，北京 100037)

电流是高中物理的重要概念，也是学生学习的重点与难点。由于现行教材未能全面诠释电流概念的物理本质及定义式的得出过程，从而导致学生在学习中往往处于机械记忆状态，不能深入把握电流概念的物理本质。针对以上问题，笔者立足物理学描述范式，通过显化比值定义法，对电流概念及其定义式的得出进行符合思维逻辑的教学设计，以期为电流概念教学提供参考。

1 现行教材中电流概念的编写分析

在深入研究教材的基础上，笔者认为，该节教材的编写更偏重于“电流”，教材在“拓展学习”栏目推导了电荷定向移动的速率，又在“STSE”栏目对电源的工作原理进行了补充，舍去了上一版“电动势”的内容。教材内容的“去留”情况所折射出的编写意图是：电源可以在电路中提供恒定电场，从而说明恒定电流形成的物理本质。教材编写的这种处理方式存在的问题在于：教材直接将宏观层面的电流表现和微观层面的电荷量相联系，在缺乏引导性介绍的情况下就直接给出了电流的定义式，并不利于学生对电流概念的有意义建构。

笔者认为，学生在物理学习中不是去机械地记忆公式，而是要借助于科学方法，把握物理知识的本质。电流是采用比值法定义的，显然，只有借助于比值定义法，逐步揭示电流形成的物理本质，才能展现结构严密、逻辑清晰的教学过程，从而帮助学生更好地理解电流概念。

2 电流概念的高端备课

基于上述分析，高中电流概念的教学需要说明电流形成的来龙去脉，并在此基础上厘清电流和电荷量的关系，为此，笔者对高中电流概念的教学进行了如下设计。

2.1 巧用类比，诠释“场”描述范式下的电流本质

在电流概念的引入过程中，对于电流传输速度和电子运动速度的讨论，可以通过一个形象的比喻来处理，即：“为什么水龙头打开就能立即流出水，而停水后从水厂再次输送水到每家每户的时间却需要很久？”探究这个问题不难发现，初中对电流的描述属于“水龙头出水”，是在“路”的物理学描述范式下对电流进行的描述，主要关注的是一段电路或整个电路的特性和能量转换情况，教学的要求是让学生能够通过电流表直接测量或通过公式进行计算；高中电流的教学则属于“从水厂向家庭输送水”，需要考察电场系统中所发生的物理过程。因此，高中电流教学需要在“场”的物理学描述范式下进行，[2]分析单个自由电子在电场作用下的运动状况，从而阐释电流的物理本质。

需要明确的是，导体中自由电子同时参与无规则热运动和定向运动。自由电子的热运动方向是杂乱无章的，不会产生宏观电流。而定向运动则是在电场驱动下发生的，是产生电流的原因。根据所学的静电力知识，学生不难知道，电场强度的大小将直接决定自由电子的定向运动速率。在恒定电场中，自由电子在电场力作用下加速运动，又在和其他离子的碰撞中受到阻碍，因此自由电子表现为以一定的平均速率定向运动。当接通电源后，在恒定电场的作用下，电路中的自由电子便会发生定向运动，从而形成恒定电流。

教师还需要进一步说明：导体内自由电子的定向运动速率很小，要远远小于电流传输的速率。此时，学生不禁要问：为什么导体通电，电流都是瞬时产生的？对此，我们可以继续利用“自来水供应”进行类比，水厂提供了水压(电源提供电场)，水管中充满了水(导体内各处均有自由电荷)，只要打开水龙头便会流出水(在电场的作用下自由电荷便会发生定向运动)。而水流要从水厂到水龙头不是瞬间抵达的(自由电荷的定向运动速率小于电流速率)，水厂停水后，由于用户还要用水，所以水管里储存的水会全部流出去，但电路停电后，电路里的自由电子却始终都不会减少，这是水管里的水和电路里面的自由电子存在的不同形式。概而言之，电流的产生在于电源提供了电场，使得导体内的自由电荷发生了定向运动，在闭合电源开关的瞬间，电路中各个位置以接近光速的速率迅速建立了电场，整个电路中也就几乎同时形成了电流。

2.2 运用比值定义法，定量描述电流

基于“场”的物理学描述范式发现：电流大小与电场驱动的电荷量有关。为了得到电荷量和电流大小的关系，我们依据比值定义法的逻辑开展教学设计。

2.2.1 设计起点，直接比较通过导体横截面的电荷量来定义电流

首先，建立一个直观的物理模型(图1)，根据这一物理模型假设：将通过某一导体相同横截面的电荷量的多少作为电流大小的量度，看看是否可行？

图1

设在电源电压为2 V时，2 s内通过导体某一截面的电荷量为4C，导体内的电流为I1；改变电源电压为1 V，5 s内通过导体某一截面的电荷量为5C，导体内的电流为I2。这时教师向学生提问：能否用通过导体内某一横截面积电荷量的多少作为导体内电流大小的量度？若以这样的标准来量度，则有I2>I1。然而，电流表测量的结果却是I1>I2。这是为什么呢？教师可以引导学生分析，产生问题的原因在于：导体内的电流不仅与通过导体中某一横截面的电荷量多少，还与时间有关，因为自由电子做定向运动通过上述横截面需要花费时间。因此，为了确定电流，在比较通过导体中某一横截面的电荷量多少时，所花费的时间应该相同。于是，电流的定义就转化为比较在相同时间内通过导体中某一横截面电荷量的多少。

2.2.2 选取相同的时间比较通过导体横截面的电荷量，定义电流

不难发现，直接用通过导体横截面电荷量的多少并不能准确反映出导体内的电流大小。若想解决这一问题，在比较电荷量时，还需要选取相同的时间。于是引入时间变量t，用通过导体横截面的电荷量与所用时间的比值来定义电流(表1)。

表1

如表1所示，在2 s内，通过导体某一横截面的电荷量与时间的比值为2 C/s；而在5 s内，通过导体某一横截面的电荷量与时间的比值为1 C/s。这与电流表实际测量的电流数值相同,显然，当选取相同的时间标准后，电荷量与时间的比值就能够准确地反映出导体内电荷量流动的特性。然而，这个比值表达了什么样的物理意义？还需要展开进一步研究。

至此，我们似乎已经看出了电荷量与时间的比值的意义，然而，这仅仅是在数学上达成了这一观念认同。从物理学的角度出发，我们仍然需要进一步揭示其物理意义。

需要指出的是：电流大小是由电源产生的电场和通电导体所决定。在“场”的描述范式下，说明了电荷量和电流大小的关系，揭示了电流形成的物理本质。然而，电荷量通过导体相同横截面的物理模型忽略了导体本身的物理形态和属性。因此，对通电导体的物理性质进行深入分析，仍然需要在后续的“电阻”教学中展开进一步研究。

3 研究启示

基于上述研究，我们得到如下启示。

3.1 以物理学描述范式分析电流形成的物理本质

在高中物理概念教学中，很多物理概念往往是教材通过文字直接给出，学生只是机械地记忆物理概念，很难理解物理概念背后的物理本质。在这种情况下，学生往往只知道物理概念“是什么”，却不知道“为什么”。因此，在电流的高端备课中，我们需从物理学描述范式的视角，[3]基于“场”的描述范式，分析导体内的自由电子在场的作用下的运动状况，从而揭示电流形成的根本原因，这就将初中物理“路”的描述范式下的电流定义与高中物理“场”的描述范式下的电流定义进行了统一。这样的教学设计，不仅能够从宏观角度认识电路中的电流，而且也能窥视到导体内部自由电子微观运行的机制，不但解决了电流“是什么”的问题，还解决了“为什么”的问题。显然，基于物理学描述范式审视电流的教学，能够帮助学生重整电流的知识结构，并体现了物理学教学的本质。

3.2 按照比值定义法的步骤建立电流的定义式

比值定义法的本质是比较，就是根据一定的标准把彼此有某种联系的事物加以对照，从而确定其相同与相异之点，以便对事物做出分类。[4]因此，以比值定义法进行高中电流的教学设计，首先要确立比较对象，在场的描述范式下说明电流的形成与定向移动的电荷量有关，再选取时间作为比较的标准，使电荷量与时间的比值能够准确地表达在单位时间内电路中电荷量输送的多少，并最终阐释电流的物理意义。显而易见，只有运用比值定义法，才能够抓住学生形成电流概念的心理动因，从而较好地体现比值定义法的教学逻辑，促进学生学会科学的比较思想，从而达成核心素养的培养目标。

3.3 以类比方法帮助学生理解抽象的物理内容

伴随着物理学习过程的深化，高中物理概念的抽象性不断提升。由于学生的个体认知存在差异，物理认知发展水平往往滞后于理解教材内容掌握所对应的认知水平。因此，高中物理教学设计就需要在教材原有认知难度上进行降阶，使其更容易让学生接受、理解和消化。为此，根据高端备课的要求，在对电流内容进行深入分析后，以水流类比电流，以水量类比电荷量，以水厂类比电源，从而为学生构建出形象生动的生活化模型，并将此类比贯穿教学的全过程，使高中电流教学能够更接近学生的直接经验，为学生提供形象思考的空间，从而有效化解高中电流教学的难点，这为高中电流教学的进一步研究提供了较好的借鉴。