黃佳

摘 ?要：核心素養(yǎng)下PBL（Problem-Based Learning）教學法，就是學生在問題情境中自主學習，進行科學探究，進而解決問題的過程。文章以“電場強度”為例進行創(chuàng)新教學設計和分析，使學生形成正確的物理觀念，培養(yǎng)學生的邏輯思維能力和科學探究能力，進而在這個過程中提升學生的物理學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：核心素養(yǎng);PBL教學法;科學探究;教學設計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）1-0033-4

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

物理核心素養(yǎng)由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度和責任”4個方面構成。物理核心素養(yǎng)是指學生在接受物理教育過程中逐步形成的適合個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內(nèi)化的帶有物理學科特性的品質(zhì)，是學生科學素養(yǎng)的重要構成部分。如何在物理課堂教學中體現(xiàn)物理核心素養(yǎng)？什么樣的教學設計才能促進學生物理核心素養(yǎng)的提升？筆者試圖借助PBL教學法的創(chuàng)新應用來談談自己的一些想法。

PBL（Problem-Based Learning）教學法，也稱為基于問題的教學或問題導向式教學，教學過程中的學生為了理解或者解決一個具體問題而進行自主學習的過程。PBL教學法是一種在真實問題情境中，以小組合作的學習形式，在教師引導下共同解決問題，學生在構建物理知識的基礎上，發(fā)展自身的合作學習能力、問題解決能力及自主學習能力的一種教學方式。 PBL教學法的這些理念與優(yōu)勢和物理核心素養(yǎng)的要求不謀而合。PBL教學法完美呈現(xiàn)了培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)的過程，即學生的學習過程是不斷探究發(fā)現(xiàn)的過程，是解決真實問題的過程，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)遞進的過程。

2 ? ?核心素養(yǎng)下PBL教學法的模型建構

基于問題的學習，就是通過系列的問題來推動持續(xù)性學習行為的活動，它要求學習活動以問題的發(fā)現(xiàn)與提出為開端，用有層次、結(jié)構化、可持續(xù)、可拓展的問題系統(tǒng)貫穿學生的學習過程和知識的整合過程，通過問題系統(tǒng)的解決，完成學習的有效遷移，實現(xiàn)知識的連續(xù)構建。基于此，基于PBL教學法的創(chuàng)新教學設計的基本流程如圖1。

本教學設計通過分解教學目標來構建問題系統(tǒng)。把教學目標根據(jù)教學內(nèi)容的內(nèi)在關系分解為一個個遞進的、具體的子任務，然后把由教學目標分解得到的教學子任務轉(zhuǎn)化為問題的形式呈現(xiàn)給學生，從而構建問題系統(tǒng)。以“電場強度”為例，構建本節(jié)課的教學子任務和問題系統(tǒng)，并且由之生成課堂探究活動，如表1。

3 ? ?核心素養(yǎng)下PBL教學法在課堂教學中的實踐

3.1 ? ?創(chuàng)設問題情境建立電場的概念

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。 兩個帶電體之間沒有相互接觸，為什么會有力的作用呢？

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

演示實驗1：破解“超距作用”的觀點。按照超距作用的觀點，鋁箔和金屬球之間有無介質(zhì)都不會影響兩者的相互作用，這時用金屬網(wǎng)罩住金屬球時，發(fā)現(xiàn)鋁箔擺動角度減小，受力減少。這樣就簡單地論證了“超距作用”觀點的不足，并結(jié)合物理學史，讓學生體會科學思維之美。從而建立了“場”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。

3.2 ? ?定性實驗探究電場力與電場強弱的關系

筆者在實際教學中發(fā)現(xiàn)，如果按照教材的描述進行教學，學生可以“很輕松”地得到：E=。但是，絕大部分學生不明白為何要用力F來定義電場;其次，學生只知道是常量，而不知道為什么要將F和q相比。所以，建構電場強度概念的過程，是對學生邏輯思維能力進一步培養(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，但是電場看不見、摸不著，我們?nèi)绾闻袛嚯妶龅膹娙跄兀?/p>

學生小組討論：電場看不見、摸不著，是物理學中的抽象概念，我們可以通過看得見、摸得著的物理量去研究電場，這個物理量就是電荷在電場中受到的電場力。

演示實驗2：定性研究電場力與電場強弱的關系，實驗現(xiàn)象如圖3所示。鋁箔靠近金屬球時，繩子的偏角增大，表示所受到的電場力變大，說明該點的電場強度較強。

設計意圖：利用科學思維引導學生，學會用看得見、摸得著的物理量去完成對抽象物理量的研究。本節(jié)課的電場以及后面要學到的電勢能、磁場等概念，都用這樣的思想進行研究。根據(jù)電場力的特性，我們可以通過研究電場力來完成對電場強弱的研究。但是，學生往往會簡單地認為，電場力就可以直接用來表示電場的強弱。那么，如何破解這個難點呢？

提出問題3：可以用電場力的大小直接表示該點電場的強弱嗎？

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

演示實驗3：破解電場力與電場強弱關系的難點問題，實驗現(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，鋁箔所受電場力小。實驗現(xiàn)象驗證了學生小組討論的結(jié)果是正確的。

3.3 ? ?理論探究電場強度的比值定義式

提出問題4：我們可以通過電場力來研究電場的強弱，卻不能用電場力的大小直接表示電場的強弱。那么，我們該如何定義該點電場的強弱呢？

學生小組討論：根據(jù)演示實驗2和演示實驗3可知，研究過程中共涉及三個物理量，試探與電荷金屬球間的距離（反映了電場的強弱），鋁箔的帶電量和鋁箔所受的電場力，研究三者之間的關系要用到控制變量法。當用同一個試探電荷時，帶電量相同，這時可以用所受電場力來表示該點電場的強弱。而當鋁箔帶電量不同時，不能直接用所受電場力的大小來表示電場的強弱，因為此時所受的電場力還和試探電荷的帶電量有關。類比速度的定義方法，用位移與時間的比值表示物體運動的快慢，我們可以用鋁箔所受的電場力除以帶電量，得到單位電荷所受的電場力，用來表示電場的強弱。

理論驗證建立電場強度的比值定義式。當距離金屬球的位置固定時，該點的電場強弱也就確定了，改變鋁箔的帶電量，通過庫侖定律得到鋁箔所受的電場力，設計表格如表2。

學生總結(jié)提升：由表2可知，鋁箔所受的電場力和帶電量的比值是一個定值，這個定值與試探電荷的帶電量無關，與所受電場力也無關，只反映了該點的場強大小，這種定義方法是比值定義法。物理學中把這個比值定義為電場強度E，E=。

3.4 ? ?半定量實驗進一步構建電場強度的概念

提出問題5：我們通過理論探究完成了電場強度概念的構建，如何通過實驗來驗證呢？而且，理論探究過程中電場強度概念的得出是在點電荷電場模型下進行的，缺乏對一般性電場的延伸與拓展，電場強度的概念對一般電場也適用嗎？

學生小組討論：設計一個半定量實驗來驗證電場強度E與試探電荷和電場力無關，只與電場本身有關。由于設計這個半定量實驗需要在一般的電場中完成，所以空間中的電場由一塊帶電金屬板產(chǎn)生，這樣就從點電荷的電場拓展到一般電場。在金屬板的上方某一位置放置一個金屬帶電小球，實驗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，電子秤測量金屬板受力的值就是金屬球所受電場力的大小。實驗裝置如圖5。

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

學生總結(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)實驗現(xiàn)象得出結(jié)論：F與q的比值是一個定值，說明電場強度與試探電荷無關。并且，在電場中不同位置測得的比值不相等，說明電場強度與試探電荷無關，只與電場本身有關。

設計意圖：通過半定量實驗讓學生體驗完整的科學探究過程，提出問題—理論探究—定性實驗—半定量實驗，使學生能夠更加清晰地構建出電場強度的概念，并且理解比值定義法的物理意義。

3.5 ? ?學以致用，理論探究點電荷場強的決定式

提出問題6：學習了電場強度的概念，你可以得出點電荷的場強公式嗎？

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

4 ? ?反思與結(jié)語

為了突破“電場強度”教學中的重點、難點，筆者通過PBL教學法的教學模式，即：創(chuàng)設問題情境—發(fā)現(xiàn)問題、提出問題—分析問題、提出假設—自主探究、合作學習—歸納總結(jié)、解決問題—升華問題、合理拓展，降低了學生對于抽象物理概念理解的難度，培養(yǎng)了學生的科學思維能力，讓學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強度，引導學生經(jīng)歷物理概念的建構過程和科學探究的過程，提升了學生的物理核心素養(yǎng)。

參考文獻：

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[2]王俊.還原概念建構情境 揭示科學思維過程——記“電場強度”概念建構教學[J].中學物理教學參考，2012，41（11）：22-23.

（欄目編輯 ? ?鄧 ? 磊）