初中物理电流概念教学模型比较分析及启示

夏 莉 钱长炎 (安徽师范大学物理与电子信息学院 安徽 芜湖 241002)

自20世纪80年代科学建模教学理论诞生以来，科学模型及建模作为人们理解世界的重要途径，受到了广泛关注.科学建模教学理论提出者美国亚利桑那州立大学教授Hestenes认为物理研究的过程即是对自然世界建模的过程.明确将物理与建模关联起来，体现模型教学对育人的重要价值.中学物理教学中，许多教学过程中需要构建模型.在电流概念教学的相关研究基础上，发现在进行电流概念教学时，国内外不同的教科书构建了不同的物理模型进行教学，帮助学生了解科学本质研究发现主要有4种模型.现将这4种模型进行整理、分析比较，挖掘其中的教育价值，旨在为电流概念教学和教科书编写提供新思路.

1 问题的提出

物理学研究物质的基本结构和运动的基本规律.在研究过程中，实际的事物和规律都是错综复杂的，常需要对它们进行必要的简化，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将实际中的事物和规律进行简化，帮助人们理解复杂事物和规律，研究不易观察到的现象，透过现象、看到本质的一种重要的研究方法[1].在我国新颁布的普通高中物理课程标准中提出科学思维是学生物理学习的必备品格和关键能力，模型建构则是科学思维的重要要素，所以构建物理模型进行教学对培养学生科学素质至关重要[2].物理概念是某类物理现象和物理过程的共同性质和本质特性在人们头脑中的反映，是对物理现象、物理过程抽象化和概括化的思维形式[3].正是这一性质决定了物理概念的抽象性和概括性.因此，物理概念教学更需要概念模型的建构来帮助学生构建学习支架.

电流概念由于本身不可见、抽象的特性，并且在初中阶段学生还没学习电场的概念，故是学生初中物理电学部分学习的难点.相关研究表明了学生在学习电流概念之前有非常多的错误前概念，举例如下：

(1)电流到某处会停下来，断开的开关其前面有电流，后面没有电流.

(2)电流的传播需要时间，离正极近的小灯泡先亮，离正极远的小灯泡后亮.

(3)串联电路中电流“顺序”消耗模型，离正极近的灯泡电流大，离正极远的灯泡电流小.

(4)串联电路中电流“分配”消耗模型:同样的两个小灯泡电流相等，电流等量分配，不同的小灯泡，亮的灯泡分配的电流多.

(5)串联电路中电流的大小与导线的长短有关，离电源近的灯泡电流大，离电源远的灯泡电流小[4].

学生受日常生活中的直接经验影响或多或少地都存在错误的前概念，教师一般会使用各种各样的模型来转变迷思概念，通过类比使电流的形象“摸得着”.再通过问题链的形式建构电流.因此将各种常见的类比模型进行对比分析对初中物理教学来说是非常有必要的.

2 电流概念教学中4种类比模型分析

如何引入电流的概念才能培养学生的科学思维呢？笔者查阅资料发现国内外关于电流概念的教学中使用的模型一共有4种，分别是“水流类比模型”“自行车车链模型”“引力模型”“电子传输模型”.为了更好地帮助学生建立正确的电流概念有必要对这几种类比方法进行比较分析.

2.1 4种类比模型的介绍

我们以苏教版初中物理教科书[5]为例，介绍“水流类比模型”.如图1所示，教材以水流来类比电流：“水流类比模型”就是将电流比作水流，将水流是水的移动类比成电流是电荷的移动.将水流动的动力水轮机类比成让电荷移动的电源，水流流过水轮机，能够使水轮机转动起来类比成电流流过灯丝，使电灯发光.因其形象生动贴近学生生活，学生利于理解，在初中物理教材有着非常重要的地位.虽然这样可以反映一些电流的特性，但是却不能很好地使学生理解电流的方向性和瞬时性，还容易让学生产生错误观念.

水流通过水轮机，能使水轮机转动起来，

“自行车车链模型”将运动的自行车链条类比成电荷.模拟图如图2所示，链条的移动类比成电荷的定向移动，将人踩踏板使自行车链条转动类比成使电荷移动的电源.自行车消耗的是人的能量，灯泡消耗的是电源的能量.而链条的数量不会减少类比成灯泡消耗的是电源的能量而不是电荷，电流的数量也不会减少，电荷相当于电能的传递者.“自行车车链模型”既避免了将能量表示为一种物质，又显示了能量可以在没有物质载体实际运动的情况下移动，还有效地纠正了“电流消耗模型”“电流传播需要时间”等错误前概念.

图2 自行车车链模型

“引力模型”[6]就是将在引力作用下运动的物体比作电流.以苹果为例模拟其示意图如图3所示，将向山下滚动的许多苹果类比成电荷，将苹果的滚动类比成电荷的定向移动，将苹果滚动需要的势能类比成使电荷移动的电源.苹果滚动消耗的是重力势能，灯泡消耗的是电源的能量，而苹果的数量不会减少类比成灯泡消耗的是电源的能量而不是电荷，电流的数量也不会少，电荷相当于电能的传递者.这个模型可以很好地反映电流的方向性和纠正“电流消耗”，但是其不能很好地反映电流的瞬时性.倾向于用引力来类比电位差，将下山时势能的损失比作“当正电从一个电位差较高的导体下降到电位差较低的导体时”所损失的能量.电流的引力模型被推广是出于不同的原因.质量在重力场中的运动和带电粒子在电场中的运动的数学形式是完全平行的.这显示了物理学学科的一个宝贵特征:在不同的主题中概念结构的统一性.

图3 引力模型

“电子运输模型”[6]其模拟示意图如图4所示，就是将电流定义为带电粒子在导线两端的电位差影响下运动产生的，电子的定向移动产生了电流.这是目前在中学物理教学中使用的最符合事实的电流模型了，电路中正电荷不会运动，与运动的电子相遇就会阻碍其运动.但是它不能解释电子是如何参与电子周围的能量传输与分布的，并且需要一定的知识储备，难度较大，不利于学生理解，一般会在我国高中物理教材中出现.

图4 电子运输模型

2.2 4种类比模型的教学效果分析

基于以上分析，不难看出各个模型都不能完整地表述出真正的电流概念，但一定程度上能够纠正学生迷思概念，降低学生学习的难度，现总结分析如表1所示.

表1 布卢姆认知目标分类表

从表1可以看出，不同的电流类比模型都从不同角度反映了电流的某一特性，我们可以在教学中合理运用其优点来引入电流的概念.在我国初中物理教学中教师普遍会运用“水流模型”来进行电流概念的引入.因其生动形象贴切生活也确实能反映流动性，有着不可撼动的地位.但学生进一步正确理解电流概念仍有困难.于是教育研究者在学生的前概念基础上将“水流模型”和“自行车车链模型”两个模型整合，搭建脚手架来转变学生错误前概念，很好地利用了两个模型的优点[4].这也给教育教学带来很大的启示，我们可以在调查学生错误前概念的基础上选择合适的多种模型进行“类比脚手架模型”的建构来帮助学生克服前概念，掌握科学本质.

3 总结与启示

在高中物理中我们学习到电流产生的真正原理是导线中电子在电场作用下定向移动，属于场模型.但是在初中并未学习此类知识.所以我们只能选取某个结构模型来帮助学生理解抽象概念.虽然物理教育者之间可能会达成共识，即场模型是我们希望学生认识到的正确的模型，但在学习的特定阶段，让学生理解场模型是存在争议的.所以我们要在教学中合理选取模型来进行教学.

这些电流概念教学模型尽管在初中物理课程中并没有正式地流传，但从某种意义上来说，它非常生动形象地表述了电流概念的某一个特征.因为它可以解释观察到的现象，特别是学生自己感到困惑的现象，并提出进一步的问题.学生关于电流概念又有非常多的前概念，教师可以在学生学习这节课之前调查学生的已有知识，做好学情分析，在讲解这部分内容时，做到有的放矢.基于学生的前概念我们可以选取合适的模型来引入电流，帮助学生克服错误前概念，掌握电流概念本质.同时这也为中学物理抽象概念的教学提供了新思路.