在教學(xué)中提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)
——“靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”教學(xué)設(shè)計(jì)

喬 蘭 姚小琴

在教學(xué)中提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)
——“靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”教學(xué)設(shè)計(jì)

喬 蘭1姚小琴2

在物理課堂教學(xué)中，通過(guò)教學(xué)方式的改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新，讓學(xué)生與教師互學(xué)共進(jìn)，從“科學(xué)知識(shí)”“科學(xué)方法”“科學(xué)精神與態(tài)度”“科學(xué)應(yīng)用與實(shí)踐”四個(gè)方面，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

科學(xué)素養(yǎng)；靜電現(xiàn)象的應(yīng)用；高中物理

本次“杏壇杯”展評(píng)活動(dòng)的主題是“人在課中央”，怎樣在這節(jié)物理課堂教學(xué)中有效地促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升，是我在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的最核心的問(wèn)題之一。經(jīng)過(guò)潛心思考并查閱了大量文獻(xiàn)后，我體會(huì)到：旨在提高學(xué)生核心素養(yǎng)的物理教學(xué)，應(yīng)該將物理課程的教育教學(xué)目標(biāo)，定位在學(xué)生終身發(fā)展的行為習(xí)慣、規(guī)范與關(guān)鍵能力的養(yǎng)成等諸多方面，在教學(xué)中不斷為學(xué)生提供面對(duì)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的機(jī)會(huì)，并在此過(guò)程中激發(fā)他們學(xué)習(xí)的熱情，在主動(dòng)學(xué)習(xí)與探究中養(yǎng)成行為習(xí)慣，發(fā)展關(guān)鍵能力。

我選擇執(zhí)教人教版高中物理選修3-1第1章第7節(jié)“靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”，這是因?yàn)樵谶@節(jié)課之前，學(xué)生通過(guò)前6節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，已經(jīng)理解了電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)這兩個(gè)反映電場(chǎng)基本性質(zhì)的重要物理量，可以說(shuō)本章核心概念的學(xué)習(xí)任務(wù)已經(jīng)完成。而第7節(jié)是前面各節(jié)內(nèi)容之間知識(shí)的綜合，是核心內(nèi)容的拓展和應(yīng)用，目的在于提高學(xué)生綜合運(yùn)用物理知識(shí)的能力，這樣的教學(xué)內(nèi)容才能體現(xiàn)本次展評(píng)的主題，更好地展現(xiàn)學(xué)生的主體地位、教師的主導(dǎo)作用。

基于以上的思考，我對(duì)這節(jié)課做了以下的設(shè)計(jì)。

一、新課引入

我截取科學(xué)綜藝類(lèi)節(jié)目——“加油！向未來(lái)”中的一段精彩的“放電”視頻，引發(fā)他們思考：為什么踩在高壓電上的演員能安然無(wú)恙？以強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊吸引學(xué)生注意力，用出乎意料的結(jié)果，激發(fā)他們學(xué)習(xí)本節(jié)課的愿望。

二、“靜電平衡狀態(tài)”探析

情境設(shè)置：將含有大量自由電子的金屬導(dǎo)體置于勻強(qiáng)電場(chǎng)中。用課件模擬靜電感應(yīng)現(xiàn)象，提出問(wèn)題：電子的定向運(yùn)動(dòng)會(huì)持續(xù)下去嗎？

通過(guò)師生間、學(xué)生間的討論，幫助學(xué)生構(gòu)建本節(jié)課的重點(diǎn)知識(shí)——“靜電平衡狀態(tài)”的概念。

1.研究靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體電場(chǎng)的特點(diǎn)。

（1）理論分析。

引導(dǎo)學(xué)生從“電場(chǎng)強(qiáng)度”和“電勢(shì)”這兩個(gè)反映電場(chǎng)基本性質(zhì)的重要物理量的角度，對(duì)導(dǎo)體的電場(chǎng)特點(diǎn)進(jìn)行理論研究。在建構(gòu)了“靜電平衡狀態(tài)”的概念后，引導(dǎo)學(xué)生利用研究問(wèn)題的科學(xué)思維方法，例如反證法、矢量分析法、歸納法，積極調(diào)動(dòng)學(xué)生已有的知識(shí)儲(chǔ)備，從理論上構(gòu)建模型，通過(guò)推理分析得出處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體電場(chǎng)的特點(diǎn)。

（2）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)一：驗(yàn)證靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零。

實(shí)驗(yàn)器材：手搖感應(yīng)起電機(jī)，金屬導(dǎo)體，金屬籠，泡沫小球，導(dǎo)線，等。

（設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)教師的介紹，讓學(xué)生分組探究處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)情況。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生綜合利用了之前學(xué)習(xí)的知識(shí)，根據(jù)帶電物體是否受電場(chǎng)力來(lái)判斷空間電場(chǎng)是否存在，提升了學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的能力。分組實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的合作能力、動(dòng)手能力、觀察能力得到了提高。而最后的匯報(bào)環(huán)節(jié)，學(xué)生準(zhǔn)確表述和歸納總結(jié)的能力都得到了鍛煉，體現(xiàn)了學(xué)生的課堂主體性。）

2.研究靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體電荷分布的特點(diǎn)。

（1）理論分析。

請(qǐng)學(xué)生猜想：處于靜電平衡狀態(tài)的帶電導(dǎo)體、電荷分布在什么位置？電荷分布有什么規(guī)律？

對(duì)靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體電荷分布的特點(diǎn)，我通過(guò)提問(wèn)，讓學(xué)生思考電荷分布的位置及分布規(guī)律，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前有個(gè)基本猜想和預(yù)判。不過(guò)由于學(xué)生理論知識(shí)儲(chǔ)備不足，可以嘗試引導(dǎo)學(xué)生用反證法給出判斷的基本依據(jù)，但此處理論分析難度較大，每個(gè)學(xué)生學(xué)情不同，不做硬性要求。學(xué)生對(duì)電荷分布特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)才能加深認(rèn)識(shí)。

（2）實(shí)驗(yàn)探究。

實(shí)驗(yàn)二：探究處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體，內(nèi)部和外表面的帶電情況。

實(shí)驗(yàn)器材：感應(yīng)起電機(jī)、金屬球（板）、金屬籠、兩款靜電傳感器等。用兩款傳感器檢測(cè)處于靜電平衡狀態(tài)的金屬籠，內(nèi)部和外表面的帶電情況。

實(shí)驗(yàn)三：探究帶電導(dǎo)體電荷分布的情況。

實(shí)驗(yàn)器材：感應(yīng)起電機(jī)、側(cè)面有釘子的金屬奶粉罐、驗(yàn)電羽等。用自制教具探究帶電導(dǎo)體上電荷的分布情況。

（設(shè)計(jì)意圖：在實(shí)驗(yàn)二中，通過(guò)介紹“靜電傳感器”的使用，讓學(xué)生體會(huì)到傳感器和計(jì)算機(jī)可以使許多物理實(shí)驗(yàn)做得更準(zhǔn)確、更迅速，可以把我們的手和腦從簡(jiǎn)單的、重復(fù)性的操作中解放出來(lái)，讓我們的注意力集中于問(wèn)題的科學(xué)本質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)三中，借助于自制的教具，使學(xué)生直觀地觀察到導(dǎo)體上電荷的分布情況，深化了對(duì)電荷分布特點(diǎn)的理解。突破了本節(jié)課中的第一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。這個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)，以生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，在物理課堂教學(xué)中滲透科學(xué)精神和態(tài)度的教育。）

三、靜電現(xiàn)象的應(yīng)用

1.尖端放電。

通過(guò)學(xué)生閱讀和交流討論，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)“尖端放電現(xiàn)象”，同時(shí)用自制的“雷電模擬裝置”，積極創(chuàng)設(shè)物理情境，引導(dǎo)學(xué)生利用本節(jié)課所學(xué)知識(shí)對(duì)“避雷針的作用”進(jìn)行解釋?zhuān)囵B(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用物理知識(shí)的能力。

2.靜電屏蔽。

實(shí)驗(yàn)四：將驗(yàn)電器放在靜電場(chǎng)中，由于發(fā)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象，箔片張開(kāi)；而罩上金屬籠后箔片閉合。

讓學(xué)生分析箔片張開(kāi)的原因，從而引導(dǎo)學(xué)生利用本節(jié)課所學(xué)知識(shí)，形成“靜電屏蔽”的概念。

此處，再次出現(xiàn)片頭引入的高壓放電的視頻截圖，引導(dǎo)學(xué)生再次利用靜電屏蔽的知識(shí)，嘗試分析演員安然無(wú)恙的原因，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和方法解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的意識(shí)和能力，突破本節(jié)課的第二個(gè)難點(diǎn)。

（設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力，要有高階學(xué)習(xí)活動(dòng)予以支持，本教學(xué)環(huán)節(jié)中，我利用生活中豐富的靜電現(xiàn)象，以學(xué)生為中心，開(kāi)展自主學(xué)習(xí)、合作交流、問(wèn)題解答等學(xué)習(xí)活動(dòng)，提升了學(xué)生的科學(xué)應(yīng)用能力。）

四、課堂小結(jié)

在本環(huán)節(jié)中，借助于PPT或者板書(shū)，對(duì)本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行回顧和整理，讓學(xué)生在頭腦中建構(gòu)出自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的良好習(xí)慣和方法。

五、思維拓展

創(chuàng)設(shè)兩種看起來(lái)相似的取電方式（具體內(nèi)容略），讓學(xué)生猜測(cè)可能出現(xiàn)的情況，為這節(jié)課的后續(xù)學(xué)習(xí)留下伏筆，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯繎B(tài)度。

［1］閻金鐸，郭玉英.物理教學(xué)概論［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］林欽，陳峰，宋靜.關(guān)于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的中學(xué)物理教學(xué)的思考 ［J］.課程·教材·教法，2015（12）.

【團(tuán)隊(duì)推薦】

喬蘭老師在第12屆江蘇省“杏壇杯”課堂教學(xué)展評(píng)活動(dòng)中，面向高一學(xué)生開(kāi)設(shè)了“靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”一課，喬老師設(shè)計(jì)了幾個(gè)十分精彩的實(shí)驗(yàn)，猶如一顆顆璀璨的珍珠鑲嵌在課堂教學(xué)過(guò)程中，極大地豐富了學(xué)生的體驗(yàn)。

1.簡(jiǎn)易的泡沫小球?qū)嶒?yàn)，驗(yàn)證導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零。

在理論探討得出靜電平衡導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零的結(jié)論后，喬老師設(shè)計(jì)了一個(gè)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)手搖感應(yīng)起電機(jī)讓一個(gè)輕質(zhì)泡沫小球帶電，將帶電泡沫小球放在一個(gè)帶電板旁，帶電小球立即受電場(chǎng)力而偏離了平衡位置，說(shuō)明電場(chǎng)的存在；而用金屬籠罩住帶電泡沫小球，使小球處于導(dǎo)體內(nèi)部，這時(shí)，立即看到小球落了下來(lái)，不再受力，說(shuō)明內(nèi)部沒(méi)有電場(chǎng)，從而進(jìn)一步證明了靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)為零。此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易做，小組內(nèi)學(xué)生反復(fù)交叉做，體會(huì)深刻。

2.同步的傳感器實(shí)驗(yàn)，精確呈現(xiàn)電荷的分布。

為了說(shuō)明靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部沒(méi)有“凈電荷”，“凈電荷”只分布在外表面。喬老師用兩個(gè)“數(shù)字靜電傳感器”代替了傳統(tǒng)的“驗(yàn)電器”。第一款自帶液晶屏的數(shù)字靜電傳感器，放在金屬籠內(nèi)部，用一根導(dǎo)線將傳感器和導(dǎo)體內(nèi)部相連，用來(lái)檢驗(yàn)導(dǎo)體內(nèi)部是否帶電；第二款傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)線與電腦相連，電腦屏幕顯示帶電數(shù)據(jù)，用它檢測(cè)導(dǎo)體外表面的帶電情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)為了提高可見(jiàn)度，用實(shí)物投影將傳感器與電腦顯示屏放大給大家看。當(dāng)一名學(xué)生緩慢持續(xù)地?fù)u動(dòng)起電機(jī)的手柄時(shí)，與起電機(jī)相連的金屬籠也就帶上了電荷，但大家發(fā)現(xiàn)內(nèi)部靜電傳感器顯示示數(shù)始終為零，而外部傳感器的取電球去觸碰金屬籠外側(cè)后，傳感器立即顯示出帶電數(shù)值。這一現(xiàn)象精確地呈現(xiàn)了靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體，內(nèi)部沒(méi)有“凈電荷”，“凈電荷”只分布在外表面。

3.自制的奶粉罐實(shí)驗(yàn)，形象直觀。

為了進(jìn)一步探究帶電導(dǎo)體外表面上電荷分布的疏密情況，喬老師收集了許多金屬奶粉罐，在每個(gè)奶粉罐的側(cè)面釘了一個(gè)釘子，在奶粉罐內(nèi)部和表面都粘上了驗(yàn)電羽，并在外側(cè)釘子的頂端也粘上了驗(yàn)電羽，將奶粉罐用導(dǎo)線與起電機(jī)金屬桿相連，搖動(dòng)起電機(jī)手柄使奶粉罐帶電，讓學(xué)生仔細(xì)觀察現(xiàn)象，并回答學(xué)案上的問(wèn)題。每個(gè)小組的學(xué)生都搶著回答他們看到的現(xiàn)象：金屬罐子內(nèi)部的驗(yàn)電羽沒(méi)有張開(kāi)，說(shuō)明導(dǎo)體內(nèi)部沒(méi)有電荷，外表面的驗(yàn)電羽都張開(kāi)了，說(shuō)明了電荷分布在外表面，而粘在外部針尖部位的驗(yàn)電羽張開(kāi)的角度最大，說(shuō)明越尖銳的部位電荷密度越大。

4.模擬避雷針實(shí)驗(yàn)，理論聯(lián)系實(shí)際。

“避雷針”作為靜電現(xiàn)象在生活中的一個(gè)典型應(yīng)用，學(xué)生的認(rèn)識(shí)僅停留在聽(tīng)說(shuō)的層面，沒(méi)有切身的體驗(yàn)，喬老師自制了一排小房子模擬居民區(qū)，用兩塊鋼板分別固定在小房子底部和上方，用來(lái)模擬大地和云層，當(dāng)通過(guò)高壓感應(yīng)圈給兩塊鋼板加上高壓來(lái)模擬雷電時(shí)，各間房屋與云層間均產(chǎn)生了電火花，這時(shí)提問(wèn)學(xué)生：這種情況如果持續(xù)發(fā)生，房子一定會(huì)受損，那為了保護(hù)房屋，我們應(yīng)該怎么辦？學(xué)生紛紛回答：放入避雷針。這時(shí)喬老師拿出自制的避雷針（砝碼和金屬毛線針）放在“地面”上，再加上高壓，學(xué)生觀察到，只有避雷針與“天空”間有火花放電，房屋都得到了保護(hù)。

5.“靜電屏蔽”實(shí)驗(yàn)，首尾呼應(yīng)。

最后，喬老師設(shè)計(jì)了“靜電屏蔽”的分組實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生將驗(yàn)電器放在帶電導(dǎo)體球形成的電場(chǎng)中，由于靜電感應(yīng)驗(yàn)電器的金箔張開(kāi)；而當(dāng)驗(yàn)電器被金屬籠罩上后，驗(yàn)電器的金箔立即閉合。通過(guò)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生建立“靜電屏蔽”的概念，這種構(gòu)建概念的過(guò)程形象生動(dòng)易于理解。這時(shí)，再次打開(kāi)引入新課時(shí)的視頻，讓學(xué)生解釋?zhuān)簽槭裁床仍诟邏壕€圈上的發(fā)生尖端放電的演員，相互之間加了上萬(wàn)伏的高壓，卻安然無(wú)恙？學(xué)生順利地做出了解釋?zhuān)?duì)“電擊汽車(chē)”“高壓防護(hù)服”等現(xiàn)象及應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了理解，體會(huì)到物理學(xué)習(xí)意義和作用。這種安排“首尾呼應(yīng)”，解決了課前引入時(shí)學(xué)生的“懸念”。

喬老師這節(jié)課通過(guò)設(shè)計(jì)精彩的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察、思考、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，極大地豐富了學(xué)生的體驗(yàn)，提升了學(xué)生的素質(zhì)，體現(xiàn)了新課程理念，是一節(jié)成功的物理課！

G633.7

A

1005-6009（2017）59-0044-03

1.喬蘭，南京外國(guó)語(yǔ)學(xué)校（南京，210008）教師，一級(jí)教師；2.姚小琴，南京外國(guó)語(yǔ)學(xué)校（南京，210008）教師，高級(jí)教師，江蘇省特級(jí)教師。

（推薦人：姚小琴）