电动势教学的高端备课，本文主要内容关键词为：电动势论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、电动势教学的回顾与反思 电动势一直是高中物理教学的重点和难点，在教学中长期存在争论，争论的主题是要不要引入非静电力，并逐渐形成了3种不同的教学安排。 人教社“甲种本”用的是典型的电压引入方式。在课程设置上省略了非静电力，通过对比不同的电源两端电压不同，从而引出电动势是表征电源特性的物理量，大小等于没有接入外电路时两端的电压，也等于在外电路接通时内外电压之和。[1]这种教学安排与现行教材的教科版、粤教版、司南版基本相似。然而这种教学安排在逻辑上存在明显偏误。一方面，只在数值上对电动势进行定量表征，而不做定性的描述，学生很难真正理解电动势的概念。另一方面，从电压到电压的逻辑顺序，容易让学生形成“电动势就是电源没有接入外电路时两极间的电压”的思维定势，有学者指出“如果不从本质上对电动势这一概念有所了解，那又怎么能真正弄清两者的区别呢？”[2] 现行人教社教材代表了另一种引入方式。从非静电力做功引入，将电动势与电压分开，只在闭合电路的欧姆定律中引出两者的关系。在课程设置上先从电源、恒定电流讲起，电源保持恒定电流的原因就是电源内部存在“非静电力”，然后给出定义，电动势就是表征电源中非静电力做功能力的物理量。[3]这种引入方式虽然用非静电力将电源与电压区别开来，但并没有说明非静电力是如何产生的。在教学设计上与“甲种本”相比，其实就是引入另一种物理量来代替电压，依然没有解决电动势是什么的问题。对于这种教学安排，有学者就一针见血地指出，“非静电力本身是一个学生不易理解的概念，对学生学习形成障碍”。[4] 第三种教学安排以沪科版教材为代表，以电压引入，然后综合非静电力做功来进行教学。在课程设置上，首先实验探究电源内部的电压，然后引出符号E来表示不同电源内外电压恒定这一特性，最后以生活实例类比非静电力做功，赋予符号E的物理意义。[5]这种教学安排其实是综合了以上两种教学思路，但是反过来也保留了以上两种思路的问题。 综上所述，我们发现，如何有效进行电动势教学问题依然没有得到很好解决。因此，基于已有的研究进行新的探索，就成为本文的研究课题。 二、“非静电力”本质的研究与诠释 教学实践表明，虽然教材中写到“电动势等于非静电力将单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功”，但是学生对于非静电力是怎么产生的？是如何“搬运”正电荷的？一直以来都没有真正理解，导致学生头脑中不能形成电动势这一物理图景。而形成这个物理图景的关键，就是理解非静电力产生的来龙去脉。基于此，本文以伏打原电池实验为例，从4个方面诠释非静电力。 1.插入锌板与铜板，分析原电池微观机制 伏打电池是指将铜板和锌板插入稀硫酸溶液中形成的原电池。当锌板和铜板同时插入稀硫酸溶液中，锌板与稀硫酸作用的结果是：锌离子进入稀硫酸溶液中，电子留在锌板内，导致锌板带负电，进入溶液中的锌离子带正电。经过复杂的化学反应，最终溶液中的锌离子受锌板上负电荷的吸引，排列在锌板与溶液的接触面上，形成一层正电荷“薄膜”。由于铜的化学性质没有锌“活泼”，铜板与稀硫酸作用的结果是：铜板中的电子进入稀硫酸溶液，导致铜板带正电。与锌板表面发生的化学反应相似，最终溶液中的电子排列在铜板与稀硫酸溶液的接触面上，形成一层电子“薄膜”，如图1所示。
2.连接铜板和锌板，分析外电路的电子移动 连接锌板和铜板后，则连接锌板与铜板的导线就构成了外电路，虚线框内即为外电路，如图2所示。由于锌板带负电，锌板电势低，铜板带正电，铜板电势高。因此锌板中的电子受到铜板上“静止的”正电荷产生的静电场的吸引经外电路从锌板流向铜板，结果是：锌板中电子减少，铜板得到电子。
3.连接锌板和铜板，分析内电路离子的移动（非膜） 连接锌板和铜板后，则稀硫酸溶液就构成内电路，虚线框内为内电路，如图3所示。在内电路中，由于铜板得到电子，铜板电势降低，导致带正电荷的铜板与带负电荷的锌板之间形成的“板电场”变小。因此，由锌板附近带正电荷的“薄膜”锌离子层与铜板附近带负电荷的“薄膜”电子层形成的“膜电场”起主要作用，所以，就形成了一个等效电场
，
，方向向右。在电场
的作用下，稀硫酸溶液中带负电荷的硫酸根离子向锌板移动，在锌板附近与带正电荷的锌离子结合生成硫酸锌（
）同时，带正电荷的氢离子在电场
的作用下向铜板移动，在铜板附近与带负电荷的电子结合生成氢气逸出（
），由于电场
不是静电场，所以，带电离子在电场
中受到的力就是我们常说的非静电力。
4.分析电子和离子，理解非静电力本质 在外电路中，电子由锌板流向铜板形成电流。为了维持电流的恒定，原电池需要经由内电路（稀硫酸溶液）再把电子从铜板“搬运”回锌板。需要指出的是，此时非静电力“搬运”的不是电子（电子与氢离子结合生成氢气逸出），而是带负电荷的硫酸根离子。也就是说，溶液中的硫酸根离子“替代”了电子被从铜板“搬运”到锌板，从而形成了电源内部负电荷的“回流”。这就是非静电力作用的最本质物理图景，如图4所示，因此，内电路中带电离子的运动实质上是在电场的作用下发生的，所以，非静电力仍然是一种电场力而非“化学力”。
三、教学启示 电动势教学对不同引入方式讨论的过程，其实就是物理教学对“度”的权衡历程。具体来说，物理教学的“度”应该围绕3个主题展开，即教材内容的深广“度”，学生的可接受“度”以及教师教的程“度”。 1.教材内容的深广“度” 受“结构主义”影响，我国物理教材编写逐渐形成了“分散难点，螺旋上升”的传统。这种编写方式的特点是，以物理学的基本概念、规律为核心，螺旋式反复、逐层深入，逐渐扩展，直至学生全部掌握为止，这种教材编写方式是我国教材编写的优良传统。 然而，从初中到大学的电动势教材编写却只体现了“扩展”，却少有“深入”。以人教社初、高中教材为例，初中物理教材从电源的作用入手，引出电压的概念。高中选修1—1将决定电源两极电压的性质定义为电动势，高中选修3—1将产生电动势特性的原因定义为非静电力的作用，即使是大学电磁学，对电源电动势的讲解仍然是“暂且不问非静电力的具体起源”。[6—8]由此可见，教材对于电动势的处理只有简单的直线式概念累加，却鲜有概念的深化，这与我国优良的教材编写传统明显不相符合。 2.学生的可接受“度” 对于学生而言，影响可接受“度”除了自身因素外，主要取决于课程的难度。有研究认为，影响课程难度的基本因素至少有3个，即课程广度、课程时间长短以及课程深度。[9]因此，在课程时间一定，课程广度有限的情况下，课程深度就决定了课程的难度。 最近发展区理论认为，课程难度既不能过于简单，以至于学生一眼就看出来。也不能过难，使学生望而生畏。应该从学生已有的知识经验出发，保持一个“适度”的标准。具体到电动势教学，主要体现在学生能否顺利理解非静电力。有鉴于此，我们在教学设计中突出了建立电动势的“关键点”，弱化了对电偶层等稀硫酸溶液内部复杂化学作用的分析，转而启发学生运用等效思想与已有的知识建立联系，从而帮助学生逐步建构电动势的物理图景。 3.教师教的程“度” 原电池中非静电力的发生是内外电路交互作用的结果，因此，基于层层深入的视角对内外电路分析，就成为学生理解非静电力的关键。此外，内电路电场的分布对于学生来说较为复杂，因此应该忽略对内部电场的细节分析，转而抓住内部电场的主要因素，忽略次要因素，这是掌握非静电力本质的关键。 当然，上述关于电动势的高端备课，严格说来不是完美无缺的。但“过于刻板的定义有使精神被阉割的危险”。[10]因此，笔者认为在中学物理教学研究中，不要过分追求定义的严格。
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