陶揚 邢紅軍

摘 ? 要：電場強度是學(xué)生定量認(rèn)識場的首個概念。通過梳理電場強度的教學(xué)邏輯，透視教學(xué)設(shè)計背后的研究思路，發(fā)現(xiàn)其教學(xué)設(shè)計范式主要分為三類：總結(jié)式教學(xué)設(shè)計范式、類比式教學(xué)設(shè)計范式和顯化科學(xué)方法的教學(xué)設(shè)計范式。通過分析不同教學(xué)設(shè)計范式的優(yōu)點與缺點，為電場強度概念的教學(xué)提供有益啟示。

關(guān)鍵詞：教學(xué)設(shè)計；電場強度；科學(xué)方法

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2023）7-0031-5

長期以來，電場強度概念一直是高中物理教學(xué)的重點與難點，其原因不僅在于電場強度是高中電學(xué)的重要概念，也是學(xué)生定量認(rèn)識場的首個概念。因此，教師們不斷探索如何幫助學(xué)生科學(xué)地構(gòu)建電場強度概念，并逐步形成了不同的教學(xué)設(shè)計范式。哪種教學(xué)設(shè)計范式更為接近電場強度概念教學(xué)的本質(zhì)？更符合物理教學(xué)邏輯？到目前為止，中學(xué)物理教學(xué)界并沒有達成共識。

本文立足于科學(xué)方法教育理論，系統(tǒng)梳理了現(xiàn)有電場強度教學(xué)設(shè)計范式，分析了不同教學(xué)設(shè)計范式的思維脈絡(luò)，管窺了范式特點，以期為后續(xù)電場強度教學(xué)研究與實踐提供借鑒，從而促進物理學(xué)科核心素養(yǎng)的落實。

1 ? ?電場強度教學(xué)設(shè)計范式的比較

為了研究電場強度教學(xué)設(shè)計的不同范式，對中國知網(wǎng)2001—2021年有關(guān)電場強度教學(xué)設(shè)計的文章進行梳理，總結(jié)主要范式，梳理其深層教學(xué)邏輯，以期對教師進行電場強度的教學(xué)設(shè)計有所啟示。

2001—2021年，電場強度相關(guān)教學(xué)設(shè)計的文章共73篇，年度發(fā)文如圖 1所示。采用內(nèi)容分析法，在通讀文獻摘要和瀏覽全文的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)文章并未真正觸及電場強度概念教學(xué)的核心與本質(zhì)，卻仍然形成了不同風(fēng)格的教學(xué)設(shè)計范式，值得展開深入研究。

1.1 ? ?總結(jié)式教學(xué)設(shè)計范式

教師進行教學(xué)設(shè)計的首選參考物是教材。換句話說，教師的教學(xué)設(shè)計通常是在教材編寫的基礎(chǔ)上展開的。研究發(fā)現(xiàn)，知網(wǎng)上有關(guān)電場強度教學(xué)設(shè)計的文章，大約有78%是基于教材編排邏輯設(shè)計的。此類教學(xué)設(shè)計范式主要是在對教材編寫思路理解的基礎(chǔ)上，摻入個人教學(xué)實踐經(jīng)驗撰寫，本質(zhì)上就是教材編寫思路的再現(xiàn)，稱為總結(jié)式教學(xué)設(shè)計，包括以下兩類。

第一類教學(xué)設(shè)計：導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師主要通過演示實驗讓學(xué)生初步感知電場的作用以及電場有強弱之分，或者從物理學(xué)史的角度引入場的性質(zhì)及電場的概念。而后利用范式起電機的金屬球作為場源電荷，以及用絲線懸掛的固定于細(xì)銅環(huán)中的泡泡球作為試探電荷開展演示實驗，并設(shè)置兩種不同的場景：一是同一試探電荷放入電場中的不同點，二是不同試探電荷放入電場中同一點。對比觀察實驗現(xiàn)象，進而分析放入電場中電荷的受力情況。考慮到“數(shù)無形時少直覺，形少數(shù)時難入微”，部分教學(xué)設(shè)計引入了電場力圖表（F-q）進行分析，引導(dǎo)學(xué)生在觀察實驗的同時，完成圖像（F-q）制作，基于猜想驗證用電場力F與電荷量q的比值來描述電場的強弱。

第一類教學(xué)設(shè)計范式存在的最根本問題在于：為什么在定義電場強度時要采用電場力與試探電荷的電荷量相比的方式？不回答這個問題，就會導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)完電場強度后，只是記住了電場強度的表達式，卻不明白電場強度定義中的物理學(xué)研究思路。而電場強度定義中的物理學(xué)研究思路，才是整個電場強度教學(xué)中最具有思維價值的部分。

第二類教學(xué)設(shè)計引導(dǎo)學(xué)生在變化量中尋找不變量，即提出問題：“在某個固定的位置放上不同試探電荷，所受的電場力不同，哪個量是不變的？”學(xué)生作答：“電場力與試探電荷電荷量的比值是不變的”，從而引出該比值的含義為電場強度的概念。第二類教學(xué)設(shè)計范式看似避免了直接提出采用電場力與試探電荷的電荷量相比的方式，引導(dǎo)學(xué)生進行科學(xué)探究或者進行猜想，但尋找不變量仍然是一種預(yù)設(shè)，或者說是一種虛假的探究。因為在沒有進行探究之前，是無法確定在電場強度的定義中一定存在著不變量。假如不存在不變量，最后探究的結(jié)果將會如何？顯然，第二類電場強度教學(xué)設(shè)計范式存在邏輯問題。

綜上所述，總結(jié)式教學(xué)設(shè)計范式整體上遵循教材編寫的邏輯，但并未闡述清楚如何尋找實驗中的不變量，為何“作比”以及得出比值為常量這一結(jié)論的邏輯依據(jù)。

1.2 ? ?類比式教學(xué)設(shè)計范式

類比在認(rèn)知科學(xué)中起著重要的作用，表現(xiàn)之一就是概念的轉(zhuǎn)變［1］。通過類比，一個概念轉(zhuǎn)化為另一個概念，這種轉(zhuǎn)化可以幫助人們解釋新的現(xiàn)象或事物［2］。類比式教學(xué)設(shè)計范式主要采用類比策略，利用兩類事物或兩個域在某些方面具有共通性，推理在其他方面也可能具有共通性。采用知識類比和遷移策略激發(fā)學(xué)生的求知欲，形成探索自然的內(nèi)在動力和科學(xué)精神。以兩類教學(xué)設(shè)計分析類比式教學(xué)設(shè)計范式特點。

第一類電場強度的教學(xué)設(shè)計范式通過引力場與重力場的類比引入電場強度。闡述引力場和靜電場的相似之處：一是引力場和靜電場都具有物質(zhì)性；二是兩者對放入其中的物體都有力的作用；三是引力和靜電力的表達形式相似，萬有引力（F=），靜電力（F=）；故可通過重力場中的引力強度類比引入電場強度概念（表1）。

第二類教學(xué)設(shè)計通過類比生活中常見現(xiàn)象輔助學(xué)生理解電場強度。例如，讓學(xué)生測量空氣中某點風(fēng)速的大?。▓D 2），學(xué)生可借助紙片測量風(fēng)速大小。風(fēng)速的大小是風(fēng)的性質(zhì)，和紙片受到的風(fēng)力大小、紙片的受力面積無關(guān)，進而類比到電場強度概念上。

采用類比策略引入電場強度的教學(xué)設(shè)計范式的初衷，是欲使電場強度的教學(xué)設(shè)計具體化、形象化，希望有助于學(xué)生直觀地理解電場強度的概念。但類比策略本身存在一定的局限性，其運用前提是，只有在學(xué)生對已知被類比對象熟悉的基礎(chǔ)上，才能順利類比出未知對象。在第一類教學(xué)設(shè)計中，由于引力場強度并不是高一物理教學(xué)的內(nèi)容，因此，采用引力場強度去類比建立電場強度，是違背類比原則的，同時也存在邏輯上的問題。

在第二類教學(xué)設(shè)計中，類比就是由兩個對象的某些相同或相似的性質(zhì)，推斷出在其他性質(zhì)上也有可能相同或相似的一種推理形式。因此，兩個類比對象具有某些相同或相似的性質(zhì)，是類比推理能夠成立的前提。由于風(fēng)速與電場強度在本質(zhì)上屬于不同性質(zhì)的物理量，兩者缺乏相同或相似的性質(zhì)，將兩個不同性質(zhì)的物理量進行類比，也是違背類比原則的。

1.3 ? ?顯化科學(xué)方法的教學(xué)設(shè)計范式

顯化科學(xué)方法的教學(xué)設(shè)計范式是指電場強度概念的導(dǎo)入基于比值定義法的步驟而展開，具有創(chuàng)新的意義。

以電場強度高端備課為例，教學(xué)設(shè)計步驟如下：（1）首先，設(shè)置與學(xué)生常規(guī)認(rèn)知相沖突的假設(shè)，在電場中距離場源電荷遠(yuǎn)近不同的A，B兩點分別放置不同電荷量的試探電荷，通過直接比較試探電荷所受靜電力大小來表征電場中不同位置電場的強弱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：距離場源電荷近的A點試探電荷所受靜電力小，而距離場源電荷遠(yuǎn)的B點試探電荷所受靜電力大；（2）由于直接用試探電荷所受靜電力大小來表征電場的強弱出現(xiàn)了異常現(xiàn)象，就需要統(tǒng)一試探電荷的電荷量這一標(biāo)準(zhǔn)，再繼續(xù)比較電場中不同位置試探電荷所受靜電力大小，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：距離場源電荷近的位置靜電力與電荷量的比值大，而距離場源電荷遠(yuǎn)的位置靜電力與電荷量的比值小，但比值的物理意義尚不清楚；（3）為了進一步解決靜電力與電荷量比值的物理意義問題，就需要在A，B兩點分別放置不同電荷量的試探電荷，然后比較靜電力與電荷量的比值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：靜電力與電荷量的比值為常量，因此，以試探電荷所受靜電力大小來表征電場中某一位置電場強弱的研究思路就不再成立；（4）由于靜電力與電荷量的比值為常量，反映了電場的固有屬性，從而定義比值為電場強度［5］。如表2所示。

顯化科學(xué)方法的電場強度教學(xué)設(shè)計范式是從假設(shè)出發(fā)，即假設(shè)直接用電場力的大小來表征電場的強弱。由于電場的抽象性，人們只能通過試探電荷在電場中的受力大小來描述電場的強弱，而不是違反教學(xué)邏輯地將靜電力F與電荷量q進行比較，因此，該假設(shè)是自然合理的。當(dāng)發(fā)現(xiàn)假設(shè)的結(jié)果異常后，再借助“除法”數(shù)學(xué)工具，把靜電力F與電荷量q相除，使得電荷量統(tǒng)一為單位電荷后再進行比較，從而順理成章地解決為何要將靜電力F與電荷量q進行比較的問題［6］。進一步，選取不同電荷量的試探電荷進行比較，從而發(fā)現(xiàn)了比值（■）是一個常量的結(jié)論，并最終得出了電場強度的表達式。

正如賴格盧斯所說，教學(xué)設(shè)計應(yīng)著力于教學(xué)過程的改進，最終找到能夠達成最優(yōu)給定目標(biāo)的科學(xué)方法［7］。電場強度抽象概念的導(dǎo)入與其定義式的推導(dǎo)，正是由于將科學(xué)方法作為整個教學(xué)設(shè)計的核心，有目的、有意義、有步驟地向?qū)W生展現(xiàn)了比值定義法的步驟［8］，從而使得整個教學(xué)設(shè)計過程自然、順暢、合理。

2 ? ?研究啟示

在電場強度概念的導(dǎo)出過程中，不同的教學(xué)設(shè)計采用了不同的研究范式，并體現(xiàn)出各自的特點。通過深入分析與研究，得到如下啟示：

2.1 ? ?教學(xué)設(shè)計要關(guān)顧教學(xué)邏輯

教學(xué)邏輯是指教學(xué)活動的因果關(guān)系及其展開順序，包括邏輯起點、邏輯路線與邏輯終點。邏輯起點的遴選包括兩個方面：一是要與學(xué)生的經(jīng)驗常識相沖突，二是與學(xué)生已有知識相沖突。其次，邏輯路線的選取應(yīng)當(dāng)符合有意義學(xué)習(xí)的原理。奧蘇貝爾認(rèn)為，有意義學(xué)習(xí)的心理機制是同化，同化的結(jié)果是新知識被掌握（理解與保持），而原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生變化［9］。最后，邏輯終點的遴選應(yīng)緊扣教學(xué)目標(biāo)。根據(jù)沖突的情境和學(xué)生已有認(rèn)知水平，會產(chǎn)生很多問題，但選擇教學(xué)邏輯終點時教師應(yīng)圍繞教學(xué)目標(biāo)，通過體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容本質(zhì)的問題展開教學(xué)，并使之成為貫穿教學(xué)過程的主線。

在電場強度的教學(xué)設(shè)計中，顯化科學(xué)方法的教學(xué)設(shè)計范式正是圍繞著“比較力”這一貫穿教學(xué)過程的主線而展開。不僅展現(xiàn)了教學(xué)設(shè)計的邏輯起點，而且展現(xiàn)了教學(xué)邏輯的路線。從直接比較到選取標(biāo)準(zhǔn)比較，再到發(fā)現(xiàn)不能比較電場力，淋漓盡致地展現(xiàn)了教學(xué)邏輯的曲折過程［10］。教學(xué)邏輯的終點也具有水落石出的特點。因為比值（）是一個常量，與F無關(guān)，反映了電場的屬性，所以把比值（）定義為電場強度。

2.2 ? ?教學(xué)設(shè)計要顯化科學(xué)方法

依據(jù)物理學(xué)知識-能力結(jié)構(gòu)圖［8，10］不難發(fā)現(xiàn)，物理知識必須經(jīng)由科學(xué)方法才能得到。因此，教材的編寫就需要重視科學(xué)方法，顯化科學(xué)方法的名稱及其應(yīng)用過程。在電場強度教學(xué)設(shè)計時，需要顯化“比值定義法”，按照比值定義法的邏輯順序展開設(shè)計：（1）選取比較的對象；（2）確定比較的標(biāo)準(zhǔn)；（3）詮釋比值的意義；（4）得出比較的結(jié)論［11］。進行顯化科學(xué)方法的教學(xué)設(shè)計關(guān)鍵在于通過搭建合理的腳手架，讓學(xué)生清晰地理解“為什么要比”以及“如何比”，不僅體現(xiàn)了“授之以魚”的教學(xué)設(shè)計思路，更彰顯了“授之以漁”的物理教育思想。

與之相反，目前各版本高中物理教材在電場強度概念的編寫中，均未明確闡述為何要將靜電力F與試探電荷的電荷量q進行比較，容易造成學(xué)生處于“知其然而不知其所以然”的境地。而顯化科學(xué)方法的教學(xué)設(shè)計范式則表明，直接比較電場力會得出錯誤結(jié)論，所以轉(zhuǎn)而強調(diào)比較需要選取相同標(biāo)準(zhǔn)的思想，進而給出了將靜電力F與試探電荷的電荷量q進行比較的思路，從而彰顯了“比值定義法”的內(nèi)涵及展開步驟，完美詮釋了電場強度教學(xué)設(shè)計的應(yīng)有之義［12］。

2.3 ? ?教學(xué)設(shè)計要注重教學(xué)反思

教學(xué)反思是對教學(xué)活動本身的深入思考，進而使得教師能夠有意識地、謹(jǐn)慎地、經(jīng)常地將研究結(jié)果和教育理論應(yīng)用于教學(xué)實踐［13］。教學(xué)反思作為教師專業(yè)成長的重要途徑，是個體認(rèn)知循環(huán)往復(fù)、螺旋式上升的過程。在這個意義上，本研究就是對電場強度教學(xué)設(shè)計的反思。

長期以來，我國傳統(tǒng)的物理教學(xué)設(shè)計主要強調(diào)對教材的感知和把握，強調(diào)對過往教學(xué)經(jīng)驗的繼承。教材編寫過程中盡管力爭完備，但也會偶有疏忽，不能做到盡善盡美。因此，物理教育教學(xué)工作者應(yīng)當(dāng)懷有批判意識，基于嚴(yán)密的推理進行教學(xué)設(shè)計，要善于質(zhì)疑辨析，積極吸取、采納優(yōu)秀教學(xué)設(shè)計范式的優(yōu)點，摒棄不合理的教學(xué)設(shè)計范式，要站在巨人的肩膀上反思以往（下轉(zhuǎn)第39頁）（上接第34頁）教學(xué)設(shè)計的成敗得失。事實上，物理教育工作者只有勇于超越經(jīng)驗，善于質(zhì)疑，善于反思，才能在對物理教材編寫與物理教學(xué)經(jīng)驗的否定之否定中，達成對物理教學(xué)設(shè)計認(rèn)識的螺旋式上升，并最終實現(xiàn)物理教育與教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展。

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（欄目編輯 ? ?鄧 ? 磊）