(西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

1 引言

物理概念教學(xué)是物理教學(xué)的基礎(chǔ),目的是使學(xué)生把握事物的物理屬性或物理現(xiàn)象的本質(zhì)特征。美國國家研究委員會(NRC)認(rèn)為：學(xué)生在一個較大時間跨度內(nèi)研究和學(xué)習(xí)某一主題時遵循連貫的、逐漸深入的思維路徑。在物理教學(xué)中,恰當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)進(jìn)階可以引導(dǎo)學(xué)生將學(xué)到的眾多概念有效地組織起來,建構(gòu)系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu);概念轉(zhuǎn)變教學(xué)理論要求教師了解學(xué)生已有的前概念，并將其轉(zhuǎn)化為科學(xué)的概念,但概念轉(zhuǎn)變原理、策略、過程實施的前提是知道學(xué)生在哪里出錯,將學(xué)習(xí)進(jìn)階和概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)理論結(jié)合起來，可以有效地幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)困難,形成正確的物理概念。

2 建立“電場強(qiáng)度”學(xué)習(xí)進(jìn)階的必要性

從教材角度來看,“電場強(qiáng)度”是本章的第三節(jié),前兩節(jié)分別是電荷及其守恒、庫侖定律,這兩節(jié)并沒有涉及靜電學(xué)的本質(zhì),從第三節(jié)才開始觸及其本質(zhì)：電場及其描述,是后面深入研究磁場以及電磁場的重要基礎(chǔ)。從學(xué)生角度來看,學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)過電荷以及電荷守恒定律的內(nèi)容,也知道電荷間作用的規(guī)律,但這些僅是感性認(rèn)識,并沒有涉及電場等知識,所以本節(jié)的認(rèn)知跨度較大,需要教師將概念轉(zhuǎn)變與學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論進(jìn)行有效結(jié)合，幫助學(xué)生解決認(rèn)知跨度較大帶來的學(xué)習(xí)困難,建立正確的電場強(qiáng)度概念。

3 對“電場強(qiáng)度”進(jìn)行進(jìn)階起點和終點的預(yù)判

筆者查閱了初、高中物理教材中電學(xué)相關(guān)內(nèi)容,結(jié)合調(diào)查研究和實習(xí)經(jīng)歷,預(yù)判進(jìn)階起點為：知道電荷之間存在相互作用力,同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引,電荷之間力的大小滿足庫侖定律。

筆者研讀了《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》和高中物理教材,預(yù)判高中階段的進(jìn)階終點為：理解電場是一種物質(zhì),理解電場強(qiáng)度是描述電場性質(zhì)的一個物理量，會用電場強(qiáng)度解決電場的一些問題。

4 進(jìn)階水平的劃分與教學(xué)活動設(shè)計

4.1 知道電荷之間的相互作用需要媒介(水平一)

4.1.1 教學(xué)活動

如圖1所示，利用“探究影響電荷間相互作用力的因素”的實驗裝置,將絲線掛在C點,帶正電的小球B由于受到帶正電的小球A對其的排斥力，絲線會偏轉(zhuǎn)一定的角度。

圖1

師：為什么拴著小球的絲線會偏轉(zhuǎn)一定的角度？

生：因為小球B受到小球A對它的排斥力。

師：我們發(fā)現(xiàn)這兩個帶電小球沒有相互接觸,那它們是怎么相互作用的？

生A：是不是和磁體之間的相互作用一樣,盡管兩個磁極沒有相互接觸,由于磁場的存在,磁體以磁場為媒介進(jìn)行相互作用。

師：電荷之間的相互作用是需要媒介的,帶電小球A周圍存在一種特殊的物質(zhì),這種物質(zhì)會對放入其中的帶電小球B產(chǎn)生力的作用,這種特殊的物質(zhì)就叫做電場。

4.1.2 教學(xué)分析

現(xiàn)代學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)直覺在人的學(xué)習(xí)過程中的作用,《物理課程與教學(xué)論》一書指出：“物理概念教學(xué)中,要選取適當(dāng)?shù)膶嶒灪褪吕箤W(xué)生獲得必要的感性認(rèn)識,親歷概念的形成過程”,教師通過實驗使學(xué)生對電場產(chǎn)生感性認(rèn)識,運(yùn)用類比方法完成水平一的進(jìn)階任務(wù)。

4.2 知道引入電場強(qiáng)度的原因(水平二)

4.2.1 教學(xué)活動

師：帶電小球A產(chǎn)生的電場會對放入其中的帶電小球B產(chǎn)生力的作用,這是對電場的定性描述,如果要定量描述帶電小球A產(chǎn)生的電場,我們應(yīng)該從哪方面入手？

生：我們上一節(jié)課學(xué)習(xí)了庫侖定律,庫侖定律可以定量描述真空中點電荷之間的相互作用力,所以如果帶電小球A和帶電小球B可看做點電荷，可以通過定量計算帶電小球B受到的靜電力來定量描述帶電小球A產(chǎn)生的電場。

師：我們可以通過下面的方案探究這個猜想的正確性。

要探究正點電荷的電場,點電荷叫場源電荷,放入其中的點電荷叫做試探電荷,在正點電荷產(chǎn)生的電場中放入正點電荷,利用控制變量法改變試探電荷的電荷量或位置，求出試探電荷所受到的靜電力的大小,為避免試探電荷對原來的電場產(chǎn)生影響,試探的電荷電荷量和體積相對于場源電荷要很小。

實施方案：A、B為點電荷所產(chǎn)生電場中的兩點,現(xiàn)將電荷量分別為q1和q2的試探電荷分別置于A、B兩點,求它們在A、B兩點受到的靜電力的大小,完成表1的填空。

表1

師：同學(xué)們,你們從這個表格能看出規(guī)律來嗎？

生：在同一位置試探電荷的電荷量不同,所受靜電力的大小不一樣;同一試探電荷在不同位置,所受靜電力的大小不一樣,所以用靜電力定量描述電場有一定難度。

師：可以對這個表格進(jìn)行小小的處理(如表2)。

表2

生：只要位置確定了,試探電荷所受的靜電力與試探電荷的電荷量之比就是定值。

師：所以我們可以用它來表示電場的強(qiáng)弱,把它命名為電場強(qiáng)度,用字母E表示,大家要注意的是“電場強(qiáng)度”的概念雖然是我們從點電荷的角度出發(fā)得出的,但其思路也適用于其他電場。

4.2.2 教學(xué)分析

根據(jù)概念轉(zhuǎn)變理論,當(dāng)現(xiàn)有的概念不能解釋當(dāng)前出現(xiàn)的狀況時,就會出現(xiàn)接受新的科學(xué)概念的契機(jī),教師通過引導(dǎo)學(xué)生分析出試探電荷所受的電場力不能刻畫電場強(qiáng)度,抓住學(xué)生概念轉(zhuǎn)變的契機(jī)進(jìn)行引導(dǎo)，使學(xué)生順利達(dá)到水平二。

4.3 理解電場強(qiáng)度的定義方法及矢量性(水平三)

4.3.1 教學(xué)活動

師：定義電場強(qiáng)度的方法叫做比值定義法,請回憶在前面的學(xué)習(xí)中還有哪些物理概念是用比值定義法定義的呢？

生：電阻、密度。

師：因為電場強(qiáng)度是描述電場性質(zhì)的物理量,可以類比密度是描述物體性質(zhì)的一種物理量,雖然電場強(qiáng)度是用電場力和電荷量的比值進(jìn)行定義的,但是電場強(qiáng)度只與電場本身的性質(zhì)有關(guān)，與試探電荷所受電場力以及電荷量無關(guān)。

生：就像物質(zhì)的密度與物體的質(zhì)量以及體積無關(guān)、只與物體自身的性質(zhì)有關(guān)。

師：不過電場強(qiáng)度與密度不同點在于,電場強(qiáng)度是一個矢量,某一點的電場強(qiáng)度的方向與在該點正電荷所受電場力的方向相同。

4.3.2 教學(xué)分析

實施物理科學(xué)方法教育是課程標(biāo)準(zhǔn)的基本要求,就本節(jié)課而言，學(xué)生對于電場從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識是一個認(rèn)知跨度較大的過程,需要教師重視物理科學(xué)方法的運(yùn)用，以幫助學(xué)生形成關(guān)于電場強(qiáng)度學(xué)習(xí)的正確的思維路徑。

4.4 掌握點電荷和疊加場的電場強(qiáng)度計算方法(水平四)

4.4.1 教學(xué)活動

例1:如圖2所示,在正點電荷Q的電場中有一試探電荷q,已知q到Q的距離為r,點電荷Q對點電荷q的作用力是多大？Q在q所在位置產(chǎn)生的電場的電場強(qiáng)度是多大？方向如何？

圖2

例2:如果再有一正點電荷Q′=Q,放在如圖3所示的位置,q所在位置的電場的電場強(qiáng)度多大？

圖3

4.4.2 教學(xué)分析

利用例題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會點電荷電場強(qiáng)度的計算方法,疊加場的電場強(qiáng)度的計算是對電場強(qiáng)度矢量性的應(yīng)用,是對在水平三階段已經(jīng)獲得的知識進(jìn)行應(yīng)用和拓展,是最近發(fā)展區(qū)理論在具體教學(xué)中的應(yīng)用。

5 結(jié)語

根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論設(shè)計的“電場強(qiáng)度”教學(xué)方案在實際教學(xué)中收到一定成效,可根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)，運(yùn)用測試等形式，判斷學(xué)生是否達(dá)到相應(yīng)的進(jìn)階水平。

概念學(xué)習(xí)是物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),教師在概念教學(xué)中要注意站在學(xué)生的角度,根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,設(shè)計適合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的學(xué)習(xí)進(jìn)階,引導(dǎo)學(xué)生建立良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。