情境中類比 方法中建構(gòu)

雍振華

摘 要：本節(jié)內(nèi)容為高中物理“人教版”（選修3-1）第一章第三節(jié)，由于概念抽象構(gòu)成本章教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)。為此，本文通過(guò)相似情境的類比，科學(xué)方法的探究和遷移，幫助學(xué)生形成了對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度概念的準(zhǔn)確理解，并進(jìn)一步強(qiáng)化體會(huì)物理研究中科學(xué)方法的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電場(chǎng)強(qiáng)度；情境；類比；科學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）2-0065-4

1 教材分析

《電場(chǎng)》這一章教材試圖從力和能兩個(gè)角度來(lái)描述電場(chǎng)的性質(zhì)。電場(chǎng)強(qiáng)度是本章描述電場(chǎng)性質(zhì)的開(kāi)始，同時(shí)，為后續(xù)相關(guān)物理量的建立奠定基礎(chǔ)。教材試圖從力的特性入手，通過(guò)比值定義法建立對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的概念的定義。但是，在建立的過(guò)程中有較多的邏輯缺陷。例如：教材中強(qiáng)調(diào)電場(chǎng)力F與試探電荷電量q的比值大小與試探電荷無(wú)關(guān)，但為何這個(gè)比值就一定與電場(chǎng)有關(guān)？再者，為何一定要用電場(chǎng)力F與試探電荷電量q的比值而不能是其他？這些困惑都讓學(xué)生對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的概念的準(zhǔn)確理解構(gòu)成了障礙，這些問(wèn)題的解決也構(gòu)成了本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)的基本方向。

2 學(xué)情分析

電場(chǎng)之前，學(xué)生在初中就已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)類似的磁場(chǎng)。但是，初中對(duì)磁場(chǎng)的描述多從形象、定性的角度進(jìn)行闡述。高中《電場(chǎng)》這一章則不同，一方面對(duì)形象化的描繪磁感線的方法進(jìn)行了繼承，另一方面通過(guò)對(duì)電場(chǎng)性質(zhì)物理量的建立，更加科學(xué)、準(zhǔn)確地完善了對(duì)場(chǎng)的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，也造成了學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。

在日常生活中，學(xué)生對(duì)電場(chǎng)并沒(méi)有直接的接觸。所以，直接討論電場(chǎng)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)過(guò)于抽象。為此，本文以“風(fēng)場(chǎng)”作為類比引入，學(xué)生有切身感受，形象貼切。隨后，通過(guò)對(duì)“風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度”定義的討論和探究，讓學(xué)生深刻地體會(huì)到采用比值定義法的正確性和科學(xué)性，進(jìn)而通過(guò)對(duì)該方法的遷移和關(guān)系的類比，形成對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度概念定義的真正理解和突破。隨后，點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)依舊是教學(xué)的難點(diǎn)，學(xué)生易把對(duì)該公式的理解和電場(chǎng)強(qiáng)度的定義式形成混淆。這里同樣采取情境類比的方法，通過(guò)學(xué)生對(duì)火堆周圍輻射熱強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)感受，對(duì)點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)特征進(jìn)行猜想。然后，讓學(xué)生自主推導(dǎo)，通過(guò)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證并形成準(zhǔn)確理解。

3 教學(xué)重、難點(diǎn)

1）電場(chǎng)強(qiáng)度的定義和理解

2）點(diǎn)電荷場(chǎng)強(qiáng)的理解和應(yīng)用

4 學(xué)習(xí)目標(biāo)分析

4.1 知識(shí)和技能

1）知道電荷間的相互作用是通過(guò)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的。知道場(chǎng)和實(shí)物是物質(zhì)存在的兩種不同形式。

2）理解比值定義物理量的方法，理解電場(chǎng)強(qiáng)度的定義公式、單位、方向。

3）能推導(dǎo)、理解點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)公式并簡(jiǎn)單應(yīng)用。

4）知道電場(chǎng)線的定義和特點(diǎn)。

4.2 過(guò)程與方法

1）通過(guò)情境類比，讓學(xué)生體驗(yàn)到事物間的相似性。

2）讓學(xué)生經(jīng)歷電場(chǎng)強(qiáng)度定義的探究過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)方法的應(yīng)用意識(shí)和遷移意識(shí)。

4.3 情感、態(tài)度和價(jià)值觀

1）通過(guò)對(duì)魔術(shù)原理的猜想，培養(yǎng)學(xué)生正確的科學(xué)認(rèn)識(shí)觀。

2）讓學(xué)生經(jīng)歷探究過(guò)程，體會(huì)科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性。

3）讓學(xué)生由生活中的例子了解電場(chǎng)的特性，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣和熱情。

5 教學(xué)策略

5.1 教學(xué)方法

1）魔術(shù)視頻引入，吸引學(xué)生的興趣，鋪墊“場(chǎng)”的概念。

2）創(chuàng)設(shè)類比情境，探究科學(xué)方法。

3）學(xué)法：師生互動(dòng)，學(xué)生分組討論、合作。

5.2 教學(xué)資源

魔術(shù)視頻，“電場(chǎng)強(qiáng)度”P(pán)PT。

6 教學(xué)過(guò)程

6.1 魔術(shù)引入，滲透科學(xué)思想

觀看視頻，魔術(shù)——“隔山打?！?。

教師：同學(xué)們都相信科學(xué)，這個(gè)表演當(dāng)然不是特異功能，而是魔術(shù)。換句話說(shuō)，一個(gè)物體能否真的跨越空間，直接對(duì)另外一個(gè)物體施加力的作用呢？

生：不能。

教師：很好！其實(shí)，我們的物理大師也有相同的思想。

引出“電場(chǎng)”概念。

學(xué)生分析A、B電荷間的作用過(guò)程（圖1）。

教師補(bǔ)充，并把電場(chǎng)與實(shí)物做對(duì)比，總結(jié)場(chǎng)的特征。

圖1 A、B電荷間的作用

【設(shè)計(jì)意圖】：以魔術(shù)視頻作為課堂引入，一方面抓住了學(xué)生的注意力，另一方面滲透了正確的科學(xué)認(rèn)識(shí)觀。同時(shí)，也為場(chǎng)概念的引入做了很好的鋪墊。

6.2 建構(gòu)“電場(chǎng)強(qiáng)度”概念

6.2.1 研究電場(chǎng)的方法：試探電荷

教師引導(dǎo)：同學(xué)們看窗外，外面正在刮風(fēng)，我們是怎么知道的呢？

生：樹(shù)葉在飄動(dòng)。

教師引導(dǎo)1：很好！風(fēng)和電場(chǎng)一樣都看不見(jiàn)，我們姑且也給它取個(gè)類似的名字叫“風(fēng)場(chǎng)”。樹(shù)葉飄動(dòng)顯然是受到風(fēng)場(chǎng)對(duì)它的力的作用，進(jìn)而體現(xiàn)了風(fēng)的存在。

教師引導(dǎo)2：電場(chǎng)也看不見(jiàn)，你覺(jué)得可以用什么方法，研究這個(gè)看不見(jiàn)的電場(chǎng)呢？

生：在電場(chǎng)中放入一個(gè)電荷，通過(guò)它的受力來(lái)研究它。

教師：由于這個(gè)電荷是用來(lái)檢驗(yàn)這個(gè)電場(chǎng)的，我們把它叫做“檢驗(yàn)電荷”或“試探電荷”。

引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)方法：當(dāng)一個(gè)事物我們無(wú)法直接研究時(shí)，可尋找另一個(gè)與之關(guān)聯(lián)的事物，間接地研究這個(gè)事物的特征，如同“聲東”其實(shí)“擊西”。

教師提問(wèn)：由于是檢驗(yàn)電荷，換句話說(shuō)，我們需要用它來(lái)檢驗(yàn)電場(chǎng)中不同位置的特征，同時(shí)，這個(gè)檢驗(yàn)電荷又不能影響原來(lái)電場(chǎng)的分布，你覺(jué)得這個(gè)檢驗(yàn)電荷需要滿足什么條件？

生討論得出：電荷要足夠小，這樣研究的就是某一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)；同時(shí)，電量要小，這樣不影響到原來(lái)電場(chǎng)的分布。

【設(shè)計(jì)意圖】：如何對(duì)看不見(jiàn)的場(chǎng)進(jìn)行研究，教師沒(méi)有直接從電場(chǎng)對(duì)電荷的靜電力開(kāi)始，而是從學(xué)生熟悉的風(fēng)出發(fā)，讓學(xué)生了解到通過(guò)事物間的關(guān)聯(lián)由一方研究另一方的科學(xué)方法。然后，自然地把這種方法遷移到電場(chǎng)上，這樣就解決了為何引入試探電荷的問(wèn)題，同時(shí)滲透了科學(xué)方法的教育。

由于有之前風(fēng)中樹(shù)葉的鋪墊，隨后試探電荷的引入就較親切自然。通過(guò)對(duì)試探電荷要求的思考，讓學(xué)生感受到測(cè)量對(duì)象與研究對(duì)象之間需要滿足的條件，進(jìn)而了解理想模型的建立依據(jù)與過(guò)程。

6.2.2 “風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度”概念的建立與定義

教師：風(fēng)有強(qiáng)弱，我們經(jīng)常用風(fēng)是幾級(jí)來(lái)描述。那么，電場(chǎng)完全相同，也有強(qiáng)弱，我們用“電場(chǎng)強(qiáng)度”這個(gè)物理量來(lái)描述，符號(hào)為E。問(wèn)題是我們?cè)趺粗离妶?chǎng)中不同點(diǎn)的強(qiáng)弱呢？

生：用檢驗(yàn)電荷所受的力來(lái)判斷。

教師：你是怎么想到的呢？

生：物體在風(fēng)中受到風(fēng)力，通過(guò)風(fēng)力可以判斷風(fēng)的強(qiáng)弱。

教師引導(dǎo)1：這位同學(xué)提到似乎可以用風(fēng)力來(lái)直接表示風(fēng)的強(qiáng)弱，你覺(jué)得有問(wèn)題嗎？

生：不可以！因?yàn)橐粋€(gè)面積很大的物體在風(fēng)較弱時(shí)受到的風(fēng)力，可能比一個(gè)面積較小的物體在風(fēng)較強(qiáng)時(shí)所受的風(fēng)力還大。

教師引導(dǎo)2：換句話說(shuō)，一個(gè)物體所受的風(fēng)力除了與風(fēng)的強(qiáng)弱有關(guān)，還與物體的面積（迎風(fēng)面積）有關(guān)。

師板書(shū)：F=kSD。

這里：k是比例系數(shù)，S是迎風(fēng)面積，D是風(fēng)的強(qiáng)度。

為了研究問(wèn)題的方便：這里的比例系數(shù)k取1。

教師引導(dǎo)提問(wèn)：如果用兩個(gè)物體來(lái)檢驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)中兩個(gè)不同位置處風(fēng)的強(qiáng)弱，你覺(jué)得這兩個(gè)物體應(yīng)該有什么要求？

生：兩物體的迎風(fēng)面積要一樣。

師板書(shū)：A、B兩物體，S同，F(xiàn)大則D大。

教師提問(wèn)：如果兩個(gè)物體迎風(fēng)面積S不同，又該如何比較兩個(gè)位置D 的大小呢？

教師呈現(xiàn)表格，引導(dǎo)學(xué)生分組討論，并完成表1。

表1 D與F、S的關(guān)系

學(xué)生小組匯報(bào)討論結(jié)果：

可取風(fēng)力F與迎風(fēng)面積S的比值，

A物體： = =20 N/m2；

B物體： = =30 N/m2。

所以：B物體處的風(fēng)強(qiáng)大于A物體處的風(fēng)強(qiáng)。

學(xué)生解釋比值的含義及這樣操作的原因。

教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)：

1）由于風(fēng)力F與風(fēng)強(qiáng)D、迎風(fēng)面積S都有關(guān)，在研究D與F關(guān)系時(shí)采用了控制變量的方法。

2）采用比值定義法可得到相同迎風(fēng)面積下的風(fēng)力，從而比較風(fēng)強(qiáng)大小。

【設(shè)計(jì)意圖】：電場(chǎng)強(qiáng)度的定義是本節(jié)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。問(wèn)題的關(guān)鍵在于，比較電場(chǎng)強(qiáng)度必須選取同樣的標(biāo)準(zhǔn)，而比值定義法實(shí)現(xiàn)了對(duì)變量的控制，這正是比值定義法存在的合理性與科學(xué)性，也是理解電場(chǎng)強(qiáng)度定義的關(guān)鍵。由于從事物的特征、對(duì)方法的運(yùn)用上“風(fēng)場(chǎng)”與電場(chǎng)具有很大的共性，同時(shí)，學(xué)生對(duì)風(fēng)有切身的體會(huì)，以“風(fēng)場(chǎng)”作類比，通過(guò)對(duì)“風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度”定義的討論贏得了后續(xù)對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的難點(diǎn)的突破。

6.2.3 “電場(chǎng)強(qiáng)度”定義的建立

教師：基于前面的經(jīng)驗(yàn)，電荷在電場(chǎng)中的電場(chǎng)力與哪些因素有關(guān)？

生：電場(chǎng)強(qiáng)度E和電荷的電量q。

教師提問(wèn)：1）這里的E、q與之前討論風(fēng)力中的哪些物理量有對(duì)應(yīng)關(guān)系？

2）如何定義電場(chǎng)強(qiáng)度的大??？

學(xué)生分組討論，并完成表2。

表2 風(fēng)場(chǎng)與電場(chǎng)

學(xué)生匯報(bào)并說(shuō)明理由：

1）檢驗(yàn)電荷電量q與迎風(fēng)面積S對(duì)應(yīng)，電場(chǎng)強(qiáng)度E與風(fēng)強(qiáng)D對(duì)應(yīng)。

2）可用電場(chǎng)力與電荷量的比值定義電場(chǎng)強(qiáng)度E的大小，E= 。

教師補(bǔ)充電場(chǎng)強(qiáng)度的相關(guān)性質(zhì)。

【設(shè)計(jì)意圖】：通過(guò)對(duì)“風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度”的探究，再過(guò)渡到電場(chǎng)強(qiáng)度就非常容易，通過(guò)學(xué)生交流討論和教師點(diǎn)撥可以很快完成。這樣既完成了電場(chǎng)強(qiáng)度概念的準(zhǔn)確建構(gòu)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了方法的遷移。

6.3 點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)

6.3.1 建立圖景，猜想要素

教師引導(dǎo)，學(xué)生猜想：同學(xué)們野炊時(shí)會(huì)點(diǎn)火堆燒烤、取暖，在火堆的周圍你會(huì)感覺(jué)到火堆產(chǎn)生的熱浪，你覺(jué)得這里火堆輻射熱的強(qiáng)度與哪些因素有關(guān)？

生：火堆的大小和離火堆的遠(yuǎn)近。

教師：很好！剛才的經(jīng)驗(yàn)給你什么啟示？

生：點(diǎn)電荷Q產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)與點(diǎn)電荷Q的大小及離點(diǎn)電荷的距離r有關(guān)（圖2）。

圖2 點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)

6.3.2 自主證明，驗(yàn)證比較

教師：這是同學(xué)們的猜測(cè)，請(qǐng)你利用電場(chǎng)強(qiáng)度的定義式證明。

學(xué)生自主推導(dǎo)公式：

E= = = 。

（下轉(zhuǎn)第70頁(yè)）

（上接第67頁(yè)）

學(xué)生上黑板展示，教師點(diǎn)評(píng)，學(xué)生完成表3。

表3 電場(chǎng)強(qiáng)度

【設(shè)計(jì)意圖】：點(diǎn)電荷場(chǎng)強(qiáng)的教學(xué)可看做是對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度定義的應(yīng)用和鞏固，教師同樣以學(xué)生有切身經(jīng)驗(yàn)的火堆為例，先讓學(xué)生從事物之間共性的角度去猜想。然后，再讓學(xué)生進(jìn)行自主推導(dǎo)。這樣，一方面對(duì)猜想進(jìn)行了驗(yàn)證，另一方面也實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)電荷場(chǎng)強(qiáng)公式的準(zhǔn)確理解。

6.4 電場(chǎng)線的特征

教師：初中我們學(xué)過(guò)用磁感線來(lái)描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與方向，這里類似也可用電場(chǎng)線來(lái)形象地描述電場(chǎng)的強(qiáng)弱與方向。

學(xué)生自學(xué)，閱讀課本相應(yīng)章節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)電場(chǎng)線的基本特征并分析點(diǎn)電荷、等量同種電荷、等量異種電荷電場(chǎng)線的分布情況。

7 板書(shū)設(shè)計(jì)

（一）電場(chǎng)

1.電荷的周圍存在電場(chǎng)。

2.電場(chǎng)與磁場(chǎng)互相聯(lián)系，統(tǒng)稱為電磁場(chǎng)。

（二）電場(chǎng)強(qiáng)度

1.電場(chǎng)強(qiáng)度：檢驗(yàn)電荷所受電場(chǎng)力F與檢驗(yàn)電荷電量q的比值。

2.公式：E=。

3.單位：N/C或V/m ，即1 N/C=1 V/m。

4.電場(chǎng)強(qiáng)度是矢量，物理學(xué)規(guī)定，場(chǎng)強(qiáng)方向與放在該點(diǎn)的正電荷受力方向一致，與放在該點(diǎn)的負(fù)電荷受力方向相反。

（三）點(diǎn)電荷的電場(chǎng)

1.公式：E=。

2.場(chǎng)強(qiáng)疊加原理。

（四）電場(chǎng)線

8 教學(xué)反思和評(píng)價(jià)

關(guān)于場(chǎng)的了解，學(xué)生的先前經(jīng)驗(yàn)中只有對(duì)于磁場(chǎng)及磁感線的相關(guān)描述。電場(chǎng)雖與磁場(chǎng)類似，但電場(chǎng)強(qiáng)度是學(xué)生第一次從物理量的角度來(lái)準(zhǔn)確描述場(chǎng)的特征，缺乏相應(yīng)的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，由于場(chǎng)的不可見(jiàn)性，以及課本本身表述邏輯的缺陷，造成學(xué)生學(xué)習(xí)有較大的困難。

本節(jié)課從類比中突破，在方法中遷移，突破了教學(xué)難點(diǎn)。同時(shí)，通過(guò)多種科學(xué)思維方法的滲透和教學(xué)，對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)起到了很好的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[3]朱建廉.關(guān)于“磁感應(yīng)強(qiáng)度”的教學(xué)案例及評(píng)析[]J.物理教師，2013，（4）：31.

（欄目編輯 鄧 磊）