黄皓燕

(江苏省南京市金陵中学，江苏 南京 210005)

“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式；
是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程；
是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用；
是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格。“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。科学思维是物理学科核心素养的核心内容，科学思维的培养是物理教育的核心，也是物理教学的难点。笔者以“电源和电流”为例，指向科学思维提升进行教学设计，旨在有效培养学生的科学思维能力。

“电源和电流”是人教版高中物理必修第三册第十一章第一节的内容，本节内容要求为：初步建立电源的模型，知道电源是“搬运”电荷、维持电路电势差的装置。该教材将“电源电动势”放到了第十二章第二节“闭合电路的欧姆定律”中，而对于电源内部非静电力做功及内阻，笔者认为在学习了磁流体发电机、电磁感应等知识后，学生才会有更具体的理解。教材做这样的处理，让学生第一次接触电源时，仅从产生持续电流的角度理解电源，降低了学生学习电源的门槛，有利于学生对电源进行进阶学习。

恒定电流场模型的建立是学习的难点，教材采用了定性论证的方法，这样可以降低学习的难度，但学生不易理解，往往似懂非懂。笔者建议对学习能力较强的同学可以运用科学推理与论证的方式，利用逐层递进的问题，引领学生建构稳恒电流场模型，提升学生的科学思维能力。

课程标准针对科学思维，将质量学业划分为5级水平，笔者认为，对同样的情境、同样的问题、不同知识基础的同学，水平等级应该是不同的。根据学生学习“电源和电流”的认知基础，确定了本节内容的科学思维教学目标(表1)。

表1

4.1 电源模型的初步建构

4.1.1 创设情境，比较分类

师：请同学们观察图片，电闪雷鸣时，强大的电流使天空不时发出耀眼的闪光(图1)，但它只能存在于一瞬间，我们来模拟一下闪电的过程，请注意观察。

图1

实验1：使静电感应起电机起电，将两个放电球靠近(图2)。

图2

生：将放电球靠近，出现了闪电现象。

师：为什么会发生这样的现象？

生：两放电球分别带异种电荷，在两球间产生电场，存在电势差，当两球靠近时，它们间的场强增大到一定值时，空气分子被电离，瞬间形成放电电流。

师：同学们看一下，手电筒中的小灯泡能持续发光，这是为什么？

实验2：引导学生观察手电筒电路(图3)，回路里有电源(电池)、小灯泡、开关、导线，闭合开关，观察实验现象。

图3

现象：开关闭合后，小灯泡一直发光。

问题引领1：请同学们比较这两个实验现象，如何才能产生持续的电流？

生：小灯泡能持续发光的主要原因就是电路中有电源。

4.1.2 科学推理，建构模型

模型抽象：可以用导体球A和B表示静电感应起电机的两个放电球，起电后A球带正电，B球带负电，如何才能使电荷发生移动？

生：用一根导线连接A、B球。

师：用一根导线连接带等量异种电荷的A、B球，会发生什么现象？

生：导线中的自由电子由B向A移动，B失去电子，A得到电子，在导线中会形成电流，A、B之间的电势差很快消失，两导体成为等势体，达到静电平衡，此后自由电子不再移动，所以导线中的电流只会瞬间出现。

师：如何才能使导线中存在持续的电流呢？

生：给A球重新带上正电荷、B球重新带上负电荷。继续摇动静电感应起电机的手柄。

科学论证：学生一直摇动静电感应起电机的手柄，两个靠近的金属球间一直有电流产生。

生：通过一直起电，使A球、B球一直带有正、负电荷，这样导线中一直有电流流过。

迁移思维：使A球、B球一直带正、负电荷更简单的方法是什么？或者说，B球的负电荷(电子)去哪儿了?

生：通过导线给了A球。

师：所以更简单的方法是什么？

生：从另外的通道，将电子再从A球“搬回”到B球上。

师：如图4所示，可以通过装置P,将电子再从A球“搬运”到B球上，以维持A、B球间的电势差。

图4

类比迁移：如图5所示，A容器内的水位比B容器内水位高，所以，A容器内的水会自动流向B容器，当两容器内的水位等高时，水就不流动了。如果用抽水机将水从B容器中抽回到A容器中，源源不断地抽水，水也就源源不断地由A容器流向B容器。所以，电源就是“搬运”电荷的装置，可以叫“电泵”。不同的电源“搬运”电荷的方法不同，同学们课后可以查找资料，在后面的学习中我们也会逐步研究。

图5

4.1.3 设计思路

(1)在真实的情境中比较分类

笔者利用静电感应起电机现场模拟闪电，用简单的闭合回路还原手电筒电路。这样的改进激发了学生的学习兴趣，加深了学生对短暂电流与连续电流的感受,方便学生理解电源的本质，建构电源模型，也为电源的理论探究及下面的恒定电场分析提供了实物模型。

(2)理论探究与科学论证并重，科学推理与类比推理相呼应

将实体模型进行抽象，再根据电子在电场中运动的知识推理电流的形成过程及形成持续电流的条件：保持A、B球间的电势差，从而引入电源装置。同时通过水位差及水的循环流动类比电子在回路中的运动，形象生动，加深了学生对电源的理解。

4.2 恒定电场的建构

4.2.1 科学推理，建构模型

问题引领2：在有电源的电路中,导线内部的电场有何特点？

师：可以认为电源两极上带有等量异种电荷，那么电荷周围的电场如何？同学们可以试着画一下周围的电场线。

学生画出等量异种电荷周围的电场线(图6)。

图6

师：接通电路后，我们截取其中一段导线进行研究，如图7所示，导线内的自由电子受到电场力作用后沿电场线的反向方向运动到导线的M侧，就会积累负电荷(电子)，N侧积累正电荷，导线内部就形成了与导线垂直方向的感应电荷产生的电场E′，感应电场与电源电荷形成的电场相合成，将电源电荷形成的电场分解为沿导线方向上的Et和与导线垂直方向上的En(图8)，稳定后，感应电荷的电场强度E′与电源电荷形成的沿与导线垂直方向的电场强度En相等，方向相反，导线内的合电场沿导线方向(图9)。

图7

图8

图9

4.2.2 自主探究，科学推理

引导学生阅读课本中相关内容，思考问题：在有电源的电路中，电荷的分布有什么特点？

导线内的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。尽管这些电荷也在运动，但有的流走了，另外的又来补充，所以电荷的分布是稳定的，电场的分布也是稳定的，形成稳恒电场。

4.2.3 质疑创新，科学论证

问题引领3：在有电源的电路中，导线内的电场沿导线方向，那么电子会一直加速运动下去吗？

生1：会一直加速下去，因为自由电子受到与场强方向的相反的电场力作用，做加速运动，所以速度会越来越大。

生2：导线内部不是只有自由电子，还有带正电的原子核和不可以自由移动的电子，加速后的自由电子会与这些粒子碰撞，碰撞阻碍了自由电子的定向运动，结果是大量自由电子定向运动的平均速率不随时间变化，形成恒定电流。

问题引领4：你认为在有电源的电路中电流是恒定的吗？

生1：我相信，因为推理很合理。

生2：我们可以测量一下回路中的电流，看是不是恒定电流。

实验验证：将电流表接入回路中，观察电流表的读数。

实验结果：回路中的电流是恒定电流。

4.2.4 设计思路

(1)通过理论探究和定性分析，推理得出通电线路中的电场是稳恒电场，让学生了解导线内电场形成的机理，这是学生习得科学推理方法的有效途径。

(2)科学论证恒定电流。为什么通电导线内的电流是恒定的？通过理论探究及实验验证，并得出结论，提升了学生的质疑能力和论证能力。

4.3 恒定电流的研究

4.3.1 运用比喻，建构电流概念

问题引领5：如何描述电流的强弱？

师：在生活中，我们如何统计公路上的车流量？

生：在公路的某一截面处观察，统计相同时间(单位时间)内通过车子的数量(图10)。可以在电路的某一截面处统计相同时间(单位时间)内通过的定向移动的自由电子的数量。

图10

教师由此引导学生给出电流强度的定义。

4.3.2 科学推理，理解电流的微观本质

理论探究：如图11所示，AB表示粗细均匀的一段长为L的金属导体，导体的横截面积为S，两端加一定的电压，导体中的自由电子沿导体定向移动的速率为v，单位体积内的自由电荷数为n，自由电子的电荷量为e，导体中的电流是多大？

图11

取导线中的任一横截面D，可以让学生分步思考:

(1)在t时间内导体中通过横截面D的自由电子数是多少？

生：电子数N=nSvt。

(2)在t时间内导体中通过横截面D的总电荷量是多少？

生：总电荷量Q=Nq=nvtSe。

(3)流过导体AB中的电流是多大？

4.3.3 科学推理，质疑创新

实例探究：研究电子定向移动的平均速率。

有一横截面积S=1.00 mm2的铜导线，单位体积中自由电子个数n=8.5×1028m-3，电子的电荷量e=1.6×10-19C，当通以电流为I=1 A的电流强度时，求电子定向移动的平均速率。

问题引领6：既然电子的定向运动速率很小，为什么闭合开关时电路中的电灯立刻就亮了呢？

展示学生跑步的图片(图12)，运用比喻进行说明，每个人跑动的速度并不快，但整个队伍很快就动起来了。为什么？

图12

生：因为队伍动起来的快慢，取决于“哨音”传播的快慢。

师：闭合开关后，在电路中以电场传播速度建立电场，电路中各处的自由电子几乎同时发生定向移动，在电路中形成电流。

4.3.4 设计思路

(1)利用车流量打比方，学生很容易理解电流的定义。

(2)通过理论探究，深度建构电流概念。解读电流的微观本质，培养学生的推理能力；
探讨电流传导的本质：在回路中建立稳恒电场、形成电流，培养学生的科学论证能力。

本节课在三个教学环节的设计上都对科学思维的培养目标进行了精确定位，在真实的情境中比较、分类，建立电源模型，通过科学推理、科学论证及实例探究等活动，切实培养学生的科学思维能力。

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