基于核心素養(yǎng)下物理概念建立的案例研究

徐 學(xué)

基于核心素養(yǎng)下物理概念建立的案例研究

徐 學(xué)

（蘇州中學(xué)園區(qū)校，江蘇蘇州 215021）

現(xiàn)今我國的教育掀起新的一輪教育改革的浪潮，在知識與技能，過程與方法和情感態(tài)度價值觀的基礎(chǔ)上進一步提出了培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)．本文就是在基于培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的理念下著重介紹了電場，電勢能，電場強度3個物理概念的建立的案例．3個物理量分別采用比喻、類比、表格3種教學(xué)方式，突出了在教師引導(dǎo)下學(xué)生的主體活動，在教學(xué)的過程中培養(yǎng)學(xué)生積極思考與探究，從而培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)．

物理核心素養(yǎng)；物理概念；案例研究

2014年3月，在教育部的《關(guān)于全面深化課程改革，落實立德樹人的根本任務(wù)的意見》中提出了核心素養(yǎng)的概念，明確了培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)是育人的重要目標(biāo)，是推進課程改革，深化發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)．落實到我們物理教學(xué)中就是要培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)．物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵成分，主要由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等4個方面的要素構(gòu)成．其中“物理觀念”主要指高中物理中重要的觀點、概念規(guī)律，主要包括物質(zhì)觀、運動觀、能量觀、相互作用觀等，側(cè)重知識與技能方面；“科學(xué)思維”主要指高中物理中重要的思維方法，包括建模的思想、理想化方法、分析綜合、抽象概括、批判性思維、推理論證等思維與方法；“科學(xué)探究”主要指高中物理中通過理論或?qū)嶒灠l(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的方法，包括發(fā)現(xiàn)問題、合理猜測、設(shè)計實驗探究方案和獲取證據(jù)、分析論證、合作與交流、評估和反思等；“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”主要指 對待科學(xué)的態(tài)度與價值觀，包括能正確認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì)，具有學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與求知欲，能主動與他人合作，實事求是，不迷信權(quán)威，具有保護環(huán)境、節(jié)約資源、促進可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感等．［1］本文試著通過展示幾個物理概念建立的可操作案例，以作為培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)案例，供各位同行參考．

1 巧用比喻方法，更新相互作用觀

靜電場是高中學(xué)生第一次遇到的要求研究的有關(guān)“場”的問題．由于場的概念比較抽象，不能用感官直接感受，加上電場是分布在空間的矢量場，所以需要較強的抽象思維能力和空間想象能力，才能形成正確的物理圖景．電場的概念及其特性的描述一直是教學(xué)的難點．下面介紹筆者在課堂上采用的教學(xué)策略．

教學(xué)片斷1：構(gòu)建電場的概念．

演示1：手推動小車在木板上運動，如圖1所示．

演示2：磁鐵靠近小磁針，使小磁針在磁鐵的作用下發(fā)生運動，如圖1所示．

演示3：開啟范氏起電機，使輕質(zhì)小球帶電后在起電機球形導(dǎo)體的電場力作用下發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，如圖1所示．

圖1

思考1：這幾個實驗中小車、小磁針或小球是否受力？產(chǎn)生的力的施力物與受力物是否相互接觸？

學(xué)生回答：3個實驗中，小車，小磁針與帶電小球都受到了力的作用．實驗1中小車受的力是手與車直接接觸；實驗2，3中受力物與施力物兩物體并沒有相互接觸．

思考2：實驗2中磁鐵沒有與小車直接接觸，磁鐵與小磁針之間的相互作用是怎樣產(chǎn)生的呢？實驗3中，起電機球形導(dǎo)體對帶電小球產(chǎn)生的力是怎樣產(chǎn)生的呢？

學(xué)生回答：實驗2通過磁場，實驗3很有可能是通過電場．

教師引導(dǎo)：果真如此嗎？歷史上科學(xué)家持有怎樣的觀點呢？

PPT展示：安培認(rèn)為，兩個點電荷之間的庫侖力是一種不需要媒介，也不需要經(jīng)歷時間，而是超越空間與時間直接發(fā)生的作用力．就像萬有引力一樣——超距作用．

法拉第認(rèn)為，電荷的周圍存在著一種由它產(chǎn)生的電場，處在電場中的其他電荷受到的作用力就是這個電場給予的．

教師比喻：這兩種觀點如何來正確理解呢？我們來打個比方：（見圖2）我們看到蚊子受到蜘蛛力的作用而運動，超距作用者認(rèn)為蜘蛛沒有通過任何媒介直接給蚊子施加力的作用；而法拉第則認(rèn)為蜘蛛把蛛網(wǎng)織好以后待在那兒，蚊子飛到蛛網(wǎng)上時被蛛網(wǎng)粘住而受到了力的作用，是蜘蛛織好的蛛網(wǎng)對蚊子產(chǎn)生力的作用，而不是蜘蛛直接給蚊子施加力的作用的．

圖2

思考3：如果把蜘蛛換成電荷A，蚊子換成電荷B，現(xiàn)在請同學(xué)們來思考這樣的問題：電荷B不存在時，電荷A周圍有沒有電場？有沒有力存在？

學(xué)生回答：有電場存在，就像蜘蛛周圍存在著蛛網(wǎng)一樣，因為沒有蚊子，所以沒有力存在．

思考4：當(dāng)我們放入電荷B后，電荷B有沒有受到力的作用，產(chǎn)生力的施力物是A電荷還是A電荷產(chǎn)生的電場？

學(xué)生回答：電荷B受到了力的作用，施力物是A電荷產(chǎn)生的電場．

思考5：如果在電荷B的位置放的不是電荷，而是一塊木頭，木頭會受力嗎？

學(xué)生回答：不會受力．

教師總結(jié)：電場的性質(zhì)之一是對放入其中的電荷產(chǎn)生力的作用．電荷A對B的作用力是電荷A產(chǎn)生的電場對B產(chǎn)生了力的作用．電荷B對A的作用力是B電荷產(chǎn)生的電場對A產(chǎn)生了力的作用．

點評：通過把點電荷A比喻成蜘蛛，點電荷B比喻成蚊子，而點電荷A產(chǎn)生的電場比喻成蜘蛛網(wǎng)．把電場這種無形的物質(zhì)化為蜘蛛網(wǎng)這種有形的物質(zhì)，給學(xué)生插上了想象的翅膀，一方面使學(xué)生明白作用于電荷B的力不是電荷A直接給予的，而是電荷A產(chǎn)生的電場間接給予的．就像蚊子受到的力是蛛網(wǎng)施加的而不是蜘蛛直接產(chǎn)生的．另一方面，學(xué)生明白當(dāng)試探電荷B不存在時，電荷A產(chǎn)生的電場仍舊存在，就像蚊子不存在時蜘蛛網(wǎng)仍舊存在一樣．

2 巧用類比方法，催生認(rèn)知結(jié)構(gòu)

現(xiàn)今的人教版教科書是按照電勢能－電勢－電勢差的邏輯關(guān)系設(shè)計知識結(jié)構(gòu)的，目的是為了突出通過做功研究能量變化的思想．因此電勢能概念建立是否清晰直接影響到電勢與電勢差概念的建立．同時電勢能的概念較為抽象不容易建立，在電場中的同一位置相同電荷量不同電性的電荷電勢能也不相同，電勢能的理解相比于重力勢能更為困難．但重力勢能與電勢能又存在著很多相似之處，因此在教學(xué)實踐中筆者利用重力勢能與電勢能在做功的特點，做功與勢能變化的關(guān)系以及電勢能的定義與含義方面的相似性，采用類比的方法，同時以問題鏈的方式建立電勢能的概念，起到了良好的教學(xué)效果．

教學(xué)片斷2：電勢能概念的建立．

2．1 創(chuàng)設(shè)情景，引入電勢能

實驗1：利用仿真物理實驗室把小球a從A點靜止釋放，觀察小球做加速運動．

實驗2：利用仿真物理實驗室把帶電小球b放置在方向豎直向下的勻強電場中靜止釋放，觀察小球做加速運動．（不計重力）（見圖3）

圖3

思考：① 小球a為什么能由靜止開始運動的？② 小球a的動能如何變化？③ 小球a的動能由何種形式的能轉(zhuǎn)化而來？④ 帶電小球b在不受重力的情況下為何由靜止開始運動？⑤ 小球b的動能如何變化？⑥ 小球b的動能由何種形式的能轉(zhuǎn)化而來的？

學(xué)生討論探究：小球a由于重力而發(fā)生運動，動能增大，動能的增大是由重力勢能轉(zhuǎn)化而來的，小球b的運動是由于受到電場力的作用，動能的增大可能是某種勢能轉(zhuǎn)化而來的，由于電荷是在電場中的，這種勢能可能是“電勢能”．

2．2 靜電力做功與重力做功類比

設(shè)疑：學(xué)生們知道功是能量轉(zhuǎn)化的量度，對應(yīng)于重力做功，引入了重力勢能的概念，那么對于摩擦力，為什么沒有引入摩擦勢能的概念呢？如果存在“電勢能”，則靜電力做功有何特點呢？

圖3是偏位角θ=100°時，滑動軸承軸瓦開槽與軸瓦無槽時油膜承載力的變化曲線。當(dāng)寬徑比相同，軸瓦開槽比無槽時油膜承載力有所下降，且隨著偏心率的增大，降幅不斷增大。這是由于此時油槽處于油膜收斂區(qū)，槽內(nèi)部油膜厚度遠(yuǎn)大于其他位置，使得槽內(nèi)部流體動壓潤滑效果不明顯，且隨著偏心率增大，收斂楔形間隙在不斷增大，油槽對油壓峰值區(qū)影響程度也越大。

學(xué)生思考討論：重力做功與物體所經(jīng)過的路徑無關(guān)，只與起點與終點有關(guān)．而摩擦力做功是與物體運動路徑有關(guān)系的．因此不能引入摩擦勢能．如果假定存在著“電勢能”，則靜電力做功與電荷運動的路徑無關(guān)．

建模：如圖4所示，質(zhì)量為m的小球從A點沿直線運動到B點，在這個過程中重力做功為多少？電荷量為＋q的帶電體（不計重力）沿直線從A運動到B點時電場力所做的功？如果電荷沿任意路徑ANB運動，則靜電力所做的功為多大？

圖4

學(xué)生思考討論：在恒力的作用下功等于力與力的方向上位移的乘積，重力從A到B所做的功WG＝mg·｜AM｜．類似的靜電力從A沿直線運動到B所做的功W＝qE·｜AM｜．若要求帶電小球沿任意曲線ANB從A移動到B過程中靜電力所做的功時可以類比求小球沿任意曲線ANB從A運動到B重力做功的方法．我們用“微元法”把整個路徑分成若干小段，如圖5（a）所示，AA1，A1A2，A2A3…每一小段可以看成一條傾斜的直線，從A移動到B的整個過程中，重力所做功的

WG＝mgΔh1＋mgΔh2＋mgΔh3＋…＝

mg（Δh1＋Δh2＋Δh3＋…）＝mgh．

圖5

同樣也可以用“微元法”解決沿任意曲線ANB的靜電力做功，即把任意曲線ANB分割為許多很小的間隔如圖5（b）所示，則靜電力做功為W＝qE·｜AM｜．［2］

2．3 做功與勢能變化量的關(guān)系的類比

思考1：小球a從A點由靜止釋放在重力的作用下運動到B點，則重力做功與重力勢能的關(guān)系是怎樣的？（見圖3）

學(xué)生思考回答：小球a受的重力做正功，由動能定理，重力做功等于動能的增量，同時小球的重力勢能減少，重力勢能的減小量等于動能的增加量，所以重力所做的功等于小球重力勢能的減小量，表達式為WG＝－ΔEp＝EpA－EpB．

學(xué)生思考回答：帶正電小球受的電場力做正功，由動能定理，電場力做功等于動能的增量，同時帶電小球的電勢能減少，電勢能的減小量等于動能的增加量，所以電場力所做的功等于帶電小球電勢能的減小量，表達式為WAB＝－ΔEp＝EpA－EpB．

思考3：如果帶電小球帶負(fù)電，以一定的初速度從A運動到B，則靜電力做功與電勢能變化的關(guān)系如何？

學(xué)生思考回答：小球受的電場力做負(fù)功，由動能定理，電場力做負(fù)功等于動能的減少，同時帶電小球的電勢能增大，電勢能的增加量等于動能的減少量，所以電場力所做的負(fù)功等于帶電小球電勢能的增加量，表達式仍為WAB＝－ΔEp＝EpA－EpB．

教師對比引導(dǎo)總結(jié)：靜電力做功與電勢能變化的關(guān)系類似于重力做功與重力勢能的變化．（見表1）2．4 重力勢能與電勢能定義與含義的類比

表1

思考1：同學(xué)們回憶一下如何來確定圖3中A點的重力勢能呢？

學(xué)生回答：如果在圖中我們規(guī)定B點的重力勢能為零，則由WG＝EpA－EpB可以得到WG＝EpA，也就是說物體在某點的重力勢能等于把物體從該點移到重力勢能為零處重力所做的功．

思考2：學(xué)生們現(xiàn)在已經(jīng)知道電場中存在著電勢能，并且知道電場中兩點電勢能的差值由電場力做功決定，那如何確定電場中A點的電勢能的值呢？能否從重力勢能的定義出發(fā)得到一些啟發(fā)呢？

學(xué)生討論回答：可以規(guī)定B點的電勢能為0，然后由WAB＝EpA－EpB可以得到WAB＝EpA，也就是說電荷在某點的電勢能等于將電荷從該點移到電勢能為零處電場力所做的功．

思考3：重力勢能的值是絕對的還是相對的？在起點與終點確定的兩點中移動同一物體重力勢能的變化是絕對的還是相對的？電勢能的值是絕對的還是相對的？在起點與終點確定的兩點中移動同一個電荷電勢能的變化是絕對的還是相對的？

學(xué)生討論回答：由于重力勢能的零點可以任意規(guī)定，所以重力勢能是相對的，是相對于重力勢能零點而言的．但起點與終點確定后，重力做功是確定的值，所以重力勢能的變化量是絕對的．同理，電勢能是相對的，電勢能的變化量是絕對的．

點評：本教學(xué)環(huán)節(jié)通過重力做功與電場力做功，重力做功與重力勢能變化的關(guān)系與靜電力做功與電勢能變化的關(guān)系及重力勢能的定義及含義與電勢能定義與含義的3個方面的類比，把抽象的電勢能概念清晰地建立起來了，并且與學(xué)生的重力勢能的認(rèn)知結(jié)構(gòu)全方面地建立起了聯(lián)系，使得電勢能概念有了結(jié)實的生長點，學(xué)生既易于理解而且易于記憶．

3 巧用表格具象，建立物理概念

在物理概念建立的過程中，如果能夠巧妙地應(yīng)用表格，利用表格的直觀可視，對于概念的建立是相當(dāng)有利的，特別是對于通過比值法定義的物理量，如電場強度、磁感應(yīng)強度、壓強、速度、加速度這些物理量尤其有效．下面筆者介紹電場強度概念建立的案例．

教學(xué)片斷3：構(gòu)建電場強度概念．

思考：如圖6所示，圖中＋Q為場源電荷，A與B兩點是離場源電荷＋Q不同距離的空間兩點．能否用試探電荷q在A與B兩點所受力F的大小作為描述電場強弱的物理量呢？

圖6

學(xué)生回答：不能，因為如果在A、B兩點的試探電荷的電荷量不同，如果在A點的試探電荷的電荷量較大，則在A點試探電荷的受力可能大于在B點試探電荷所受的力，而很明顯B點離場源電荷近，電場較強．因此不能用力F來表示電場的強弱．

教師引導(dǎo)：不能用現(xiàn)有的物理量來描述電場的強弱，我們必須來探究新的物理量．

情景設(shè)置：已知真空中點電荷Q的電場中，距離場源電荷為2r與r處有A、B兩點（見圖6）．將同一試探電荷q，放在電場中的A、B．設(shè)它在A點所受的電場力為F，則在B點所受的電場力為多少？

應(yīng)用表格處理分析分以下幾步．

① 列出第一行第一列q和第二列F，教師示范應(yīng)用庫侖定律計算出B點的受力為4F．

②教師在表格中列出試探電荷為2q，3q，nq．要求學(xué)生計算出相應(yīng)在A點與B點受的庫侖力．

③ 要求學(xué)生觀察表格2，得出相應(yīng)的結(jié)論（見表2）．

表2

學(xué)生思考與討論：（1）電場中的同一點，不同電荷所受力不同，比值F／q是一定的．（2）電場中不同的點，同一電荷所受力也不同，比值F／q是不同的．（3）比值越大，該點的電場越強．

教師引導(dǎo)：你是否已找到描述電場強弱的物理量呢？

學(xué)生回答：可以用檢驗電荷所受靜電力與電荷量的比值，作為描述電場強弱的物理量．

師生共同討論：電場強度的物理意義、表達式、單位等．

點評：對于比值定義法來定義物理量有一個共通的要點是要有一個比較的 標(biāo)準(zhǔn)，如要比較兩個物體運動的快慢，我們選取的標(biāo)準(zhǔn)是相同的時間，比較兩個物體在相同的時間通過的位移的大小來比較快慢．比較壓力的作用效果，我們要取相同的受力面積，比較兩個物體在相同的受力面積上壓力的大小來比較壓強．壓強和速度等這些力學(xué)概念由于與日常生活聯(lián)系緊密而相對容易建立．但是對于電場強度與磁感應(yīng)強度這些物理量，由于電場與磁場看不見摸不著而不容易建立，這時可以借助于上述表格的方法把抽象的事物進行具象，特別是得出表格中的數(shù)據(jù)后，一定要給學(xué)生充足的時間思考與討論，自己得出結(jié)論．學(xué)生體會到由于在同一點不同的電荷受力是不同的，不能用電荷的受力表示電場的強弱，要取一個相同的標(biāo)準(zhǔn)，如果選取的標(biāo)準(zhǔn)為單位電荷，并且通過表格能很好地得出在同一點單位電荷受力是一定的，在不同點單位電荷受力往往是不同的，單位電荷受力是能表示某點電場性質(zhì)的物理量，而且單位電荷受力越大，某點的電場越強，最終可以利用單位電荷受力表示電場的強弱．

教育家葉圣陶曾指出，“給指點，給講說，卻隨時準(zhǔn)備少指點，少講說，最后做到不指點，不講說，這好比牽著孩子的手教他學(xué)走路，卻隨時準(zhǔn)備放手．”［3］也就是說在教學(xué)過程中教師主要起引導(dǎo)作用，不能包辦代替，通過學(xué)生主動的動手與動腦，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，學(xué)生的核心素養(yǎng)形成之時也就是教師放手之時．本文3個案例中教師通過設(shè)計問題鏈，僅起到穿針引線的作用，主要是學(xué)生主動的探究與思考．筆者希望通過案例的介紹能為同行們進行物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)提供一些參考．

1 彭前程．積極探索基于核心素養(yǎng)理念下的物理教學(xué)［J］．中學(xué)物理，2016（2）：1－2．

2 陳野．“問題鏈·導(dǎo)學(xué)”教學(xué)模式的實踐與思考［J］．中學(xué)物理教學(xué)參考，2014（11）：7－10．

3 葉圣陶．如果我當(dāng)教師：楊斌選編［M］．北京：教育科學(xué)出版社，2012：75．

2016－09－02）