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高中物理电动势概念教学设计及建议
作者：蔡 静
一、物理概念教学的意义
“概念是思维的细胞”，人的任何思维过程都离不开概念。物理学分为物理现象、事实、概念和规律，物理概念是物理规律的基础，物理概念是构成物理知识体系的基本要素。如果没有一系列的物理概念作基础，就无法形成物理学的体系。物理概念是物理课程中最基本的，也是最重要的内容，学生对概念的理解和掌握程度，将直接影响到他们在该学科的学习，对学生在实际生活中应用物理知识解决实际问题的能力等方面也具有重要意义。多年来，物理概念因其重要性而得到了广泛研究，然而对教师来说物理概念难教，对学生来说物理概念难学，因此这种“两难”状态仍然一直困扰着广大师生。为了克服物理概念难教、难学的双重困难，研究并分析学生概念形成中的障碍，找出可操作教学策略和学习策略，促进物理概念教学质量的提高，是当务之急。电学的基本概念在中学物理中占有非常重要的地位，学生对这部分概念理解和掌握的程度，将直接影响到某一章乃至整个物理课程的学习和掌握。一般学生对电现象的感性认识较少，加之电学中的概念（如：电压、电场强度、电势、电动势）比较抽象，所以，电学基本概念又是学生感到比较困难的一部分知识，这就使得学生在学习电学时普遍感到困难。“电动势”是电学中的一个重要概念，各种电源产生的电动势情况比较复杂，学生在理解此概念时普遍感到困难较大，是中学物理教学中很突出的难点。“电动势”既具有概念的一般特征，又有其特殊性，它几乎贯穿“稳恒电流”、“电磁感应”、“交流电”三章的主要内容，能否掌握电动势概念将影响整个电学知识的掌握。因此对电动势概念教学的研究十分有必要。
二、电动势概念的教学设计
1．电动势概念的引入
概念的引入是概念教学中的一个重要环节。引入概念的工作做得好，一开始就能激发学生学习概念的兴趣，使学生的思路纳入正轨。这对正确理解和掌握概念有着直接的影响。设计1：演示：将小灯泡接在充满电的电容器两端，会看到什么现象？（小灯泡闪亮一下就熄灭。）为什么会出现这种现象呢？分析：当电容器充完电后，其上下两极板分别带上正负电荷，如图所示，两板间形成电势差。当用导线把小灯泡和电容器两极板连通后，电子就在电场力的作用下通过导线产生定向移动而形成电流，但这是一瞬间的电流。因为两极板上正负电荷逐渐中和而减少，两极板间电势差也逐渐减少为零，所以电流减小为零，因此只有电场力的作用是不能形成持续电流的。为了形成持续的电源，必须有一种本质上完全不同于静电力的力，能够不断地分离正负电荷来补充两极板上减少的电荷，引出电源的概念。各种型号的干电池的电动势都是1．5Ｖ。那么把一节1号电池接入电路中，它两极间的电压是否还是1．5Ｖ呢？用示教板演示，结论：开关闭合前，电压表示数是1．5Ｖ，开关闭合后，电压表示数变为1．4Ｖ。实验表明，电路中有了电流后，电源两极间的电压减少了，分析原因。最后通过测量得出电动势等于内外电压之和的结论。
2．电动势概念教学中难点的处理
电动势比较抽象，而且在讲述中又引入了一个非静电力，学生在学习时感到十分空洞，所以说它是教学中的一个难点。可以从分析化学电源入手突破难点。
（1）结合化学电源作出演示，让学生观察到“金属板插入酸溶液中，板与溶液间出现电势差，而且电势极性与电场力移动电荷的方向相反”这一事实，从而对化学电池中“存在其他形式的能（化学能）转化成电能”这一论断表示信服。
（2）从能量守恒定律分析以化学电池为电源构成的闭合电路中发生的能量转化过程，阐述电源内部存在非静电力的可能及非静电力做功的必然性。在此基础上提出电动势就是表示电源内部非静电力做功，把其他形式的能转化为电能的本领的物理量。
（3）从能量守恒定律分析电源的电动势等于内外电路电压之和，同时借助实验反映这一关系，从而使学生确信电源电动势的存在，而且它是一个表征电源电动势的物理量。
（4）运用电动势的概念来分析一些实际问题。
3．电动势与内、外电压的关系
从教学设计看出，电动势与内、外电压的关系一直以来是电动势概念教学的难点，这里介绍演示实验法。首先通过演示实验测得几组内外电压的数据，经过计算得出电动势等于内外电压之和的结论。接着用能量转化分析结论的物理意义。学生在这个实验中对测内电压的电压表正负极的接法产生怀疑，不理解为什么内电压靠近电源正极的一端低，而靠近负极的一端高。教学中不应该忽视。有的教师虽然在了解电动势的物理意义过程中，运用了能量转化的观点和电势的概念加以解释，但学生还是不能理解。为此，教学中建议以简单的讲解化学电池的电动势跃升问题来突破这一难点。以干电池为例，它的结构由三部分组成。中心碳棒为正极，外壳锌板为负极，中间部分是装着糊状电解液，干电池的电动势仅建立在外壳锌板与糊状电解液的接触面之间。因为与锌板接触的电解液与锌板之间发生化学作用。使锌板中锌正离子溶解到电解液中去，这时锌板由于缺少正离子带上负电，而溶解到电解液体中去的锌的正离子受库仑力的吸引围绕在锌板附近它们带正电。试问什么力量迫使正负电荷分开并阻止它们互相吸引而重新结合呢？这就是非电场力（即化学力）做功的表现，电池的电动势就等于锌板附近带正电的锌离子与带负电的锌板之间所形成的电势差，也就是化学力所能维持的电势差，在外电路断开时，锌板附近的电解液中的正离子移到电池中心的碳棒，很快达到静电平衡。稳定之后，锌板附近电解液与碳棒（正极）之间就不存在电势差。所以外电路断开时电池正负极之间的电势差就等于电池的电动势，外电路闭合时，在电动势的驱动下整个回路中形成电流，此时，锌板附近的电解液到电池中心碳棒之间所谓的“内电路”中也同样有电流通过。因为内电阻的存在，也同样产生电压Ｕ＝Ｉｒ，这样学生会明白，原来内电路与内电阻与外电路外电阻没有根本区别，只不过内电路内电阻是在电池内部。这时学生也一定会发现所谓测内电压的电压表的极性与测外电压的电压表的极性相反。而从整个串联的回路看却没有相反。
三、电动势概念的教学建议
1．引发认知冲突、实现概念转变
前概念转变为科学的物理概念常有两种方式，一种可称为“丰富”，即新的概念纳入原有的知识结构，通过积累的方式使知识结构变化；另一种可称为“修订”，即将错误概念转变为科学概念，通过改造的方式使知识结构变化。观察、实验（包括学生实验和演示实验）可使学生获得更丰富、更生动、更深刻、更能反映事物的共同特征和本质特征的感性认识。认真做好演示实验和学生实验，使电磁学中抽象的概念形象化。通过实验创设一定的物理情景，引导学生加强对实验现象的分析，从实验观察和现象分析中来发展思维能力。把多媒体技术引进到教学中改变传统的教学方式，优化教学过程。
2．注重类比的物理教学方法
教学中，教师应促进学生进行各种建构活动，提供具体的类比，帮助他们建立正确的新模型。学生的建构活动将有助于概念改变。科学教学的策略之一就是将要学的新现象比拟成另一熟悉的现象，这是由于科学教学常涉及理解一些无法直接观察到的事物，因此参照某些可观察到的事物或曾有体验的事情能够更好地促进理解。例如，有时人们把电流比拟为水流系统，在这个系统中电线像水管，电子像水，电池像水泵，而电阻像水管中细窄的部分。类比很难完美无缺，因此在使用类比时总会暴露出某些问题。好的类比应具有更显著的语义上的相似性，结构上的对应性，以及实用上的相关性。类比能引发学生对主题的思考，但也应明确比喻的局限性。教师应当使用类比，并指出类比在何处是不适用的，不确切的。
3．对易混淆的概念加以区分
物理学中有些概念看起来很相似，但其意义却不大相同。对于这些概念，可以引导学生从质和量两个方面进行对比，以弄清其区别和联系。例如电压和电动势的对比：电压是反映静电力做功，把电能转化为其他形式的能的物理量，电动势是反映非静电力做功，把其他形式的能转变为电能的物理量。这是电压和电动势的质的区别。在量值上，这两个物理量都是以移动1Ｃ正电荷做功的多少量度的，且其单位都是伏特。所以，电压与电动势的物理意义是不同的，但它们之间又是有联系的。通过对相似的概念的“比较”，不仅加深学生对概念的理解，还使学生了解和学会形成概念的某些方法。
参考文献
［1］ 李新乡，张启德等．物理教学论．北京：科学出版社，2005．
［2］ 许国梁，束炳如等．中学物理教学法．北京：高等教育出版社，2003．
［3］ 钟启泉，胡炳元．物理课程与教学论杭州：浙江教育出版社，2003．
（责任编辑 孙晓雯）