初中物理電流概念教學模型比較分析及啟示

夏 莉 錢長炎 (安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241002)

自20世紀80年代科學建模教學理論誕生以來，科學模型及建模作為人們理解世界的重要途徑，受到了廣泛關注.科學建模教學理論提出者美國亞利桑那州立大學教授Hestenes認為物理研究的過程即是對自然世界建模的過程.明確將物理與建模關聯起來，體現模型教學對育人的重要價值.中學物理教學中，許多教學過程中需要構建模型.在電流概念教學的相關研究基礎上，發現在進行電流概念教學時，國內外不同的教科書構建了不同的物理模型進行教學，幫助學生了解科學本質研究發現主要有4種模型.現將這4種模型進行整理、分析比較，挖掘其中的教育價值，旨在為電流概念教學和教科書編寫提供新思路.

1 問題的提出

物理學研究物質的基本結構和運動的基本規律.在研究過程中，實際的事物和規律都是錯綜復雜的，常需要對它們進行必要的簡化，忽略次要因素，突出主要因素.物理模型就是用理想化的方法將實際中的事物和規律進行簡化，幫助人們理解復雜事物和規律，研究不易觀察到的現象，透過現象、看到本質的一種重要的研究方法[1].在我國新頒布的普通高中物理課程標準中提出科學思維是學生物理學習的必備品格和關鍵能力，模型建構則是科學思維的重要要素，所以構建物理模型進行教學對培養學生科學素質至關重要[2].物理概念是某類物理現象和物理過程的共同性質和本質特性在人們頭腦中的反映，是對物理現象、物理過程抽象化和概括化的思維形式[3].正是這一性質決定了物理概念的抽象性和概括性.因此，物理概念教學更需要概念模型的建構來幫助學生構建學習支架.

電流概念由于本身不可見、抽象的特性，并且在初中階段學生還沒學習電場的概念，故是學生初中物理電學部分學習的難點.相關研究表明了學生在學習電流概念之前有非常多的錯誤前概念，舉例如下：

(1)電流到某處會停下來，斷開的開關其前面有電流，后面沒有電流.

(2)電流的傳播需要時間，離正極近的小燈泡先亮，離正極遠的小燈泡后亮.

(3)串聯電路中電流“順序”消耗模型，離正極近的燈泡電流大，離正極遠的燈泡電流小.

(4)串聯電路中電流“分配”消耗模型:同樣的兩個小燈泡電流相等，電流等量分配，不同的小燈泡，亮的燈泡分配的電流多.

(5)串聯電路中電流的大小與導線的長短有關，離電源近的燈泡電流大，離電源遠的燈泡電流小[4].

學生受日常生活中的直接經驗影響或多或少地都存在錯誤的前概念，教師一般會使用各種各樣的模型來轉變迷思概念，通過類比使電流的形象“摸得著”.再通過問題鏈的形式建構電流.因此將各種常見的類比模型進行對比分析對初中物理教學來說是非常有必要的.

2 電流概念教學中4種類比模型分析

如何引入電流的概念才能培養學生的科學思維呢？筆者查閱資料發現國內外關于電流概念的教學中使用的模型一共有4種，分別是“水流類比模型”“自行車車鏈模型”“引力模型”“電子傳輸模型”.為了更好地幫助學生建立正確的電流概念有必要對這幾種類比方法進行比較分析.

2.1 4種類比模型的介紹

我們以蘇教版初中物理教科書[5]為例，介紹“水流類比模型”.如圖1所示，教材以水流來類比電流：“水流類比模型”就是將電流比作水流，將水流是水的移動類比成電流是電荷的移動.將水流動的動力水輪機類比成讓電荷移動的電源，水流流過水輪機，能夠使水輪機轉動起來類比成電流流過燈絲，使電燈發光.因其形象生動貼近學生生活，學生利于理解，在初中物理教材有著非常重要的地位.雖然這樣可以反映一些電流的特性，但是卻不能很好地使學生理解電流的方向性和瞬時性，還容易讓學生產生錯誤觀念.

水流通過水輪機，能使水輪機轉動起來，

“自行車車鏈模型”將運動的自行車鏈條類比成電荷.模擬圖如圖2所示，鏈條的移動類比成電荷的定向移動，將人踩踏板使自行車鏈條轉動類比成使電荷移動的電源.自行車消耗的是人的能量，燈泡消耗的是電源的能量.而鏈條的數量不會減少類比成燈泡消耗的是電源的能量而不是電荷，電流的數量也不會減少，電荷相當于電能的傳遞者.“自行車車鏈模型”既避免了將能量表示為一種物質，又顯示了能量可以在沒有物質載體實際運動的情況下移動，還有效地糾正了“電流消耗模型”“電流傳播需要時間”等錯誤前概念.

圖2 自行車車鏈模型

“引力模型”[6]就是將在引力作用下運動的物體比作電流.以蘋果為例模擬其示意圖如圖3所示，將向山下滾動的許多蘋果類比成電荷，將蘋果的滾動類比成電荷的定向移動，將蘋果滾動需要的勢能類比成使電荷移動的電源.蘋果滾動消耗的是重力勢能，燈泡消耗的是電源的能量，而蘋果的數量不會減少類比成燈泡消耗的是電源的能量而不是電荷，電流的數量也不會少，電荷相當于電能的傳遞者.這個模型可以很好地反映電流的方向性和糾正“電流消耗”，但是其不能很好地反映電流的瞬時性.傾向于用引力來類比電位差，將下山時勢能的損失比作“當正電從一個電位差較高的導體下降到電位差較低的導體時”所損失的能量.電流的引力模型被推廣是出于不同的原因.質量在重力場中的運動和帶電粒子在電場中的運動的數學形式是完全平行的.這顯示了物理學學科的一個寶貴特征:在不同的主題中概念結構的統一性.

圖3 引力模型

“電子運輸模型”[6]其模擬示意圖如圖4所示，就是將電流定義為帶電粒子在導線兩端的電位差影響下運動產生的，電子的定向移動產生了電流.這是目前在中學物理教學中使用的最符合事實的電流模型了，電路中正電荷不會運動，與運動的電子相遇就會阻礙其運動.但是它不能解釋電子是如何參與電子周圍的能量傳輸與分布的，并且需要一定的知識儲備，難度較大，不利于學生理解，一般會在我國高中物理教材中出現.

圖4 電子運輸模型

2.2 4種類比模型的教學效果分析

基于以上分析，不難看出各個模型都不能完整地表述出真正的電流概念，但一定程度上能夠糾正學生迷思概念，降低學生學習的難度，現總結分析如表1所示.

表1 布盧姆認知目標分類表

從表1可以看出，不同的電流類比模型都從不同角度反映了電流的某一特性，我們可以在教學中合理運用其優點來引入電流的概念.在我國初中物理教學中教師普遍會運用“水流模型”來進行電流概念的引入.因其生動形象貼切生活也確實能反映流動性，有著不可撼動的地位.但學生進一步正確理解電流概念仍有困難.于是教育研究者在學生的前概念基礎上將“水流模型”和“自行車車鏈模型”兩個模型整合，搭建腳手架來轉變學生錯誤前概念，很好地利用了兩個模型的優點[4].這也給教育教學帶來很大的啟示，我們可以在調查學生錯誤前概念的基礎上選擇合適的多種模型進行“類比腳手架模型”的建構來幫助學生克服前概念，掌握科學本質.

3 總結與啟示

在高中物理中我們學習到電流產生的真正原理是導線中電子在電場作用下定向移動，屬于場模型.但是在初中并未學習此類知識.所以我們只能選取某個結構模型來幫助學生理解抽象概念.雖然物理教育者之間可能會達成共識，即場模型是我們希望學生認識到的正確的模型，但在學習的特定階段，讓學生理解場模型是存在爭議的.所以我們要在教學中合理選取模型來進行教學.

這些電流概念教學模型盡管在初中物理課程中并沒有正式地流傳，但從某種意義上來說，它非常生動形象地表述了電流概念的某一個特征.因為它可以解釋觀察到的現象，特別是學生自己感到困惑的現象，并提出進一步的問題.學生關于電流概念又有非常多的前概念，教師可以在學生學習這節課之前調查學生的已有知識，做好學情分析，在講解這部分內容時，做到有的放矢.基于學生的前概念我們可以選取合適的模型來引入電流，幫助學生克服錯誤前概念，掌握電流概念本質.同時這也為中學物理抽象概念的教學提供了新思路.