初中物理教學中電壓概念的類比策略研究

■首都師范大學附屬育新學校 楊曉峰 李 濤

電壓在初中物理教學過程中是一個比較抽象的概念，為幫助學生降低理解難度，曾經有不同的觀點。以現行的北師大版教材為例，水壓是形成水流的原因，抽水機是保持水壓的裝置。與抽水機類似，電源就是把從電源正極經導線和用電器流向電源負極的電荷再從電源內部移到電源正極，在電路兩端保持一定的電壓，就能形成持續的電流。使用類比的方法可以幫助學生理解電壓的作用。但如此類比僅僅是電壓術語的類比，而且有研究者認為：把水壓和電壓對比來講，容易使學生誤認為電壓本質上也是一種力。為了讓學生了解電壓在力方面的特性，從而理解電壓是使電荷定向移動形成電流的原因，為此，我們認為使用類比法進行電壓概念教學是有必要的。

導體中形成電流的原因，實質上是因為在電場力的作用下，導體中的自由電荷從高電勢向低電勢運動形成電流，電場力做功，將電能轉化為其他形式的能。但初中生還沒有學習電場的有關概念，那初中生是否學習過相似的科學知識呢？仔細審視初中生已學習過的內容，重力場與電場都是保守立場，電勢差與地勢差在科學上有很多相似之處。同時，初中生已經有了重力的概念，知道物體在重力的作用下，會從高地勢向低地勢運動，以及物體在運動過程中的能量轉化。

一、對初中物理教材中有關電壓概念的修改與補充

（一）微觀電荷與宏觀小球類比

電學中很多概念都是非常抽象的，初中生在學習過程中是很難憑空想象電荷運動的樣子。認知負荷理論指出：知識本身的難易程度決定著內在的認知負荷，是無法改變的。而教師對知識的呈現方式則決定了外在的認知負荷。因此，為降低學生的認知負荷，將微觀電荷比喻成宏觀小球，將電流比喻成小球的流動。研究電荷定向運動形成電流的原因，也就可以通過研究水平放置的玻璃管中的小球運動情況來類比。

（二）電場力與重力類比

初中生雖然沒有學習電場力，但已經知道電荷之間的相互作用力，即同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。同時，重力也可以說成是地球對小球的引力，將裝滿小球的玻璃管稍微傾斜，小球便在地球引力的作用下，由高地勢向低地勢流動，并且在此過程中撞擊風車葉片對外做功。由此，學生很容易聯想到在導體兩端如果累積了正負電荷，導體中大量的自由電荷便會在電荷間的引力或斥力的作用下向某一個方向流動形成電流。為了增強學生的感性認識，增加演示實驗。首先，使用靜電起電機，使兩個平行板帶電，然后把一個氖管通過導線與兩個平行板相連，可以清晰地看到氖管閃亮了一下。這樣，學生能很直觀地理解導體中的電荷是在電荷間的引力與斥力的作用下定向運動形成電流，并將電能轉化為其他形式的能量。

（三）電勢差與地勢差類比

水平放置的玻璃管中的小球，雖然受到地球的引力，但這些小球是在同一水平面上即小球的地勢相同，小球不會流動。只有當玻璃管傾斜時即存在地勢差時，小球才會在地球引力的作用下由玻璃管的一端流向另一端。與此相似，電學中也存在類似地勢的特征，也有高低之分即電勢。由此，學生可以理解導體中的自由電荷是在電荷間的引力與斥力的作用下，由高電勢向低電勢流動從而形成電流，如果電荷在同一個電勢面上則不會流動形成電流。所以導體中形成電流的條件就是要有電勢差。另外，也可以指出電源外部電路的電勢差就成了電壓。由此，電壓的概念才在學生的頭腦中初步形成。

（四）電荷運動中的能量轉化

物理概念只有結合實例才能使學生理解深入。充電后的平行板只能使氖管一閃而滅，正如被流動的小球撞擊的風車不能持續轉動。這是因為小球從高地勢向低地勢流動的過程中可以對外做功轉化為風車的機械能，當小球都流到低地勢處即處在同一地勢時就不再流動。同時，在此可以指出并不是小球被消耗了，小球并沒有消失，只是地勢差沒有了，小球的能量轉移了。此時只有將小球再次搬運到高地勢，小球才能繼續流動持續對外做功。而將小球從低地勢搬運到高地勢就是外界對小球做功，是其他形式能轉化為小球的機械能。與此相似，只有不停地把低電勢的電荷搬運到高電勢處，這個過程就是將其他形式的能轉化為電能。電荷才能在力的作用下持續運動形成持續電流，才會對外做功，將電能轉化為其他形式能，如此往復。搬運電荷的裝置就稱為電源，電源是提供電能與電壓的裝置。

二、研究總結與討論

物理概念是客觀事物的共同屬性與本質在人腦中的反映，物理概念的生成既需要大量的感知活動、經驗事實為依托，也需要依靠科學方法才能使學生形成清晰的物理概念。電壓概念是一個非常抽象的科學概念，它既不是能量，也不是力，學生缺少直接的感性認識。類比法在物理學習中能幫助學生練習感性認識，拓寬物理圖景，同時類比法又是極具物理特色的科學方法。因此，初中生使用類比法建立電壓的概念是一個非常正確的策略。在教材中將電壓與水壓進行類比，電壓的本質是電勢差，是具有“相對”意義的物理量，有一定的空間距離感，而水壓是一種力。因此，用水壓比喻電壓，效果不盡人意，而電勢差與地勢差有著很多相似的地方。同時，在初中階段引入電勢與電勢差的概念并不會增加學生的認知負擔，它作為概括性更高的先行組織者為電壓概念的理解提供了觀念上的“固定點”，并促使了知識的結構化，而且本設計在形式與科學性上都一一對應進行類比。使用類比策略更有利于學生直觀地認識電壓，從而更好地突破了學生對電壓內涵認識的難點。

總之，在教學過程中，雖然使用類比、先行組織等方法能幫助學生建立電壓的概念，但是，結合實例的應用更是學生理解電壓的重要補充與延伸。因此，應后續安排學生用電壓表測量導體兩端的電壓，幫助學生理解電壓就是導體兩端的電勢差，從而取得更好的教學效果。