基于學習進階的教學構建
——以“電動勢”教學為案例

陳東曉，周洪偉

（1.麗水市教育教學研究院,浙江麗水 323000;2.麗水第二高級中學,浙江麗水 323000）

1 問題提出

電動勢是高中物理《恒定電流》章節中的核心概念，同時也是電學教學的重點與難點。現行的教科版教材是通過比較不同電源標簽上的電壓引出電動勢概念的，當電路斷開時，電動勢大小等于路端電壓；當電路閉合時，從理論上推導出電動勢大小也等于內、外電壓之和。然而這種教學安排存在的弊端:一是從電壓引出電動勢的教學序，極易讓學生形成“電動勢即電壓”的思維定勢；二是只講述電動勢操作定義，并未揭示電動勢的本質特征。這就相當于引入新的物理量來代替電壓，學生很難深入理解電動勢的內涵，沒有解決電動勢是什么的問題。為了設法解決上述問題，擬提出學習進階的教學建構。

所謂的學習進階是指“對學生在一個時間跨度內學習和探究某一主題時，依次進階、逐級深化的思維方式”[1]。學習進階理論認為：學習是一個不斷積累、不斷發展的過程，學生對某一主題或核心概念的理解不是一蹴而就的，而是要經歷許多個不同的中間狀態，逐層進階，從“淺表”走向“深度”的過程[2]。基于學習進階的高中物理教學理應從學生的學習需求和學習體驗出發，教師要根據物理概念、物理規律、實驗探究等內在的邏輯規律來組織并優化教學過程。

2 學習進階的基本教學模型

基于學習進階的教學模型一般由學習進階的起點分析、學習進階的目標預設、學習進階的層級預設（其中包含多個不同水平層次的層級預設）、學習進階的效果評價4個部分組成，具體的學習進階流程如圖1所示，相關闡述如下：

圖1 學習進階流程圖

一是學習進階的起點分析。主要從兩方面進行分析：在內容上，從物理學史、知識結構、課程與教材、知識應用等角度分析知識間邏輯關聯及社會應用；在學情上，主要分析學生的前概念理解情況、掌握的技能和思維發展水平，以此來捕捉迷思概念。

二是學習進階的目標預設。進階目標主要是提前預設學生應該達到的水平層次和中間可能出現的問題。

三是學習進階的點和層級預設。進階層次主要是針對學生的現有認知水平，通過認知沖突策略讓學生暴露自己的原有認識，發現矛盾、解決問題，形成新的認識。通過搭建物理概念的腳手架策略、圖示策略等促進學生對核心概念的理解朝著最高層次的水平逐級發展。該階段是學習進階最為關鍵的環節，一般為達到學習進階高層目標要設立若干進階層次，讓學生不斷地從低水平層次到高水平層次，最終達到終極目標。

四是學習進階的效果評價。通過制定評價示例，隨時跟蹤學生的思維水平，過程性評價與終結性評價并進，根據課堂反饋，教師隨時調整教學設計，根據課后檢測結果，對教學進行診斷與改進。

3 學習進階的具體案例

3.1 進階起點

針對某一特定物理概念學習的進階起點是建構該概念所必需的已有知識和關鍵能力，即為學生關于該概念的前認知。概念教學需要全面了解學生的相關知識層次和能力水平，依據學生已有知識和能力水平精準確定進階的起點。根據以往的教學經驗，雖然學生已知曉電流成因及歐姆定律內容，但一般學生對電學現象的感性認識較少，使得學生在學習電學時普遍感到困難，其中電動勢的教學更是教學難點。而電動勢是貫穿“恒定電流”“電磁感應”“交流電”等章節的核心概念，將直接影響其后續的電學學習。為全面了解不同學生已有的知識和能力水平，特設計了如下的診斷性問題：

（1）導體中產生電流的條件是什么？

（2）將小燈泡接入充過電的電容器兩端，能觀察到何現象，為什么？

（3）使導體中形成持續電流的條件是什么？

（4）持續的電壓可由什么裝置來提供？

設置上述4個問題，引導學生積極思考、獨立作答，以起到復習熱身的效果，同時統一學習進階的起點，進一步強化學生理解并掌握電源的作用是保持導體兩端有一定的電壓。

3.2 進階目標

“電動勢”學習進階的目標:若從動力學角度分析，電源內部的電場強度方向與正電荷的移動方向相反，靜電力會阻礙正電荷的定向運動，得出引入“非靜電力”必要性；若從能量轉化和守恒角度分析，外電路將電能轉化為其他形式的能，內電路將其他形式的能轉化為電勢能；若從教學方式角度分析，運用類比思想，以升降機模型使喜洋洋在電動軌道和滑梯部分內循環運動與正電荷在內、外電路中的定向移動進行類比，能加深理解電源的作用；若從科學探究角度分析，利用電壓表測量內、外電壓，定量分析內、外電壓與電動勢的數量關系，對特定電源的外電壓雖會隨外電路的改變而變化，但電動勢數值保持不變。學生能在獨立分析電路的基礎上，準確解決電壓、電動勢、非靜電力做功等問題。

3.3 進階層級

進階層級是學習進階最為關鍵的環節，一般為達到學習進階的目標要沿著“設置情境—聯想類比—引出概念—揭示內涵—深化拓展”這5個進階層級，具體從“電源是能量轉換器—電源是電荷搬運工—電動勢的本質特征—電動勢與內、外電壓關系—現代生活常用電源”等層級展開論述，促使學生思維能力螺旋式發展，最終達成目標。

3.3.1 設置情境,引出電源是能量轉換器

通過之前的電學知識學習，學生已經知道電流的成因及電源具有保持導體兩端有電壓的作用。為何電源能源源不斷地產生電能，特設計了如下的問題情境，引導學生從能量轉化角度思考。

（1）小燈泡接入蓄電池兩端而發光；

（2）轉動手搖發電機，音樂盒會發出美妙的樂曲；

（3）在500 W的白熾燈燈光照射下，太陽能電動玩具車運動。

點評：以小燈泡發光、音樂盒播放樂曲、玩具車運動等生活中司空見慣的物理現象作為問題情境，能有效激發學生的學習興趣，使其主動參與、勇于探究、樂于思考，為引出問題設置了懸念。引導學生從能量轉化的角度分析，蓄電池、發電機、太陽能電池分別是將化學能、機械能、光能轉化為電能，以此體驗能量轉化形式的多樣性。電源具有將其他形式的能轉化為電能的特性，即電源是“能量轉換器”。

3.3.2 聯想類比,得出電源是電荷搬運工

雖然在金屬導體中能夠自由移動的電荷是自由電子，但為便于探究，按正電荷移動來進行討論，設計如下問題：

問題1在內、外電路中，電流方向如何？

問題2正電荷在外電路中為何能定向移動？

問題3正電荷在電源內部移動的原因是什么？誰提供了動力？

問題4從力學角度分析，電源的作用是什么？

如圖2所示，電源內部存在由正極指向負極的電場，然而正電荷的移動方向與其所受電場力的方向相反，根據電荷守恒定律，電源必須把正電荷源源不斷地從負極搬運到正極，這就需要電源提供動力:“非靜電力”作用于正電荷。如圖3所示為升降機玩具模型，通過電路與升降機玩具模型的類比分析（詳見表1），可以促進學生對“非靜電力”概念的理解[3]。

圖2 電路

圖3 升降機玩具模型

表1 電路與升降機玩具模型的類比分析

點評：借助升降機玩具模型，將電源中的“非靜電力”與升降機模型中的“非重力”進行類比，促進遷移，加深學生對電源中“非靜電力”概念的理解。同時列舉手搖發電機、干電池的非靜電力分別是電磁作用、化學作用。雖然非靜電力的產生機理不同，但它們的共同點為電源是“電荷搬運工”。

3.3.3 引出概念,揭示電動勢的本質特征

在上述的類比教學過程中，把電源類比為提升裝置、非靜電力類比為非重力，因此，我們探究非靜電力做功本領可從研究非重力做功本領入手，以期探明電源電動勢的本質特征。

實驗：如圖4所示，讓男生與女生同時吹氣提升砝碼。男生吹的砝碼為50 g，女生吹的砝碼為20 g[4]。女生吹的高度比男生高，是否說明女生吹氣本領比男生強？

圖4 吹氣提升砝碼裝置

學生：不是。男生吹的砝碼比女生吹的砝碼要重，這樣不公平。

教師：怎么辦？

學生：男女平等，應該要吹同樣的砝碼，誰吹的高誰本領強。

再次比賽，男生、女生同樣吹50 g砝碼，結果是男生吹的高度要比女生升得高，合乎常理，一片歡騰。吹氣提升砝碼過程中克服重力做功，升得越高，克服重力做功越多，增加的重力勢能就越多，表明“非重力”做功的本領越大，即將其他形式的能轉化為機械能的本領強。

教師：如何比較電源將其他形式能量轉化為電能的本領大小？

學生：搬運相同電荷，比較非靜電力做功的大小。

教師：如果兩種電源搬運不同電荷量q，非靜電力做功W也不相同，如何比較？

學生：求比值，即比較W/q的大小。

教師：在靜電場中，研究哪個物理量時曾經用到類似的方法？

學生：電場強度，用F/q的比值進行求解。

教師：在某一過程中干電池將2 C正電荷從負極搬運到正極做功3 J，而蓄電池將1 C的正電荷從負極搬運到正極做功2 J，比較這兩類電源非靜電力做功的本領強弱……

點評：學生極易混淆電動勢與電場力做功的概念。經男生、女生吹砝碼比賽，激發學生認知沖突，究其原因是研究對象不同造成比賽結果的不公，以此進一步引導學生探索科學的比賽規則應創設條件。同理，在比較不同電源做功本領時，對于相同的電荷量可以比較其做功大小；如果電荷量不同，則比較非靜電力做功W與q的比值（W/q），體現從特殊到一般的研究方法，揭示了電動勢為表征電源將其他形式能量轉化為電能本領的物理量。

3.3.4 揭示內涵,探究電動勢與內、外電壓關系

根據皮亞杰的認知發展理論，學習的過程實際是學生主體進行同化和順應最后到達認知平衡的過程，學習是否有效就在于學生的認知結構是否受到刺激而發生了合理的改變。對某個電源來說電動勢是個定值，不同電源其電動勢具有相應的值。如圖5所示，當電鍵K斷開時，電壓表示數為1.5 V（符合學生的認知）；當電鍵K閉合后，觀察到電壓表示數減少；若滑動變阻器向右移動，則電壓表示數會進一步減少[5]。

圖5 測量電源電壓電路圖

上述實驗現象使學生感到十分意外，猶如平靜的水面投入了一塊石頭，蕩起了陣陣漣漪。這就與初中科學中所學電源的“電壓”不變產生認知沖突，急于想探究為何電源兩極間的電壓會隨外電路的改變而變化。

教師：減少的電壓究竟去哪了？

學生：減少的電壓可能分布在電源的內部，因為電源有內阻。

教師：外電壓U外、內電壓U內與電動勢E之間有何關系？

學生：猜測E=U外+U內。

教師：為什么？

學生1：不知道，憑直覺。

學生2：根據電路中內、外電路的串聯關系。

教師：如何證明？

學生：實驗驗證。

教師通過設置一系列環環相扣的問題鏈，引發學生去深入思考，從定性分析過渡到定量實驗，逐步撥開學生的疑團。如圖6所示是可調內阻的蓄電池，圖7為其對應的電路圖，其中探針A、B直接連接電源兩極，測得的是外電路電壓；探針a、b插在液體中測得的是液體電壓即內電壓。若改變電阻箱的數值，讀取對應的外電壓U外與內電壓U內，記錄的實驗數據詳見表2。

圖6 可調內阻蓄電池

圖7 可調內阻蓄電池電路圖

表2 外電壓U外與內電壓U內的關系

觀察、記錄并分析實驗數據，設置如下問題:

問題1外電壓減小時，內電壓如何變化？

問題2內、外電壓之和有何特點？可以得出什么結論？

問題3外電壓變化的本質原因是什么？

問題4電路斷路時外電壓與電源的電動勢相等嗎？

點評：通過上述的實驗探究，進一步驗證了學生的猜想，在實驗誤差范圍內，電源的電動勢在數值上等于內、外電壓之和。導致路端電壓U外小于電動勢E的根源就在于電源有內阻，起到分壓效果。而電動勢是一個不受電源外部條件影響的恒量，與電壓有本質的區別。

3.3.5 深化拓展,探析現代生活常用電源

讓學生通過查閱書籍、說明書或者上網查詢生活中常用電池、新能源電池等，了解其電動勢、工作原理、應用及危害。關注實際生活，培養科學態度與責任，強化環保意識。

問題1解剖普通干電池，觀察其內部結構，了解其工作原理及內電阻成因。

問題2閱讀普通干電池使用說明，探究為何新、舊電池最好不要混合使用。

問題3測量西紅柿、蘋果、獼猴桃、土豆等水果電池的電動勢。

問題4調查純電動汽車電源電動勢、電容等參數。

問題5調查哪些種類的電池對環境有較大的污染。調查生活中的各種電池，并要求學生任選上述的兩個問題撰寫調查報告。小組合作、交流分享研究成果，倡導節約用電、科學回收的環保理念。

點評：在教材“科學漫步”欄目中列出了生活中的電池，并調查常用的可充電電池，但是有些電池已經被淘汰，內容顯得不合時宜。教師借助網絡、書籍、調查研究等手段整合課堂內外資源，讓學生了解純電動汽車的電池、光伏電池等現代能源，這樣既使學生感受到科技魅力又升華了教育價值。

4 結語

綜上所述，本節課的教學設計是從學生認知的角度切入，以“情境創設—非靜電力—做功本領—內外電壓關系—現代生活常用電源”為教學主線，符合學生的認知發展規律，通過邏輯推理與實驗探究建立電動勢的概念，并逐步深化理解。從教學效果看，本節課的教學是從能量轉化出發，借助實驗探究問題的本質，課堂氣氛活躍，體現以生為本教育理念。通過現象觀察激發學生思考，創設問題啟迪學生的思維，讓電動勢這個抽象的物理概念與日常生活緊密結合，使學生體驗到物理源于生活、服務于生活，有效激發了學生的學習興趣和探究欲望，在不知不覺的討論中突破了教學難點，達到了預期的教育教學效果。總之，本文提出的基于學習進階的高中物理概念教學五步法模式簡潔明了、結構完整、操作簡單、便于推廣。

5 致謝

本文在完成過程中得到了麗水市“綠谷名教師”培養工程理論導師任清褒教授的精心指導，特此致謝！