蘇媛媛

龍巖第一中學(xué)，福建 龍巖 364000

隨著新課改的不斷推進(jìn)，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出以學(xué)生發(fā)展為本，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求。物理是一門以物理概念為基礎(chǔ)，以物理定律為主干，各概念與公式定律間又共同構(gòu)成一個(gè)嚴(yán)密邏輯體系的學(xué)科［1］。概念教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑之一。傳統(tǒng)的概念教學(xué)通常以教師講授為主，大多只停于表面，學(xué)生參與度不高，效率低下。

如何以學(xué)生發(fā)展為本呢？1969年加拿大麥克馬斯特大學(xué)的Barrows教授首創(chuàng)以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法 PBL（Problem Based Learning），即以學(xué)生為中心的教育方式，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生的主動學(xué)習(xí)為主，而不是以教師講授為主。PBL將學(xué)習(xí)與問題掛鉤，使學(xué)習(xí)者投入于問題中，在問題的探究中掌握隱含的科學(xué)知識。問題導(dǎo)向教學(xué)法的精髓在于發(fā)揮問題對學(xué)習(xí)過程的指導(dǎo)作用，而遞進(jìn)式問題鏈?zhǔn)歉鶕?jù)事物之間的內(nèi)在聯(lián)系提出一系列由淺入深的問題［2］。本文即以魯科版新教材“電場與電場強(qiáng)度”教學(xué)為例，設(shè)計(jì)基于遞進(jìn)式問題鏈和科學(xué)探究的教學(xué)過程。

1 教材分析與教學(xué)策略

靜電場是整個(gè)高中物理電磁學(xué)的基礎(chǔ)，“電場與電場強(qiáng)度”是魯科版高中物理必修三第一章第3節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容是在學(xué)生學(xué)習(xí)了“庫侖定律”的基礎(chǔ)上提出“電場”的概念，從電荷在電場中受力的角度研究靜電場力的基本性質(zhì)，場強(qiáng)是描述電場力的性質(zhì)的物理量，用比值法定義場強(qiáng)對后續(xù)電勢、電容和磁感應(yīng)強(qiáng)度等概念的學(xué)習(xí)有著重要的意義。

學(xué)生通過前面的學(xué)習(xí)，從初中物理的定性分析上升到高中物理的定量討論，從形象思維上升到抽象思維，具備一定的觀察和分析能力。但是，利用所學(xué)知識創(chuàng)造新概念，通過現(xiàn)象分析得出理論的能力還有待進(jìn)一步提高。因此，本堂課利用演示實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)探究，通過設(shè)置問題鏈促進(jìn)學(xué)生深層次思考，體驗(yàn)概念的建立過程，圓滿完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 創(chuàng)設(shè)活動情境，引出前人探索的歷程

活動1：給你兩根吸管、細(xì)線、掛鉤、鐵架臺，如何讓吸管轉(zhuǎn)起來？（要求：兩吸管不能直接接觸，不能用嘴吹氣）

學(xué)生活動：細(xì)線的一端固定在鐵架臺上，另一端拴在掛鉤上。兩根吸管與頭發(fā)摩擦后，將其中一根吸管置于掛鉤上，用另一根吸管靠近時(shí)，掛鉤上的吸管被排斥而轉(zhuǎn)起來。

問題1：仔細(xì)觀察同學(xué)的操作，結(jié)合前面學(xué)習(xí)的內(nèi)容，解釋他是如何做到的？

活動1和問題1設(shè)置的目的是通過課前游戲，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生直觀認(rèn)識到有些力的產(chǎn)生不需要直接接觸，引導(dǎo)思考“非接觸力是如何傳遞的”，進(jìn)而介紹相關(guān)物理學(xué)史，了解人類認(rèn)識物理規(guī)律的歷程，感受科學(xué)家們對真理的探究精神，體現(xiàn)“從生活走向物理”的理念。

2.2 創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，體驗(yàn)科學(xué)探究過程

探究一感受電場的存在

活動2：給金屬球通電。

問題2：金屬球周圍是否有電場？

問題2.1：電場看不見、摸不著，如何知道它是存在的呢？

問題2.2：例如，我們坐在教室里，知道外面起風(fēng)了，你是怎么知道的呢？

問題2.3：這給我們提供了一種什么樣的研究方法？為了證明電場的存在，我們可以怎么做？依據(jù)是什么？

問題2.4：對放入電場中的試探電荷有什么要求？

問題2及其子問題的目的：

①引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識：對于無形的物質(zhì)，我們可以借助外物間接研究。教學(xué)中用學(xué)生熟知的無形的風(fēng)進(jìn)行類比，給學(xué)生充分的想象空間，便于學(xué)生理解抽象的物理概念（電場）。

②按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，通過層層追問，結(jié)合實(shí)物，讓學(xué)生理解并掌握電場的基本性質(zhì)以及場源電荷、試探電荷等概念，促進(jìn)學(xué)生建立并理解抽象的物理模型，提升其思維品質(zhì)。

活動3：讓泡沫小球帶上電荷，用絕緣細(xì)線拴住泡沫小球放入電場。

問題3：仔細(xì)觀察并解釋現(xiàn)象。

問題3.1：將泡沫小球（試探電荷）放在金屬球周圍，你觀察到什么現(xiàn)象？得出什么結(jié)論？

問題3.2：將泡沫小球（試探電荷）放在金屬球不同距離處，你觀察到什么現(xiàn)象？得出什么結(jié)論？

問題3.3：是不是說明試探電荷受電場力越大，對應(yīng)位置的電場就越強(qiáng)？

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科的特點(diǎn)，該部分內(nèi)容采用教師演示、學(xué)生觀察的方法，引導(dǎo)學(xué)生思考問題3、問題 3.1和問題 3.2，旨在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察，培養(yǎng)他們通過現(xiàn)象分析問題的能力，使他們認(rèn)識到：①金屬球周圍有電場，細(xì)線偏角方向不同（試探電荷受力方向不同），即電場有方向（矢量性）；②試探電荷在不同距離處細(xì)線偏角不同，受力大小不同，即電場有強(qiáng)弱。問題3.3的出現(xiàn)引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，觸發(fā)進(jìn)一步思考，提升其思維品質(zhì)，也為下一階段的實(shí)驗(yàn)探究埋下伏筆。

活動4：利用現(xiàn)有的器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，探究電場強(qiáng)弱與電場力的關(guān)系。

問題4：你們組的觀點(diǎn)是什么？如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？（學(xué)生分組討論，匯報(bào)成果）

“科學(xué)探究”是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分，它注重過程和體驗(yàn)，能夠培養(yǎng)學(xué)生勤于探究、樂于思考的意識和習(xí)慣，能夠有效幫助學(xué)生建構(gòu)物理概念和規(guī)律［3］。該部分內(nèi)容采用學(xué)生分組討論，小組代表上臺闡述并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的方式，學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。旨在引導(dǎo)學(xué)生樹立實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡囊庾R，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力；小組討論的方式大大提高了課堂效率，培養(yǎng)學(xué)生合作互助的意識；小組間交流意見，鼓勵(lì)組內(nèi)代表闡述自己的觀點(diǎn)，提高語言表達(dá)能力，在互助合作中提升科學(xué)探究能力；小組代表上臺實(shí)驗(yàn)操作，教師根據(jù)表述情況及時(shí)提出問題（例如，如何獲取不同的試探電荷？——接觸法，分走部分電荷；如何控制電場中的同一點(diǎn)？——用筷子記錄電場位置等），引導(dǎo)學(xué)生正確操作，鍛煉動手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ耐瑫r(shí)，培養(yǎng)分析問題的能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度?；顒?及其探究過程引發(fā)學(xué)生深層次的思維沖突，推進(jìn)下一階段的理論探究。

表1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

問題5：試探電荷受到的電場力能不能反映該處電場的強(qiáng)弱呢？我們從理論上進(jìn)一步推導(dǎo)。

問題5.1：如圖1所示，已知真空中點(diǎn)電荷Q的電場中，距離場源為2r和r處有A、B兩點(diǎn)。①將試探電荷q放在電場中不同點(diǎn)（A點(diǎn)和B點(diǎn)），設(shè)它在A點(diǎn)所受電場力為F，則它在B點(diǎn)受到的電場力是多少？②試探電荷電量分別為2q，3q，4q時(shí)，在A點(diǎn)受到的電場力是多少？③B點(diǎn)處放入不同的試探電荷時(shí)的受力分別是多少？

圖1 理論推導(dǎo)模型

學(xué)生分析，得到結(jié)論，如表2所示。

表2 分析結(jié)論

問題5.2：結(jié)合表1、表2，你能得到什么結(jié)論？

引導(dǎo)學(xué)生得到如下結(jié)論：

①結(jié)合實(shí)驗(yàn)1，縱向分析表格，說明同一試探電荷放在電場中的不同點(diǎn)受力不同，受力大，對應(yīng)的電場強(qiáng)（同一試探電荷受力不同，是電場本身強(qiáng)弱引起的）——離場源電荷越近，電場越強(qiáng)。

②結(jié)合實(shí)驗(yàn)2，橫向分析表格，電場中同一點(diǎn)，不同試探電荷受到的電場力是不同的（某點(diǎn)的電場強(qiáng)弱是確定的，試探電荷受力不同是帶電量不同導(dǎo)致的）。

問題5.3：如何消除試探電荷帶電量的影響？

問題5的設(shè)置是在學(xué)生充分了解現(xiàn)象的基礎(chǔ)上進(jìn)行的理論推導(dǎo)（首先進(jìn)行庫侖定律的簡單應(yīng)用，然后通過層層設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會分析數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)看到隱藏其中的物理規(guī)律，從而得到結(jié)論：這一比值反映的是電場自身的屬性，其大小反映電場的強(qiáng)弱，與引入的試探電荷無關(guān)）。在實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)上進(jìn)行更高級的理論探究，設(shè)置問題層層遞進(jìn)，教學(xué)過程中傳遞了豐富的科學(xué)思想和方法，逐漸建構(gòu)出“場強(qiáng)”這一概念，概念、定義式等的得出水到渠成，便于學(xué)生理解和接受，從而實(shí)現(xiàn)本堂教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

問題6：我們還學(xué)過哪些物理量是用比值法定義的？

問題6.1：某同學(xué)由場強(qiáng)定義式得出“場強(qiáng)的大小與試探電荷所受的電場力大小成正比，與其電荷量成反比”，這個(gè)觀點(diǎn)對嗎？

用比值定義物理量是物理學(xué)中常用的一種方法（比如密度、場強(qiáng)、速度、比熱容等），就是用兩個(gè)基本物理量的“比”來定義一個(gè)新的物理量，其特點(diǎn)是該比值反映的是自身的屬性，它不隨所用物理量的大小取舍而改變（比如，電場中某點(diǎn)的場強(qiáng)不隨試探電荷q及其受力F而改變）。該部分設(shè)置意在加強(qiáng)學(xué)生對比值法的理解，尋找此種方法定義的物理量的共性，開展類比，促進(jìn)學(xué)生思維提升和知識的遷移，在類比中加深理解。

問題7：有同學(xué)認(rèn)為，場強(qiáng)方向就是試探電荷受力的方向，你覺得對嗎？

問題7.1：場源電荷＋Q，電場中A點(diǎn)處放入正的試探電荷（圖2），判斷試探電荷受力方向。

問題7.2：場源電荷＋Q，電場中A點(diǎn)處放入負(fù)的試探電荷（圖2），判斷試探電荷受力方向。

圖2 試探電荷受力方向判斷

問題 7.3：場源電荷＋Q（圖 3），判斷電場中 A點(diǎn)的場強(qiáng)方向。

問題 7.4：場源電荷-Q（圖 3），判斷電場中 A點(diǎn)的場強(qiáng)方向。

圖3 場強(qiáng)方向判斷

問題7.1、問題7.2讓學(xué)生在應(yīng)用所學(xué)知識的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)問題，從而明確為什么要對場強(qiáng)方向進(jìn)行規(guī)定，說明場強(qiáng)與試探電荷電性、電量無關(guān)；問題 7.3、問題 7.4加強(qiáng)學(xué)生對“場強(qiáng)反映自身屬性”這一特性的理解。

問題8：如圖4所示，真空中A點(diǎn)處有一點(diǎn)電荷Q，距此點(diǎn)距離為r的B點(diǎn)處放入試探電荷q？已知靜電力常量k，求：

圖4 例題圖示

（1）試探電荷受到的電場力；

（2）B 點(diǎn)處的場強(qiáng) EB。

適時(shí)呈現(xiàn)例題，讓學(xué)生體驗(yàn)物理規(guī)律的應(yīng)用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，要求學(xué)生作答規(guī)范，提高解題能力；通過此題，學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識（庫侖定律和場強(qiáng)的定義式）推導(dǎo)出點(diǎn)電荷場強(qiáng)的決定式，知道公式的來龍去脈，明確其適用范圍，提高理論與實(shí)踐相結(jié)合的意識，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和推論能力。

問題9：以點(diǎn)電荷＋Q為中心作一個(gè)球面，球面上各點(diǎn)場強(qiáng)相同？

通過概念辨析，加強(qiáng)理解，明確不同公式的適用范圍及相關(guān)物理量的意義，提高學(xué)生反思的能力，加強(qiáng)對物理規(guī)律及意義的深刻理解和掌握，對學(xué)生學(xué)習(xí)物理規(guī)律的內(nèi)在建構(gòu)過程和認(rèn)知有重大意義。

3 結(jié)語

本節(jié)課通過問題鏈，結(jié)合實(shí)驗(yàn)探究、理論探究、多媒體輔助等方法，精心設(shè)置不同情境，讓學(xué)生體驗(yàn)物理規(guī)律的探究過程，學(xué)習(xí)物理知識的同時(shí)，提高科學(xué)探究能力、綜合分析能力等，全面提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，很好地落實(shí)了立德樹人根本目的。