余科鵬 袁令民

(1. 四川省成都市實驗外國語學校(西區(qū))，四川 成都 610213；2. 四川師范大學物理與電子工程學院，四川 成都 610100)

近年來，學習進階已成為科學教育界研究的熱點。北京師大郭玉英教授團隊提出的學習進階層級模型，對中學物理教學改革提出了指導性建議?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準(2017年版)》明確指出：教師在教學過程中要讓學生體會建構(gòu)物理概念模型的思維方法，教師引導學生經(jīng)歷物理概念建構(gòu)過程和物理規(guī)律形成過程，是發(fā)展科學思維的重要途徑?？茖W概念的學習進階模型描述了學生在不同復雜度等級上的認知水平，作為科學教育的研究范式指導著教學改革?；趯W習進階層級模型，物理概念教學設計與實踐對促進學生科學思維能力的發(fā)展具有極其重要的作用，現(xiàn)以“電場強度 電勢”的教學為例，運用學習進階層級模型，探討電場強度、電勢概念的建構(gòu)策略，促進學生科學思維能力的提升。

1 學情分析

在“電場強度 電勢”的教學中，教師多采用類比法，將場強E、電勢φ分別與重力場中重力加速度g、高度h相類比，進而讓學生掌握電場中場強、電勢的分布規(guī)律。學生在類比過程中未能思考并解決以下問題：為什么能夠類比？如何類比？因此，這樣的教學并沒有讓學生經(jīng)歷概念建構(gòu)的思維過程，不利于學生科學思維能力的培養(yǎng)，導致學生對場強與電勢兩概念之間的關(guān)系認識不清，存在以下錯誤認識：電勢為0的地方場強也為0；場強為0的地方電勢也為0；場強相同的地方電勢也相同；電勢相等的地方場強也相同。

利用學習進階層級模型可以幫助學生更好地建構(gòu)場強、電勢概念，理解兩者之間的聯(lián)系，避免學生對場強和電勢概念的片面理解，有效避免上述錯誤認識的產(chǎn)生。

2 學習進階層級模型

學習進階是對學生在一個時間跨度內(nèi)學習和探究某一主題時依次進階、逐級深化的思維方式的描述，是隨著教學的深入，學生對某一學習主題的思考和認識不斷豐富、深入的過程。在學習進階模型中，科學概念理解的發(fā)展層級為：事實經(jīng)驗、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合。

基于學習進階層級模型，筆者設計了場強與電勢概念建構(gòu)的具體教學流程(圖1)。

圖1

3 進階步驟

在學習進階層級模型中，電場強度與電勢兩概念的建構(gòu)通過5個步驟依次進階。

(1) 以事實經(jīng)驗作為進階根基，分別從力的角度和能量角度認識場，場強與電勢兩概念描述了靜電場的不同特征，說明兩物理量之間存在一定聯(lián)系；

(2) 運用學生熟悉的重力場的物理量類比靜電場的物理量，體現(xiàn)兩種場的物理特征的相似性；

(3) 以重力做功與重力勢能變化為媒介，類比電場力做功與電勢能變化，建立電場強度與電勢能的聯(lián)系；

(4) 建構(gòu)電勢概念，探討電勢差與電場力做功的關(guān)系，探討電勢差與電場強度的關(guān)系三個階段，最終建立電場強度與電勢兩物理量間的聯(lián)系；

(5) 在前面概念建構(gòu)的基礎上，將重力場與靜電場進一步作類比，總結(jié)重力場與靜電場同屬“場物質(zhì)”這一大概念下的相似特征。

3.1 事實經(jīng)驗——認識場

場概念是物理學的一個重要概念，是自然界除實物以外物質(zhì)存在的另一種形式，雖看不見、摸不著，但卻真實存在，可從以下兩個角度對電場概念進行建構(gòu)。

(1) 力的角度

由于處于電場中的電荷會受到靜電力，所以可從力的角度進行研究。研究方法是：① 研究同一電荷在電場中不同位置的受力情況；② 研究不同電荷在電場中同一位置的受力情況。③ 研究上述兩種情況中電荷在電場中所受的靜電力特征，進而引入對應電場力性質(zhì)的物理量——電場強度，它表示場中某位置對單位正電荷的作用力大小和方向。

(2) 能量角度

在研究靜電力做功特點的過程中，發(fā)現(xiàn)做功的多少與電荷運動的路徑無關(guān)，僅與電荷在電場中的始、末位置有關(guān)，從而引入電勢能的概念。電勢能是反映電荷在電場中所具有的能量，表征了電場的能的性質(zhì)，可類比電場強度建構(gòu)電勢的概念。

從對電場的描述可以發(fā)現(xiàn)，場的概念建構(gòu)如圖2所示。場強和電勢分別描述場物質(zhì)的力的屬性和能的屬性，它們之間是否存在聯(lián)系？

圖2

3.2 映射——引力場映射靜電場

物體之間由于相互作用而存在的物質(zhì)稱作引力場。由于場是自然界中的一類物質(zhì)，引力場與靜電場特征相似，因此，可將靜電場與引力場各物理概念作類比(表1)。

表1

3.3 關(guān)聯(lián)——重力場做功關(guān)聯(lián)靜電場做功

地球重力場是在地球周圍分布的一種場物質(zhì)，所以在認識重力場后，依據(jù)功是能量轉(zhuǎn)化的量度，可找到將場強(力的角度)與勢能(能量角度)相聯(lián)系的媒介——做功。在重力場中，當物體的高度發(fā)生變化時，重力做功，重力勢能發(fā)生變化：物體被舉高時，重力做負功，重力勢能增大；物體下降時，重力做正功，重力勢能減小。因此重力勢能與重力做功密切相關(guān)，認識重力勢能不應脫離對重力做功的研究。

如圖3甲所示，設一個質(zhì)量為m的物體從與地面高度為h1的位置A,豎直向下運動到高度為h2的位置B，重力做功WG=mgΔh=mgh1-mgh2；再看另一種情況，質(zhì)量為m的物體沿著斜面向下運動到B′(圖3乙)，高度由h1降為h2，沿斜面下滑距離L，在這個過程中，重力做功WG=(mgcosθ)l=mgΔh=mgh1-mgh2。研究表明：物體運動時，重力對它做的功只跟它的起點和終點位置有關(guān)，而跟物體運動的路徑無關(guān)。

圖3

類比重力做功，在靜電場中，電勢能與電場力做功也與之類似，認識電勢能也不應脫離對電場力做功的研究。如圖4甲所示，設在電場強度為E的勻強電場中任取A、B兩點，把試探電荷q沿兩條不同路徑從A點移動到B點，計算兩種情況下靜電力對電荷所做的功。

首先把q從A點移動到B點，此過程q受到的靜電力F與位移夾角始終為θ，靜電力對q做功WAB=FcosθsAB=qEcosθsAB=qEsAM，再把q沿折線AMB從A移到B，在位移AM方向上，靜電力對q做功WAB=qEsAM，在位移MB方向上，由于移動方向跟靜電力方向垂直，靜電力不做功，則WMB=0，故在q沿折線AMB移動的過程中，靜電力對q所做的功WAMB=WAM+WMB=qEsAM,所以靜電力對q在以上兩種不同路徑上的做功相同。另外，還可以使q沿任意曲線從A移動到B(圖4乙)，這時可把曲線分解成無數(shù)小段，各小段沿垂直電場方向靜電力不做功，各小段沿電場方向移動的距離之和為sAM，因此q沿任意曲線從A移到B靜電力做功也是WAB=qEsAM，可見不論q經(jīng)由何路徑從A移到B，靜電力做功相等，因此，電荷在勻強電場中移動時，靜電力所做的功與電荷起始位置和終止位置有關(guān)，與路徑無關(guān)，可以做功為媒介將電場強度與電勢能建立關(guān)系。

圖4

3.4 系統(tǒng)——建立電場強度與電勢的聯(lián)系

(1) 建立電勢概念

通過對靜電力做功的研究，認識了電場強度和電勢能之間的關(guān)系?，F(xiàn)在通過對電勢能的研究認識另一個物理量——電勢，它同樣是表征電場性質(zhì)的重要物理量。

圖5

(2) 建立電勢差與電場力做功的聯(lián)系

(3) 建立電勢差與電場強度的聯(lián)系

通常用電場線和等勢線分別描述電場強度和電勢，電場線和等勢線的疏密存在對應關(guān)系，表明電場強度與電勢之間存在一定的聯(lián)系。以勻強電場為例討論它們之間的關(guān)系。如圖6所示，在電場強度為E的勻強電場中，電荷q從A移動到B，根據(jù)靜電力做功W與A、B兩點的電勢差UAB的關(guān)系，得：W=qUAB。

圖6

3.5 整合——重力場與電場的類比

由電場中電場強度、電勢的關(guān)系，可對重力場與勻強電場中各物理量進行類比(表2)，幫助學生進一步加深對重力場和電場的理解。

表2

4 結(jié)語

在學習進階層級模型視域下，將電場強度與電勢兩概念通過五個步驟依次進階，使學生逐步形成靜電場的物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念?；诮?jīng)驗事實建構(gòu)物理概念，可幫助學生將抽象的場形象化，促進學生核心素養(yǎng)的提升。