黃佳

摘 ?要：核心素養(yǎng)下PBL（Problem-Based Learning）教學(xué)法，就是學(xué)生在問題情境中自主學(xué)習(xí)，進(jìn)行科學(xué)探究，進(jìn)而解決問題的過程。文章以“電場(chǎng)強(qiáng)度”為例進(jìn)行創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)和分析，使學(xué)生形成正確的物理觀念，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和科學(xué)探究能力，進(jìn)而在這個(gè)過程中提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);PBL教學(xué)法;科學(xué)探究;教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）1-0033-4

1 ? ?物理核心素養(yǎng)與PBL教學(xué)法的內(nèi)在聯(lián)系

物理核心素養(yǎng)由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度和責(zé)任”4個(gè)方面構(gòu)成。物理核心素養(yǎng)是指學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適合個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要構(gòu)成部分。如何在物理課堂教學(xué)中體現(xiàn)物理核心素養(yǎng)？什么樣的教學(xué)設(shè)計(jì)才能促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的提升？筆者試圖借助PBL教學(xué)法的創(chuàng)新應(yīng)用來談?wù)勛约旱囊恍┫敕ā?/p>

PBL（Problem-Based Learning）教學(xué)法，也稱為基于問題的教學(xué)或問題導(dǎo)向式教學(xué)，教學(xué)過程中的學(xué)生為了理解或者解決一個(gè)具體問題而進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的過程。PBL教學(xué)法是一種在真實(shí)問題情境中，以小組合作的學(xué)習(xí)形式，在教師引導(dǎo)下共同解決問題，學(xué)生在構(gòu)建物理知識(shí)的基礎(chǔ)上，發(fā)展自身的合作學(xué)習(xí)能力、問題解決能力及自主學(xué)習(xí)能力的一種教學(xué)方式。 PBL教學(xué)法的這些理念與優(yōu)勢(shì)和物理核心素養(yǎng)的要求不謀而合。PBL教學(xué)法完美呈現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的過程，即學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是不斷探究發(fā)現(xiàn)的過程，是解決真實(shí)問題的過程，并在解決問題的過程中提出新的問題，繼而再解決新問題的不斷循環(huán)遞進(jìn)的過程。

2 ? ?核心素養(yǎng)下PBL教學(xué)法的模型建構(gòu)

基于問題的學(xué)習(xí)，就是通過系列的問題來推動(dòng)持續(xù)性學(xué)習(xí)行為的活動(dòng)，它要求學(xué)習(xí)活動(dòng)以問題的發(fā)現(xiàn)與提出為開端，用有層次、結(jié)構(gòu)化、可持續(xù)、可拓展的問題系統(tǒng)貫穿學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和知識(shí)的整合過程，通過問題系統(tǒng)的解決，完成學(xué)習(xí)的有效遷移，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的連續(xù)構(gòu)建?；诖?，基于PBL教學(xué)法的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)的基本流程如圖1。

本教學(xué)設(shè)計(jì)通過分解教學(xué)目標(biāo)來構(gòu)建問題系統(tǒng)。把教學(xué)目標(biāo)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在關(guān)系分解為一個(gè)個(gè)遞進(jìn)的、具體的子任務(wù)，然后把由教學(xué)目標(biāo)分解得到的教學(xué)子任務(wù)轉(zhuǎn)化為問題的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，從而構(gòu)建問題系統(tǒng)。以“電場(chǎng)強(qiáng)度”為例，構(gòu)建本節(jié)課的教學(xué)子任務(wù)和問題系統(tǒng)，并且由之生成課堂探究活動(dòng)，如表1。

3 ? ?核心素養(yǎng)下PBL教學(xué)法在課堂教學(xué)中的實(shí)踐

3.1 ? ?創(chuàng)設(shè)問題情境建立電場(chǎng)的概念

提出問題1：如圖2所示，帶電鋁箔由于受到金屬球給它的力而擺起一定的角度。 兩個(gè)帶電體之間沒有相互接觸，為什么會(huì)有力的作用呢？

學(xué)生小組討論：兩個(gè)帶電體之間發(fā)生相互作用，歷史上有兩種觀點(diǎn)，一種是“超距作用”的觀點(diǎn)，還有一種是“場(chǎng)”的觀點(diǎn)。

演示實(shí)驗(yàn)1：破解“超距作用”的觀點(diǎn)。按照超距作用的觀點(diǎn)，鋁箔和金屬球之間有無介質(zhì)都不會(huì)影響兩者的相互作用，這時(shí)用金屬網(wǎng)罩住金屬球時(shí)，發(fā)現(xiàn)鋁箔擺動(dòng)角度減小，受力減少。這樣就簡(jiǎn)單地論證了“超距作用”觀點(diǎn)的不足，并結(jié)合物理學(xué)史，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)思維之美。從而建立了“場(chǎng)”的觀念：電荷和電荷之間的相互作用也是通過電荷周圍的特殊物質(zhì)發(fā)生的，這種物質(zhì)就是電場(chǎng)。

3.2 ? ?定性實(shí)驗(yàn)探究電場(chǎng)力與電場(chǎng)強(qiáng)弱的關(guān)系

筆者在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，如果按照教材的描述進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生可以“很輕松”地得到：E=。但是，絕大部分學(xué)生不明白為何要用力F來定義電場(chǎng);其次，學(xué)生只知道是常量，而不知道為什么要將F和q相比。所以，建構(gòu)電場(chǎng)強(qiáng)度概念的過程，是對(duì)學(xué)生邏輯思維能力進(jìn)一步培養(yǎng)的過程。

提出問題2：電荷周圍存在一種特殊的物質(zhì)叫電場(chǎng)，但是電場(chǎng)看不見、摸不著，我們?nèi)绾闻袛嚯妶?chǎng)的強(qiáng)弱呢？

學(xué)生小組討論：電場(chǎng)看不見、摸不著，是物理學(xué)中的抽象概念，我們可以通過看得見、摸得著的物理量去研究電場(chǎng)，這個(gè)物理量就是電荷在電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力。

演示實(shí)驗(yàn)2：定性研究電場(chǎng)力與電場(chǎng)強(qiáng)弱的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖3所示。鋁箔靠近金屬球時(shí)，繩子的偏角增大，表示所受到的電場(chǎng)力變大，說明該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)。

設(shè)計(jì)意圖：利用科學(xué)思維引導(dǎo)學(xué)生，學(xué)會(huì)用看得見、摸得著的物理量去完成對(duì)抽象物理量的研究。本節(jié)課的電場(chǎng)以及后面要學(xué)到的電勢(shì)能、磁場(chǎng)等概念，都用這樣的思想進(jìn)行研究。根據(jù)電場(chǎng)力的特性，我們可以通過研究電場(chǎng)力來完成對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)弱的研究。但是，學(xué)生往往會(huì)簡(jiǎn)單地認(rèn)為，電場(chǎng)力就可以直接用來表示電場(chǎng)的強(qiáng)弱。那么，如何破解這個(gè)難點(diǎn)呢？

提出問題3：可以用電場(chǎng)力的大小直接表示該點(diǎn)電場(chǎng)的強(qiáng)弱嗎？

學(xué)生小組討論：不能。電場(chǎng)力的大小還和試探電荷自身的帶電量有關(guān)。根據(jù)演示實(shí)驗(yàn)2可知，同一試探電荷越靠近金屬球所受電場(chǎng)力越大，說明越靠近金屬球的地方場(chǎng)強(qiáng)越大。但是如果在靠近金屬球的地方放一個(gè)帶電量很小的試探電荷，所受的電場(chǎng)力有可能很小，這樣電場(chǎng)力的大小就不能直接反映電場(chǎng)的強(qiáng)弱。

演示實(shí)驗(yàn)3：破解電場(chǎng)力與電場(chǎng)強(qiáng)弱關(guān)系的難點(diǎn)問題，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示。通過不斷減少鋁箔的帶電量，可以觀察到距離金屬球近的地方，鋁箔所受電場(chǎng)力小。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象驗(yàn)證了學(xué)生小組討論的結(jié)果是正確的。

3.3 ? ?理論探究電場(chǎng)強(qiáng)度的比值定義式

提出問題4：我們可以通過電場(chǎng)力來研究電場(chǎng)的強(qiáng)弱，卻不能用電場(chǎng)力的大小直接表示電場(chǎng)的強(qiáng)弱。那么，我們?cè)撊绾味x該點(diǎn)電場(chǎng)的強(qiáng)弱呢？

學(xué)生小組討論：根據(jù)演示實(shí)驗(yàn)2和演示實(shí)驗(yàn)3可知，研究過程中共涉及三個(gè)物理量，試探與電荷金屬球間的距離（反映了電場(chǎng)的強(qiáng)弱），鋁箔的帶電量和鋁箔所受的電場(chǎng)力，研究三者之間的關(guān)系要用到控制變量法。當(dāng)用同一個(gè)試探電荷時(shí)，帶電量相同，這時(shí)可以用所受電場(chǎng)力來表示該點(diǎn)電場(chǎng)的強(qiáng)弱。而當(dāng)鋁箔帶電量不同時(shí)，不能直接用所受電場(chǎng)力的大小來表示電場(chǎng)的強(qiáng)弱，因?yàn)榇藭r(shí)所受的電場(chǎng)力還和試探電荷的帶電量有關(guān)。類比速度的定義方法，用位移與時(shí)間的比值表示物體運(yùn)動(dòng)的快慢，我們可以用鋁箔所受的電場(chǎng)力除以帶電量，得到單位電荷所受的電場(chǎng)力，用來表示電場(chǎng)的強(qiáng)弱。

理論驗(yàn)證建立電場(chǎng)強(qiáng)度的比值定義式。當(dāng)距離金屬球的位置固定時(shí)，該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)弱也就確定了，改變鋁箔的帶電量，通過庫侖定律得到鋁箔所受的電場(chǎng)力，設(shè)計(jì)表格如表2。

學(xué)生總結(jié)提升：由表2可知，鋁箔所受的電場(chǎng)力和帶電量的比值是一個(gè)定值，這個(gè)定值與試探電荷的帶電量無關(guān)，與所受電場(chǎng)力也無關(guān)，只反映了該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小，這種定義方法是比值定義法。物理學(xué)中把這個(gè)比值定義為電場(chǎng)強(qiáng)度E，E=。

3.4 ? ?半定量實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步構(gòu)建電場(chǎng)強(qiáng)度的概念

提出問題5：我們通過理論探究完成了電場(chǎng)強(qiáng)度概念的構(gòu)建，如何通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證呢？而且，理論探究過程中電場(chǎng)強(qiáng)度概念的得出是在點(diǎn)電荷電場(chǎng)模型下進(jìn)行的，缺乏對(duì)一般性電場(chǎng)的延伸與拓展，電場(chǎng)強(qiáng)度的概念對(duì)一般電場(chǎng)也適用嗎？

學(xué)生小組討論：設(shè)計(jì)一個(gè)半定量實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證電場(chǎng)強(qiáng)度E與試探電荷和電場(chǎng)力無關(guān)，只與電場(chǎng)本身有關(guān)。由于設(shè)計(jì)這個(gè)半定量實(shí)驗(yàn)需要在一般的電場(chǎng)中完成，所以空間中的電場(chǎng)由一塊帶電金屬板產(chǎn)生，這樣就從點(diǎn)電荷的電場(chǎng)拓展到一般電場(chǎng)。在金屬板的上方某一位置放置一個(gè)金屬帶電小球，實(shí)驗(yàn)過程中通過均分法改變金屬球的帶電量。根據(jù)牛頓第三定律，電子秤測(cè)量金屬板受力的值就是金屬球所受電場(chǎng)力的大小。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5。

實(shí)驗(yàn)原理及步驟：通過相同金屬小球等分電荷的原理，得到兩個(gè)帶電量相同的金屬小球。把其中一個(gè)帶電金屬小球放在電場(chǎng)中的位置1，再通過等分電荷的原理改變金屬球的帶電量，測(cè)量金屬球所受到的電場(chǎng)力。把另一個(gè)帶電金屬小球放在電場(chǎng)中的位置2，通過等分電荷的原理改變金屬球的帶電量，測(cè)量金屬球所受到的電場(chǎng)力。把測(cè)量數(shù)據(jù)記錄在表3中。

學(xué)生總結(jié)提升：由表3的數(shù)據(jù)，利用Excel表格得到圖像（如圖6）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出結(jié)論：F與q的比值是一個(gè)定值，說明電場(chǎng)強(qiáng)度與試探電荷無關(guān)。并且，在電場(chǎng)中不同位置測(cè)得的比值不相等，說明電場(chǎng)強(qiáng)度與試探電荷無關(guān)，只與電場(chǎng)本身有關(guān)。

設(shè)計(jì)意圖：通過半定量實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生體驗(yàn)完整的科學(xué)探究過程，提出問題—理論探究—定性實(shí)驗(yàn)—半定量實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠更加清晰地構(gòu)建出電場(chǎng)強(qiáng)度的概念，并且理解比值定義法的物理意義。

3.5 ? ?學(xué)以致用，理論探究點(diǎn)電荷場(chǎng)強(qiáng)的決定式

提出問題6：學(xué)習(xí)了電場(chǎng)強(qiáng)度的概念，你可以得出點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)公式嗎？

學(xué)生小組合作：根據(jù)庫侖定律F=k，可知，E==k。這就是點(diǎn)電荷周圍的場(chǎng)強(qiáng)公式，與定性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相符合。并且點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)公式不同于電場(chǎng)強(qiáng)度的比值定義式，它是決定式，與場(chǎng)源電荷的帶電量成正比，與離場(chǎng)源電荷距離的平方成反比。

4 ? ?反思與結(jié)語

為了突破“電場(chǎng)強(qiáng)度”教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，筆者通過PBL教學(xué)法的教學(xué)模式，即：創(chuàng)設(shè)問題情境—發(fā)現(xiàn)問題、提出問題—分析問題、提出假設(shè)—自主探究、合作學(xué)習(xí)—?dú)w納總結(jié)、解決問題—升華問題、合理拓展，降低了學(xué)生對(duì)于抽象物理概念理解的難度，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力，讓學(xué)生更加容易理解比值法的含義以及如何利用比值法定義電場(chǎng)強(qiáng)度，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過程和科學(xué)探究的過程，提升了學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯 ? ?鄧 ? 磊）