淺談資優(yōu)生學(xué)習(xí)遷移能力的培養(yǎng)
——以直交流電路教學(xué)為例

楊朋聚

(河北省石家莊市第一中學(xué)物理教研室，河北 石家莊 050011)

物理是一個(gè)古老而年輕的學(xué)科，物理學(xué)的發(fā)展，始終引領(lǐng)著人類對(duì)自然奧秘的探索，深化著人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí).高中學(xué)段的資優(yōu)生，有著比一般學(xué)生更為敏感直覺的物理素養(yǎng)，有著更為出色的物理觀念，更有著從物理視角認(rèn)識(shí)自然的文化自覺、思維習(xí)慣，因而如何引導(dǎo)高中學(xué)段的優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)行思維能力遷移，掌握科學(xué)的研究方法，養(yǎng)成科學(xué)的思維品質(zhì)，從而承擔(dān)更重要的社會(huì)責(zé)任，顯得尤為重要.筆者結(jié)合直流、交流電路的教學(xué)實(shí)踐，淺談一下在這方面的嘗試.

1 恒壓源和恒流源的思想——電路動(dòng)態(tài)分析成熟思路的遷移

學(xué)習(xí)了閉合電路歐姆定律之后，學(xué)生對(duì)電動(dòng)勢、路端電壓、內(nèi)電壓等概念有了初步的認(rèn)識(shí)，掌握了一定的電路動(dòng)態(tài)分析技巧，但對(duì)于稍顯復(fù)雜的電路仍然理不清頭緒，感到無從下手，如果學(xué)生了解了恒壓源和恒流源相關(guān)知識(shí)，會(huì)對(duì)上述問題的解決大有裨益，相關(guān)內(nèi)容介紹如下.

(2) 恒流源：不論外電阻R如何變化，總是提供不變電流的理想電源為恒流源.因而實(shí)際電源可看作是一定的內(nèi)阻r與恒流源并聯(lián)的電流源，給電阻R供電，如圖1乙所示.根據(jù)并聯(lián)電路電流分配原理，實(shí)際電源E、r對(duì)外電阻R提供電流I為

甲

乙圖1

實(shí)際的電源既可看作電壓源，又可看作電流源，電流源與電壓源等效的條件是電流源中恒流源的電流等于電壓源的短路電流.利用電壓源與電流源的等效性可使某些電路的計(jì)算簡化.

圖2

例1.如圖2所示電路中的電表均為理想電表，電源為恒流源，即不管外電路的電阻如何變化，它都能提供持續(xù)的定值電流.當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭向上滑動(dòng)時(shí)，電壓表的讀數(shù)變化量與電流表的讀數(shù)變化量之比的絕對(duì)值是

(A)R0. (B)R1.

(C)R2. (D) 不能確定.

在本題中，采用常規(guī)的方法學(xué)生錯(cuò)誤率較高，其根本是沒有將題目中的變化跟既往知識(shí)進(jìn)行有機(jī)關(guān)聯(lián)，純粹的數(shù)學(xué)運(yùn)算對(duì)于學(xué)生有湊巧之嫌，不具有通式通則性，如果是利用等效恒流電源思想，則會(huì)對(duì)這類問題有著很好的示范引領(lǐng)作用，為此，我采用下列方法講解：

圖3

圖4

圖5

通過上述處理，學(xué)生很容易能利用恒流源的逆向思維，結(jié)合已經(jīng)掌握的常規(guī)電路電源的外伏安特性曲線特性，快速得出正確選項(xiàng)是(B).對(duì)資優(yōu)生，如何引導(dǎo)他們將新學(xué)知識(shí)納入到既有的知識(shí)體系，構(gòu)建簡潔、通用的思維模型，是我們教師應(yīng)該時(shí)常反思的一個(gè)課題.

2 補(bǔ)償法測電源電動(dòng)勢——零顯示實(shí)驗(yàn)思維遷移

物理是一個(gè)實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)儀器的選擇、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，能很好體現(xiàn)對(duì)“科學(xué)探究”這一學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的要求.有利于培養(yǎng)學(xué)生提出科學(xué)問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力.

圖6

通常情況下，在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中用測量儀器對(duì)電流、電壓進(jìn)行測量時(shí)，由于測量電表的非理想性，不可避免對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生影響，因而造成測量誤差.惠斯通電橋法測電阻(如圖6所示)，則巧妙地消除了系統(tǒng)誤差(具體方法略)，實(shí)驗(yàn)構(gòu)思之精巧、邏輯之嚴(yán)謹(jǐn)，令人嘆為觀止，受其思路影響，我借機(jī)給學(xué)生介紹了補(bǔ)償法測電動(dòng)勢實(shí)驗(yàn)，也是著名的電表零顯示實(shí)驗(yàn)，以期能將實(shí)驗(yàn)思維進(jìn)行遷移.

圖7

圖8

電流表的零顯示實(shí)驗(yàn)、電源電動(dòng)勢等于電源的開路電壓，再結(jié)合分壓電路的特點(diǎn)，這幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)的碰撞定能幫助資優(yōu)生擦出靈動(dòng)的智慧火花，讓他們?nèi)ジ兄獙?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的精巧，去揣度、建構(gòu)理想模型，在解決實(shí)際問題中反思、成長.

3 變壓器反射電阻——恒定電流思維遷移

涉及變壓器的動(dòng)態(tài)分析問題，往往是學(xué)生感到困難的問題，相對(duì)而言，學(xué)生掌握恒定電路的動(dòng)態(tài)分析問題要更好一些，因此，我們不妨利用變壓器具有改變阻抗的特性，介紹等效電路和阻抗匹配等相關(guān)知識(shí)，將恒定電流中已有的思維模型遷移至此.

圖9

圖10

例2.(2011年“卓越”自招試題)心電圖儀是將心肌收縮產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)化為電壓脈沖的儀器，其輸出部分可用一個(gè)與大電阻(r=40 kΩ)相連的交流電源來等效，如圖10所示.心電圖儀與一理想變壓器的初級(jí)線圈相連，揚(yáng)聲器(可以等效為阻值為R=8 Ω的電阻)與該變壓器的次級(jí)線圈相連，在等效電源的電壓有效值U0不變的情況下，為使場聲器獲得最大功率，變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的匝數(shù)比約為

(A) 1∶5000. (B) 1∶70.

(C) 70∶1. (D) 5000∶1.

圖11

圖12

例3.(2019年河北省五個(gè)一中學(xué)聯(lián)考)如圖12所示，理想變壓器原線圈兩端A、B接在電動(dòng)勢E=8 V、內(nèi)阻r=2 Ω的交流電源上，理想變壓器的副線圈兩端與最大值足夠大的滑動(dòng)變阻器R及定值電阻R0相連，其中R0=2 Ω，變壓器原副線圈的匝數(shù)比為1∶2，當(dāng)電源輸出功率最大時(shí)，下列說法正確的是

(A) 滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值為2 Ω.

(B) 滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值為6 Ω.

(C) 通過滑動(dòng)變阻器的電流為2 A.

(D) 滑動(dòng)變阻器消耗的功率為8 W.

類似的題目還有2015年的全國新課標(biāo)乙卷、2016年的全國新課標(biāo)乙卷、丙卷，不再一一贅述.

物理是由概念、規(guī)律、定律等要素組成的，但物理并不僅僅是概念、規(guī)律、定律的混合體，而學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)是分章分節(jié)、條塊分割的，缺乏對(duì)知識(shí)內(nèi)在邏輯的聯(lián)想和貫通，常常會(huì)導(dǎo)致知識(shí)的碎片化，甚至彼此沖突、互不兼容.這就需要老師通過有意識(shí)、多方位的引導(dǎo)，通過對(duì)知識(shí)點(diǎn)的橫向聯(lián)系和歸納示范，讓這些優(yōu)秀的學(xué)生感受物理模型的簡潔和普適，感受自然學(xué)科相互關(guān)聯(lián)、高度概括、富有邏輯的魅力，從而形成科學(xué)態(tài)度、科學(xué)世界觀和價(jià)值觀，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)，使之能為人類科學(xué)事業(yè)的傳承與社會(huì)的發(fā)展做出貢獻(xiàn).