类比法在物理概念教学设计中的应用及实施建议——以“电源和电流”为例

类比法在物理概念教学设计中的应用及实施建议——以“电源和电流”为例

王颖

江苏省昆山中学   江苏   215300

摘  要：类比法在实际物理概念教学过程中的应用趋于形式化，不利于学生物理学科核心素养的培养。笔者基于类比法给出了“电源和电流”一节中几个物理概念的教学设计，旨在给一线教师利用类比法进行物理概念教学设计提供一定的启示。

关键词：类比法、物理概念、教学设计、实施建议

一、问题的提出

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》提出物理课程的目标是培养学生的物理学科素养，包括：物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任[1]。高中物理教学中核心概念的讲解有助于培养学生的物理观念和科学思维，通过掌握核心物理概念，学生更容易从物理情景中抽象出物理模型，解决实际问题。有研究表明，人们对自己既熟悉又有点陌生的知识学习起来更容易，收获感更强，记忆会更加持久。在高中物理教学中，教师如果能够巧妙地将新的物理概念与学生熟悉的生活情景或者物理模型做类比，可以化难为易，大大地提高课堂效率。

所谓类比法是根据两个或两类对象有部分属性相同，从而推出它们的其它属性也相同的推理，简称类推、类比。它是以关于两个事物某些属性相同的判断为前提的，推出两个事物的其它属性相同的结论的推理[2]。

本文以新版教材必修三第十一章第一节《电源和电流》中的几个抽象概念的教学设计为例，尝试在教学实践中呈现清晰的类比过程，并据此提出实施类比教学的建议，试图给一线教师的教学设计和教学实施带来一定的启示。期待能提高类比法应用于抽象物理概念教学的实践效果，提升学生自主学习、探究的能力，让学生在课堂中找到学习的乐趣。

二、“电源和电流”中几个抽象概念的教学设计

通过对“电源和电流”这节内容的教材、教学目标及学生学情分析，我们发现本节内容涉及到多个抽象物理概念，这对学生来说是个不小的挑战。电源是什么？它有什么作用？什么是恒定电流？恒定电流的大小由哪些因素决定？定向速率、传导速率、热运动速率该如何理解区分？如何解决这些子问题，正是我们在进行教学设计过程中面临的首要任务。

1. 将“电源”与“抽水机”类比

新课引入时，播放“导线接通带电的电容器，与电容器串联的小灯泡在短时间内由亮到暗最终熄灭”的视频。

教师：为什么电流逐渐减小？

学生：电容器两端电荷不断中和，电势差不断减小至0。

教师：如何获得持续电流？

学生：将电容器换成电源。

教师：那么在此过程中电源的作用是什么呢？（播放“抽水机抽水”视频）请同学们仔细观察视频中左、右水槽在抽水机工作前、后两种状态下的现象，尝试着帮我们分析抽水机在此过程中的作用。

学生：抽水机没有工作时，左右水槽水位差不断减小，一段时间后水流消失；工作后，抽水机能够不断地将低处的水抽往高处，使得左、右水槽保持稳定水位差，因此始终有水流。

教师：抽水机的作用和电源非常类似，请同学们类比抽水机的作用，思考电源的作用。

学生：电源能够不断地将正电荷从负极抽到正极，使电源两端有稳定的电势差，形成持续的电流。

（教师引导学生思考的过程中，完成下面表1的板书。）

表1  抽水机与电源

教师：所以，电源是一种将正电荷从负极输送到正极，维持稳定电势差，可以持续输送电流的装置。

3. 将“电流传输过程”与“方阵队列前进”类比

教师：通过推导，我们得到电流的微观表达式是，其中是导体中带电粒子的定向移动速率，请大家猜一猜这个速度有多大？是很慢很慢的像乌龟爬一样的龟速，还是很快很快像光速一样？

学生：我觉得是像光速一样很快。

教师：老师也和你有相同的感觉，日常生活经验告诉我们打开电源开关，灯几乎瞬间就亮了。那么我们的猜想到底正不正确呢？我们不妨通过下面这道题一起来验证：已知通过导体的电流，导体的横截面积，电子的电量，导体摩尔质量，导体的密度，阿伏加德罗常数，假设导线中每个铜原子贡献一个自由电子。(1)求出单位体积内铜原子个数(表达式)；（2）估算导体中自由电子的定向移动速率。

学生：（1）

     （2）   

教师：通过计算，我们发现金属导体内电子定向移动7.5厘米，需要1000秒，大约 17分钟，这是一个很小的速率。那为什么我们一闭合开关灯就立刻亮了呢？这其实与电场的传导速率有关。

教师：闭合开关的瞬间，电路的各个位置以光速迅速建立了恒定的电场，在恒定电场的作用下，电路中各处的自由电子几乎同时开始定向移动，整个电路也就几乎同时产生了电流。这和我们打开水龙头就有水流出来是一样的，水就等在水笼头处，只要打开就有水流出，并不需要从水库慢慢运过来。

教师：我们还需要知道不管导线是否通电，自由电子是否定向移动，导线内的电子始终在做无规则的热运动，速率。

教师：闭合开关后，整个电路中同时存在这样三种速率，这三种速率该如何区分呢？其实电路中电流的输送过程与庆典时走方阵队列十分类似：庆典开始，指令一响，所有方阵队列即刻开始向前运动起来，从发出指令到方阵流动几乎是瞬时完成的，这与恒定电场以光速建立是相似的，这一速率就是电场传导速率；每一个方阵慢慢向前游行的速率与电荷定向移动速率是相似的，这一速率是较为缓慢的；同样地，方阵队列中的队员在向前游行过程中始终手舞足蹈，热情地向观众挥手致意，这样的运动就好比电荷的热运动，这种运动是比较热情激烈的，所以速率较大。

三、实施建议

运用类比法，将抽象知识用形象生动的事物来类比，可调动学生学习的积极性和主动性，有利于培养学生的观察能力和分析能力，能发挥学生学习的主观能动性，能培养学生的类比思维，当学生遇到抽象的概念时，能自主类比分析，既激发了学生的学习兴趣，又丰富了学习手段。基于上述三个抽象物理概念教学设计，我对类比法在物理概念教学中的应用，提出以下实施建议：

第一，学会巧妙利用学生熟悉的、形象的、具体的生活经验、实验和模型去类比陌生的、抽象的物理概念。如本文设计对比实验，将电源与抽水机类比，帮助学生建立电源的概念；通过日常熟悉的早高峰的车流、方阵队列帮助学生理解恒定电流、三个速率；利用概念建立的思维类比，将电荷流量的描述与学生数学上已经掌握的车流量计算作类比，引导学生推导出电流微观表达式。

第二，类比法的应用要遵循教师主导，学生主体的原则。教师创设类比的情境后，要启发引导学生运用类比法分析实验现象等，随之引导学生建构概念、理解概念、运用概念。在教学过程中通过多样的教学环节鼓励学生通过自己动手，动脑，思考、理解并最终掌握概念。教师的作用是启发指导学生运用科学方法去获得知识，培养学生自学能力，学生才是这一过程的主体。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京:人民教育出版社,2020:4-5.

[2]陈刚,舒信隆.新编物理教学论[M].上海:华东师范大学出版社,2014:59.

[3]陈刚.物理教学设计与实施[M].上海:华东师范大学出版社,2021:17.
作者简介：王颖 ；性别：女  ；出生年月：1995.04；籍贯（具体到市）：江苏淮安  民族：汉  ；最高学历：硕士研究生 ；目前职称：中学二级；研究方向：物理课程与教学论