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“電場強(qiáng)度”為例進(jìn)行創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計和分析，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

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)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(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人終身發(fā)展和社會發(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持續(xù)性學(xué)習(xí)行為的活動，它要求學(xué)習(xí)活動以問題的發(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，實現(xiàn)知識的連續(xù)構(gòu)建?；诖耍赑BL教學(xué)法的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計的基本流程如圖1。

本教學(xué)設(shè)計通過分解教學(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)系分解為一個個遞進(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，如表1。

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

3.1 ? ?創(chuàng)設(shè)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(xué)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(diǎn)，一種是“超距作用”的觀點(diǎn)，還有一種是“場”的觀點(diǎn)。

演示實驗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(diǎn)的不足，并結(jié)合物理學(xué)史，讓學(xué)生體會科學(xué)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(qiáng)弱的關(guān)系

筆者在實際教學(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;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)電場強(qiáng)度概念的過程，是對學(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，但是電場看不見、摸不著，我們?nèi)绾闻袛嚯妶龅膹?qiáng)弱呢？

學(xué)生小組討論：電場看不見、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，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(qiáng)弱的關(guān)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(diǎn)的電場強(qiáng)度較強(qiáng)。

設(shè)計意圖：利用科學(xué)思維引導(dǎo)學(xué)生，學(xué)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(xué)到的電勢能、磁場等概念，都用這樣的思想進(jìn)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(qiáng)弱的研究。但是，學(xué)生往往會簡單地認(rèn)為，電場力就可以直接用來表示電場的強(qiáng)弱。那么，如何破解這個難點(diǎn)呢？

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

學(xué)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(guān)。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(qiáng)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(qiáng)弱。

演示實驗3：破解電場力與電場強(qiáng)弱關(guān)系的難點(diǎn)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(xué)生小組討論的結(jié)果是正確的。

3.3 ? ?理論探究電場強(qiáng)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(qiáng)弱，卻不能用電場力的大小直接表示電場的強(qiáng)弱。那么，我們該如何定義該點(diǎn)電場的強(qiáng)弱呢？

學(xué)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(qiáng)弱），鋁箔的帶電量和鋁箔所受的電場力，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(diǎn)電場的強(qiáng)弱。而當(dāng)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(qiáng)弱，因為此時所受的電場力還和試探電荷的帶電量有關(guān)。類比速度的定義方法，用位移與時間的比值表示物體運(yùn)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(qiáng)弱。

理論驗證建立電場強(qiáng)度的比值定義式。當(dāng)距離金屬球的位置固定時，該點(diǎn)的電場強(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力，設(shè)計表格如表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(guān)，與所受電場力也無關(guān)，只反映了該點(diǎn)的場強(qiáng)大小，這種定義方法是比值定義法。物理學(xué)中把這個比值定義為電場強(qiáng)度E，E=。

3.4 ? ?半定量實驗進(jìn)一步構(gòu)建電場強(qiáng)度的概念

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

學(xué)生小組討論：設(shè)計一個半定量實驗來驗證電場強(qiáng)度E與試探電荷和電場力無關(guān)，只與電場本身有關(guān)。由于設(shè)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(diǎn)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(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(qiáng)度與試探電荷無關(guān)。并且，在電場中不同位置測得的比值不相等，說明電場強(qiáng)度與試探電荷無關(guān)，只與電場本身有關(guān)。

設(shè)計意圖：通過半定量實驗讓學(xué)生體驗完整的科學(xué)探究過程，提出問題—理論探究—定性實驗—半定量實驗，使學(xué)生能夠更加清晰地構(gòu)建出電場強(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)電荷場強(qiáng)的決定式

提出問題6：學(xué)習(xí)了電場強(qiáng)度的概念，你可以得出點(diǎn)電荷的場強(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)電荷周圍的場強(qiáng)公式，與定性實驗的結(jié)果相符合。并且點(diǎn)電荷的場強(qiáng)公式不同于電場強(qiáng)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(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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[2]王俊.還原概念建構(gòu)情境 揭示科學(xué)思維過程——記“電場強(qiáng)度”概念建構(gòu)教學(xué)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2012，41（11）：22-23.

（欄目編輯 ? ?鄧 ? 磊）