陳德康 郝睿

摘 要：物理核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任. 物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗作為培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的手段顯得尤為重要.在“兩種電荷”這一節(jié)中，常見的教學(xué)方式是以講授法為主，啟發(fā)性的實驗較少，多數(shù)是驗證性實驗.本文以實驗為主線進(jìn)行師生雙邊活動，利用簡單器材培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，讓學(xué)生體驗科學(xué)理論演變的過程與建模方法，進(jìn)而實現(xiàn)學(xué)科事實向?qū)W科觀念的轉(zhuǎn)化.

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng);兩種電荷;實驗教學(xué);教學(xué)設(shè)計

文章編號：1008-4134（2019）16-0043 ? ?中圖分類號：G633.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

基金項目：寧夏回族自治區(qū)高等教育教學(xué)改革項目（項目編號NXBJG2018020）.

作者簡介：陳德康（1996-），男，江蘇常州人，碩士研究生，研究方向：物理教學(xué)論.

通訊作者：郝睿（1975-），女，寧夏銀川人，碩士，教授，研究方向：物理教學(xué)論.

2014年4月，教育部印發(fā)《關(guān)于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務(wù)的意見》，提出研究制定“學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)體系”，并指出核心素養(yǎng)的內(nèi)涵.隨后修訂的物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出物理核心素養(yǎng)這個概念[1].較之于此前的三維目標(biāo)，知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀，更注重發(fā)揮物理學(xué)科的育人功能與實現(xiàn)人的全面發(fā)展.其主要內(nèi)容包括：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任[2-3].

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，科學(xué)思維又是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分.在實際教學(xué)中，很多時候物理實驗教學(xué)變成了教師的演示實驗，學(xué)生變成了“看客”，實驗作為培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑變成了一種形式，沒能起到培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、處理信息、得出結(jié)論、做出解釋的能力.本文以人教版“兩種電荷”為例，圍繞物理核心素養(yǎng)，以實驗為主線，實現(xiàn)教學(xué)過程.

1 教學(xué)目標(biāo)

A1：能根據(jù)實驗現(xiàn)象描述帶電物體之間存在的力.

A2：知道世界上只存在兩種電荷，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引.

A3：通過親身經(jīng)歷學(xué)科知識的誕生過程歸納出正負(fù)電荷相互作用的規(guī)律，在此基礎(chǔ)上鼓勵學(xué)生勇于質(zhì)疑，設(shè)計表格，記錄數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生的實證精神，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法.

A4：知道電中性、絕緣體、導(dǎo)體、電荷守恒的概念.理解起電是電荷的分離過程，不是創(chuàng)生過程.通過圖像建立電荷守恒模型、得失電子模型、原子核微觀模型，培養(yǎng)學(xué)生建立模型的意識與能力，訓(xùn)練學(xué)生的表象思維.

A5：在理解摩擦起電本質(zhì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種方案，判斷出教師提供的器材哪些容易得到電子，哪些容易失去電子.培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)態(tài)度與價值觀.

本文基于核心素養(yǎng)，設(shè)立四個環(huán)節(jié)，充分讓學(xué)生參與課堂，建立“教師閉嘴型”課堂.教學(xué)流程圖如圖1所示.

2 教學(xué)過程

2.1 起步實驗

教師準(zhǔn)備打孔機，打下一些碎圓紙片，讓學(xué)生將經(jīng)毛皮摩擦過的塑料尺移近小紙屑，觀察分析當(dāng)尺靠近紙屑，有什么現(xiàn)象發(fā)生？當(dāng)尺移近紙屑時，你是否觀察到某些未曾預(yù)料到的結(jié)果？在觀察這些現(xiàn)象后，思考當(dāng)尺移近紙屑之前，有哪些力作用在紙屑上？當(dāng)尺移近紙屑時，你能否推斷出紙屑受到了哪些力的作用？根據(jù)對上述問題的思考，提出一種假設(shè)，以解釋尺對紙屑的作用.學(xué)生在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，尺靠近時，許多小紙屑被尺子所吸引，有的同學(xué)會發(fā)現(xiàn)一些與其他人不一樣的現(xiàn)象，比如小紙屑集中在尺子被摩擦的部分，小紙屑被吸附一段時間后，會掉下來.根據(jù)這些實驗現(xiàn)象，教師引導(dǎo)學(xué)生作出假設(shè)，有一個較強的力作用在紙屑上，且這個力比向下的重力更大，那么摩擦過程中到底發(fā)生了什么呢？是不是摩擦過程中“產(chǎn)生”了一種特殊的力，使得尺子具有吸引輕小物體的性質(zhì)？

【設(shè)計意圖】本節(jié)課是電學(xué)的開端，學(xué)生認(rèn)知里只有生活的一些常識，沒有轉(zhuǎn)化為物理觀念.在摩擦尺子吸引小紙屑的實驗環(huán)節(jié)中，相比教師演示實驗，直接給出摩擦過的尺子帶了電荷，本環(huán)節(jié)通過一連串的問題，從學(xué)生熟悉的受力分析入手，引導(dǎo)學(xué)生邏輯推導(dǎo)，為之后的起電、電荷概念、電荷間的相互作用打下基礎(chǔ).在觀察尺與小紙屑相互作用的過程中，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)猜想的科學(xué)探究意識.

2.2 探究實驗

2.2.1 講授帶電物體的特性

（1）實驗分析與總結(jié)

“起步實驗”中提到的力和重力還是有區(qū)別的，實驗中同學(xué)們發(fā)現(xiàn)尺子的吸引力會消失，而重力不會消失，且只有毛皮摩擦過的塑料尺才有這樣的現(xiàn)象.

（2）科學(xué)探究歷程

教師給學(xué)生介紹前人在摩擦起電上的研究歷程，從古希臘泰勒斯發(fā)現(xiàn)摩擦過的琥珀可以吸引小物體到富蘭克林的風(fēng)箏實驗，人類對該類現(xiàn)象的探索從未停止.

（3）得出結(jié)論

摩擦起電：人們將這種吸引輕小物體的特性稱為“帶電”，將物體經(jīng)過摩擦而顯示出的電荷相互作用的過程稱為摩擦起電.

【設(shè)計意圖】經(jīng)過學(xué)生的觀察分析，學(xué)生的認(rèn)知從力學(xué)轉(zhuǎn)向電學(xué)，通過人類摩擦起電研究歷程的介紹，使學(xué)生獲得起電概念.

2.2.2 追隨前人腳步，探究電荷的本質(zhì)

讓學(xué)生兩兩分組合作，教師為學(xué)生準(zhǔn)備透明膠帶、剪刀等器材，利用簡單的器材來揭示電荷的相互作用.

實驗1：分別剪兩段適當(dāng)長度的膠帶，將其分別粘在干燥、光滑的桌子上，留有幾厘米的長度折疊做把手.接著迅速將膠帶從桌子上拉起，將其背面靠近.學(xué)生會觀察到兩個膠帶居然相互排斥，如圖2所示.教師隨即展開追問：為什么這個實驗與起步實驗現(xiàn)象不同呢？二者之間為什么沒有相互吸引？經(jīng)過學(xué)生討論思考之后，教師揭示原因，原來兩個膠帶都與桌面產(chǎn)生了摩擦，相互排斥說明都帶了電，由于帶電方式相同，那么我們根據(jù)實驗推理出一條帶電物體重要的特性——帶相同電荷的物體相互排斥.

實驗2：在證明了同種電荷之間的相互作用特性后，如果是不同的電荷會是什么樣的結(jié)論呢？教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究實驗，先將一條膠帶粘在桌面上，再剪出另一條差不多長度的膠帶，粘在第一條膠帶的上面，使它們疊在一起，再拉住膠帶的把手，使其離開桌面.用手指摩擦膠帶，使得它們不再被手吸引，表明膠帶的電荷已經(jīng)被移走.此時，再將這兩個膠帶快速分開，又會發(fā)現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？學(xué)生發(fā)現(xiàn)分開后膠帶同時被手吸引，但是彼此靠近不再排斥，而是相互吸引，如圖3所示.表明扯開后膠帶又帶電了，根據(jù)第一個小實驗，學(xué)生推理得出，兩個膠帶帶的不是同種電荷，是異種電荷.

小結(jié)：兩種電荷：人類在之后的研究中發(fā)現(xiàn)，自然界只存在兩種類型的電荷——正電荷和負(fù)電荷.構(gòu)建正負(fù)電荷模型，正電荷：富蘭克林將與絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷命名為正電荷;負(fù)電荷：與毛皮摩擦過的硬橡膠所帶的電荷命名為負(fù)電荷.正負(fù)電荷具有同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引的特性.

實驗3：教師隨后展開追問：自然界是否存在第三種類型的電荷？如果沒有，如何證明？教師提供塑料紙，布料，塑料袋等器材，學(xué)生利用上一個實驗的兩個膠帶，通過摩擦使得不同的器材帶電，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的帶電物體會吸引一條膠帶而排斥另外一條膠帶，也就是所帶電荷要么與膠帶1相同，要么與膠帶2相同.因此，不存在第三種類型的電荷.

【設(shè)計意圖】在獲得起電概念后，由學(xué)生完成三個小實驗.實驗1中通過兩個膠帶的起電方式相同推斷出它們帶的電荷相同，再根據(jù)實驗現(xiàn)象，推理出同種電荷相互排斥.在此基礎(chǔ)上，實驗2觀察到兩個膠帶相互吸引，表明兩個膠帶不是帶的同種電荷，因此推理出異種電荷相互吸引.在實驗3中，學(xué)生一般不會想到教師所提的問題，因為他們覺得自然界只有正負(fù)電荷是很正常的事情，是理所應(yīng)當(dāng)?shù)?通過這個環(huán)節(jié)使學(xué)生養(yǎng)成善于質(zhì)疑，不斷探索的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，在問題解決的過程中培養(yǎng)了學(xué)生的實證意識[4].

三個小實驗使學(xué)生獲得了摩擦起電物理概念，建構(gòu)了正負(fù)電荷模型.在實驗過程中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理，得出正負(fù)電荷的特性.科學(xué)論證了自然界只存在兩種電荷，培養(yǎng)了學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)精神[5].

2.3 建構(gòu)模型，探尋摩擦起電的本質(zhì)

概念建構(gòu)：1897年湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，這種粒子質(zhì)量很小，且?guī)ж?fù)電荷.在隨后的時間，他的學(xué)生盧瑟福發(fā)現(xiàn)了帶正電的原子核，提出了原子的核式結(jié)構(gòu).如果原子核所帶的正電荷與核外電子所帶的負(fù)電荷數(shù)量上相等，那么就說該原子呈電中性，整體不顯電性，教師以氫原子和氦原子為例在黑板上畫出微觀結(jié)構(gòu)圖.

提出問題：那為什么兩個物體摩擦過后，就會顯電性呢？為什么有的物體帶正電，有的帶負(fù)電呢？你能用簡單的示意圖表示出來嗎？

學(xué)生活動：以毛皮摩擦硬橡膠棒為例，從微觀角度，畫出電子轉(zhuǎn)移的過程，如圖4所示.做出猜想：在摩擦過程中毛皮原子中的電子轉(zhuǎn)移到了硬橡膠棒上，且得到的電子與失去的電子是等量的.

分析推理：帶電是因為原子核所帶的正電荷與核外電子的數(shù)量不相等了，物體得到電子，電子的數(shù)量多了，就會顯示負(fù)電.失去電子，物體就會帶正電.摩擦過程中，不同的原子核束縛電子的能力不同，束縛能力強的物體會得到電子，帶負(fù)電.反之，束縛力弱的就會失去電子，帶正電.因此我們可以得出電荷守恒定律的概念：對于一個孤立系統(tǒng)，不論發(fā)生什么變化，電荷的代數(shù)和總是保持不變的.

展開追問：同學(xué)們現(xiàn)在知道為什么實驗1中膠帶帶同種電荷，而實驗2中，膠帶相互扯開就帶異種電荷了嗎？

【設(shè)計意圖】通過教師的講解，利用圖形與符號來培養(yǎng)學(xué)生的表象思維，構(gòu)建原子核微觀模型、得失電子模型、電荷守恒模型.讓學(xué)生理解電荷不是被創(chuàng)生、消滅，而是發(fā)生了轉(zhuǎn)移使得正負(fù)電荷分離.在學(xué)生獲得知識的同時，運用它們解釋剛剛自己所做實驗的原理，從而做到理解學(xué)科事實，將其轉(zhuǎn)化為學(xué)科觀念[6].

2.4 概念區(qū)分

教師引導(dǎo)：在課堂剛開始的那個實驗中，有些同學(xué)發(fā)現(xiàn)小紙屑大多數(shù)聚集在橡膠棒被摩擦過的部分，根據(jù)之前學(xué)習(xí)的知識，摩擦過的橡膠棒帶了電，那為什么遠(yuǎn)離被摩擦的地方吸引效果不明顯呢？學(xué)生經(jīng)過思考，可能會有這樣的猜想：是不是多余的負(fù)電荷積聚在被摩擦過的地方？

概念建構(gòu)：有些物體不容易導(dǎo)電，因為它們不容易傳導(dǎo)電荷，電荷在體內(nèi)很難發(fā)生移動，這些物體稱為絕緣體.例如：橡膠、玻璃、大多數(shù)塑料、干燥的木頭等.

展開追問：同學(xué)們都知道相對于絕緣體的物質(zhì)是導(dǎo)體，根據(jù)剛才的分析，大家可以推理得知電荷在導(dǎo)體內(nèi)很難累積，容易自由移動，那么如何證明呢？

對于導(dǎo)體的帶電方式，學(xué)生可能比較陌生，教師可以適當(dāng)?shù)奶崾荆热?，我們還可以直接手拿著金屬棒嗎？為什么呢？我們一般使用起電機使得金屬棒帶電，教師提供絕緣膠、絕緣柄、手搖起電機、小紙屑等器材.

對比實驗：

（1）學(xué)生用毛皮摩擦橡膠棒的一端，用另一端接近小紙屑，觀察實驗現(xiàn)象.

（2）直接手拿著金屬棒會導(dǎo)致金屬棒的電荷經(jīng)過人手跑掉，利用起電機使得金屬棒一端帶電（如圖5a所示），看看另一端能不能吸引小紙屑.

小結(jié)：對比兩組實驗現(xiàn)象，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)，橡膠棒摩擦過的一端吸引小紙屑現(xiàn)象明顯，遠(yuǎn)離摩擦端的部分不吸引小紙屑.而金屬棒另一端可以吸引小紙屑，但是吸引力沒橡膠棒那么大（如圖5b所示）.因此，我們把容易導(dǎo)電、體內(nèi)電荷容易發(fā)生移動的物體稱為導(dǎo)體，不容易導(dǎo)電、體內(nèi)電荷不容易發(fā)生移動的物體稱為絕緣體.

【設(shè)計意圖】在對比絕緣體與導(dǎo)體吸引小紙屑的實驗中，學(xué)生根據(jù)老師的提示，從實驗現(xiàn)象中得出結(jié)論，從本質(zhì)上理解導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別，也避免了學(xué)生將導(dǎo)電與帶電混淆，誤認(rèn)為絕緣體不能帶電.

2.5 拓展應(yīng)用

（1）動手體驗：

在實驗2中，同學(xué)們能分辨出來哪個膠帶是帶正電的嗎？學(xué)生自己思考后發(fā)現(xiàn)可以運用電荷之間的相互作用的知識來解決這個問題.將絲綢摩擦過的玻璃棒分別靠近兩個膠帶，如果有膠帶與玻璃棒相互排斥，說明該膠帶帶正電.

教師提供細(xì)線、支架、銅管、塑料棒、玻璃棒、鉛筆、塑料袋、PVC管、鋁箔等器材，讓學(xué)生獨立設(shè)計方案，檢測哪些物體容易失去電子，哪些物體容易得到電子，嘗試不同物體的組合，設(shè)計表格，觀察實驗現(xiàn)象，記錄數(shù)據(jù).學(xué)生之間合作做實驗，將結(jié)果進(jìn)行組間交流，

（2）解決問題：

在實際生活中，大型卡車后端常常拖有一根鑲嵌金屬絲的橡皮條或鐵鏈，這有什么用呢？當(dāng)發(fā)生閃電的時候，什么物質(zhì)充當(dāng)了導(dǎo)體？課后查閱資料，解決上述問題.

【設(shè)計意圖】在設(shè)計方案與表格、記錄數(shù)據(jù)的過程中掌握科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與科學(xué)思維.通過真實的問題情境內(nèi)化學(xué)生所學(xué)的物理事實，并運用其解決實際問題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

3 總結(jié)

最新的物理課程標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)發(fā)展學(xué)生的學(xué)科思維，注重學(xué)生的學(xué)科實踐，培養(yǎng)學(xué)生的推理能力.在“兩種電荷”的教學(xué)設(shè)計中，以探究實驗為主線，合理設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，滲透物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)學(xué)科事實的同時，形成科學(xué)思維，具備科學(xué)探究的方法，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任[7].通過手搖起電機、膠帶、絕緣膠等器材，可以讓學(xué)生充分經(jīng)歷猜想、實驗推理、歸納總結(jié)的過程，打造以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的課堂.

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[3]羅瑩.物理核心素養(yǎng)研究：物理知識與物理觀念[J].物理教師，2018，39（06）：2-6.

[4]黃皓燕.追溯電荷的本源探究科學(xué)的本質(zhì)[J].物理教師，2017，38（11）：2-5.

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[7]李紅玲.核心素養(yǎng)視角下初中物理教學(xué)策略淺析[J].新課程（下），2019（04）：52.

（收稿日期：2019-04-13）