SORT理论下原始物理问题的教学研究与启示

王昌恒 朱巧萍

摘   要：原始物理问题作为一类源于生活的实际问题，有其趣味性和实用性。同时，原始物理问题因其原始性、知识原理的隐蔽性等特点，使得学生在解决这类物理问题时往往存在困难。以SORT理论为基础，分析七个表征层次下家庭漏电保护器问题的解决思维，培养学生科学探究能力，提高学生科学素养。

关键词：原始物理问题；SORT理论；自组织表征理论；漏电保护器

原始物理问题是一类在社会生活实践中遇到的未被加工的物理问题，它与练习册、试卷中的习题最大的区别在于是否经过人为的加工，学生往往有较强的根据已知条件解决物理习题的能力，但当遇到未被加工的、具象的原始物理问题时却无从下手[ 1 ]。当下碍于繁重的考试负担和升学压力，学生所解决的物理问题都是由出题者“精心设计”的物理习题，其中包括已经建构好的物理模型和恰到好处的数值大小等等。一来在这种“题海战术”中学生会感到疲惫，难以培养学习物理的兴趣；二来这种问题解决模式让学生直接跳过了抽象、简化、建模、赋值等过程，与实际情况有较大的差距，不利于学生科学思维的培养，与课标要求的教学目标存在裂隙[ 2 ]。

1  SORT理论与漏电保护器

1.1  SORT理论——自组织表征理论

邢红军教授在协同学理论的基础上，提出了解决物理问题时的自组织表征理论（Self-Organization Representative Theory），简称SORT理论。SORT理论认为，学生在分析原始物理问题时存在七个表征层次，且七个层次不一定会依次出现，原始物理问题的解决是一个连续且又突变、独立且又关联、控制且又自发、协同且又竞争、必然且又偶然的过程[ 3 ]。解决物理问题的过程中七个表征层次各自发挥其重要作用的同时，彼此之间又有着密切联系，共同构成一个整体的解决物理问题的思维模式。通过自组织表征理论下各表征层次间的循环往复和共同作用，促进学生认知发展，强化对知识的理解与迁移。七个表征层次及其内涵如图1所示[ 4 ]。

1.2  原始物理问题——漏电保护器

随着社会发展和人民生活条件的提高，家庭用电需求在人们日常众多需求中占有越来越重要的地位，安全用电问题也在逐渐为人们所重视。家庭电路的总干路上往往接有一个漏电保护装置，用电过程中发生漏电事故时，它就会自动跳闸断开电路，保障用电安全。该设备还设有试验装置，当家庭用电器正常工作且未发生漏电事故时，按下试验按钮，电路就会自动断开，以此来检查漏电保护器是否能正常工作。如图2所示为一个漏电保护器，这样的保护装置内部有什么工作原理？又运用了哪些电学和电磁学知识？

2  SORT理论在“漏电保护器”问题中的应用

2.1  定向表征

打开漏电保护器的外壳，观察其内部结构如图3。根据漏电保护器的工作特点，可初步判断该问题是一个有关电磁学的物理问题，学生进而可以在大脑中跳跃性地提取电学、电磁学的相关知识，对该问题形成初步认识。根据电磁铁上方的金属脱扣向下扳动即可断开电路可判断用到电磁铁通电后具有磁性的知识，根据感应线圈上缠绕的零线和火线可判断用到了电磁感应知识。家庭用电和线圈中的感应电流都并非直流电，而电磁铁通入直流电才会带有磁性，说明电路板中还有整流装置，用到了电学方面知识。

2.2  抽象表征

整个漏电保护装置中，有电磁铁、感应线圈、电路板、开关等各种电学器件，电路板中又有电阻、二极管、电容等器件。将内部结构中涉及到的实物模型转变为理想化的物理模型，忽略微小量，方便分析和讨论；将家庭用电视为理想的交流电，感应线圈中的磁通量一旦发生变化，线圈两端就会激发感应电流；电路板中的二极管为理想二极管，即正向电阻为零，反向电阻为无穷大；经过整流的交流电会变为直流电，直流电流经电磁铁会使其产生磁性，吸附上方的金属脱扣，将电路断开。

2.3  图像表征

实物模型线路复杂，不能直观地分析现象和问题。通过观察漏电保护器的内部线路，借助形象思维，用合适的图像描绘出家庭漏电保护器的内部器件模型简图。如图4，火线和零线经过开关后分别在感应线圈上绕一圈，然后接入用电器，感应线圈中的两根导线经过整流单元之后连接电磁铁。试验电路一端接在绕经线圈之后的火线上，一端接在绕经感应线圈之前的零线上。

整流单元主要由二极管整流桥、滤波电容等器件组成，借助观察法并查阅相关资料，得如图5所示的整流单元结构简图。

2.4  赋值表征

為了方便解决问题和分析叙述，需要对漏电保护器中所涉及的物理量进行必要的赋值，其中包括电流、磁场、磁通、匝数等。设任一时刻绕经感应线圈的火线和零线电流分别为I和I，二者在线圈中激发磁场分别为B和B。感应线圈的横截面积设为S，总匝数设为N，感应线圈上导线两端的总电阻设为R。当通过线圈的磁通量φ发生变化时感应电动势为E，感应电流为I。

2.5  物理表征

2.5.1未发生漏电事故时

电路正常工作且未发生漏电事故时，流经感应线圈的电流，二者在线圈中激发的磁场相互抵消。此时感应线圈中没有激发感应电动势，电磁铁中无电流通过，金属脱扣无响应。

2.5.2发生漏电事故时

此时，流经火线的电流没有全部回流至零线，而是一部分流向了大地，所以有。因为家庭用电不是直流电，激发的磁场也不是恒定的磁场，所以在感应线圈两端激发交变的感应电流。

2.5.3二极管整流桥的作用

利用二极管的单向导电性，对交变的感应电流进行整流。两种情况下的电流流向如图6。

2.5.4滤波电容的作用

电容是具有储电功能的电学器件，当脉冲直流电大于某一固定值时，电容充电；反之电容将和脉冲直流电一起为电磁铁供电。一般情况下，滤波电容的容量越大，其起到的滤波效应就越好。在电容有序地充放电过程中，使电磁铁两端的电流大小趋于稳定。稳恒电流作用于电磁铁，使电磁铁吸引金属脱扣，将电路断开。

2.5.5试验电路的原理

按下试验按钮时，相当于人为模拟了一次漏电事故。绕过感应线圈的火线流经电阻之后直接流入绕线圈之前的零线内，所以有，漏电保护器进行上述响应，最终将电路断开。设计一个试验按钮，是为了检查漏电保护器是否能正常跳闸，保障用电安全。物理表征下涉及的物理知识和概念如表1。

2.6  数学表征

2.6.1未发生漏电事故时

此时，流经感应线圈的电流。在任意时刻，二者在感应线圈中激发的磁场相互抵消。如图7。

2.6.2发生漏电事故时

2.6.4濾波电容的作用

滤波电容能在保证电流方向不变的情况下，减小ab、cd、ef、gh阶段中电流随时间的变化率，使电流波形趋于平缓，起到所谓“滤波”的作用，如图10。不同阶段中电容的充放电情况及电流流向如表2。

在整流桥和滤波电容的作用下，使得流经电磁铁的电流为大小和方向较为稳定的稳恒直流电。电磁铁通电后带有磁性，金属脱扣做出响应，将电路断开。从漏电事故发生到最终电路断开，漏电保护器的内部作用流程如图11。

2.7  方法表征

从漏电保护器的实物模型转换为理论模型，以及在整个理论分析的过程中，要用到观察法、模型法、推理法、科学归纳法等思维方法。在多种科学方法的共同作用下，强化学生对知识的理解，提高科学探究能力。

3  结语

原始物理问题因其本身特性，分析和解决原始物理问题往往需要多种思维方法的共同作用。通过对物理问题的七个表征层次，提高学生模型建构、逻辑推理的能力，对全面培养学生学科核心素养有重要意义。物理知识在生活中的运用场景并不是孤立的，一个原始物理问题往往要涉及到多个知识点。对物理问题的深度剖析，帮助学生厘清知识点之间的前后逻辑，明确知识点组合起来在生活中的应用，从而建立牢固的知识体系。

学生提出新问题、分析问题、解决问题的过程，就是对知识的迁移、建构、强化的过程；将所学知识应用于生活实例的过程，就是领悟学科特性、体会思想方法的过程[ 5 ]。时代和科技的发展日新月异，人们日常生活中用到的产品、设施都在不断地更新迭代。教师也应站在时代发展的前沿，鼓励学生关心科技发展和社会进步，充分了解所学的物理知识在社会生活和科技发展中的重要地位，体现物理紧密联系生活的学科特性，提高学生学习兴趣。

参考文献：

［1］ 邢红军，陈清梅.论原始物理问题的教育价值及其启示[J].课程.教材.教法，2005（1）：56-61.

［2］ 蔡智勇，郝睿.表征手段下原始物理问题的教学研究与启示——以“斗拱”问题为例[J].中学理科园地，2022，18（1）：1-2，6.

［3］ 邢红军.自组织表征理论：一种物理问题解决的新理论[J].课程.教材.教法，2009，29（4）：60-64.

［4］ 李娜.自组织表征理论下原始物理问题的深度解答[J].中学物理，2021，39（4）：14-16.

［5］ 陈彬.原始物理问题教学与学科关键能力培养统整推进的价值探寻[J].中学物理，2021，39（14）：5-8.