優(yōu)化電場教學(xué)設(shè)計(jì) 提高學(xué)生思維能力

駱文洲

[摘? ?要]思維能力是學(xué)習(xí)能力的核心，已成為物理教師及相關(guān)教育工作者的共識(shí)，在課堂教學(xué)中，物理任課教師應(yīng)設(shè)法讓知識(shí)課堂成為培育核心素養(yǎng)的思維課堂。文章通過列舉幾個(gè)優(yōu)化靜電場教學(xué)的片段，闡述如何提高學(xué)生的思維能力。

[關(guān)鍵詞]教學(xué)設(shè)計(jì);思維能力;問題情境;學(xué)習(xí)途徑

[中圖分類號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2018）35-0039-03

在工作、學(xué)習(xí)、生活中，遇到問題時(shí)總要“想一想”，這就是思維。恩格斯為什么會(huì)說“思維是世界上最美麗的花朵”呢？這是因?yàn)樗季S能力包括比較和判斷能力、分析和綜合能力、推理和論證能力、概括和抽象能力等;它參與、支配著一切智力活動(dòng)，可以說是整個(gè)智慧的核心，也可以說是學(xué)習(xí)能力的核心。對(duì)照物理學(xué)科核心素養(yǎng)，“科學(xué)思維”便是其四大維度之一。因此，切實(shí)優(yōu)化物理教學(xué)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮物理學(xué)科特色，真正提高學(xué)生的思維能力，是高中物理教師義不容辭的責(zé)任。下面結(jié)合人教版選修3-1第一章《靜電場》的教學(xué)，淺談物理教學(xué)中學(xué)生思維能力的提升。

一、優(yōu)化問題情境，拓展思維廣度

華東師范大學(xué)鐘啟泉教授曾說過：真正的“學(xué)習(xí)”，不能只停留于單純的“知識(shí)記憶”，而應(yīng)當(dāng)是學(xué)生主動(dòng)參與的“知識(shí)建構(gòu)”……，最大限度地拓展學(xué)習(xí)空間，使每個(gè)學(xué)生都能學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，成為學(xué)習(xí)的主人。那么，如何最大限度地拓展學(xué)習(xí)空間呢？這就要求我們的課堂教學(xué)是將知識(shí)問題化的、問題情境化的。課堂教學(xué)應(yīng)當(dāng)是通過優(yōu)化的問題情境，拓展學(xué)生思維的廣度，給學(xué)生的思維有一個(gè)可以盡情遨游的機(jī)會(huì)。

以電場強(qiáng)度為例，教材中通過研究“懸掛起來的帶電小球受到帶電金屬球的靜電力作用”這一實(shí)驗(yàn)，得出帶電金屬球周圍存在電場，且電場強(qiáng)度與位置有關(guān)，而與試探電荷無關(guān)……顯然，這樣的問題情境雖然體現(xiàn)了以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科特色，但由于電場的高度抽象性導(dǎo)致學(xué)生的思維廣度不夠。對(duì)此，教師該如何優(yōu)化問題情境呢？教學(xué)中，我們可在前面已學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，引入實(shí)際情景進(jìn)行類比，幫助學(xué)生理解，設(shè)計(jì)如下。

師：（實(shí)驗(yàn)）將臺(tái)式電扇置于講臺(tái)上并啟動(dòng)它（不扭頭旋轉(zhuǎn)）。不同的地方，風(fēng)的強(qiáng)弱一樣嗎？

生：不一樣。（實(shí)驗(yàn)）把小紙條放在不同的地方，離風(fēng)扇越遠(yuǎn)，紙條偏轉(zhuǎn)的角度越小，在教室后方，紙條幾乎就沒有偏轉(zhuǎn)了。

師：不同的地方，風(fēng)的方向一樣嗎？

生：不一樣。（實(shí)驗(yàn)）把小紙條放在不同的地方，紙條偏轉(zhuǎn)的方向有同有異。

師：沒有小紙條，風(fēng)還在嗎？

生：在的。小紙條的偏轉(zhuǎn)情況只是反映了風(fēng)的強(qiáng)弱和方向，但風(fēng)存在與否，與小紙條無關(guān)。

師：這個(gè)小實(shí)驗(yàn)中，電風(fēng)扇、風(fēng)、小紙條的特性與今天課堂教學(xué)中“誰”的特性很相像啊？……

通過電風(fēng)扇與場源電荷、風(fēng)與電場、小紙條與試探電荷的類比，以電場和風(fēng)的相似性為基點(diǎn)，讓抽象陌生與形象熟知的事物類比，通過熟知事物的特征類比理解陌生事物。顯然這種生活化的類比極大地拓展了學(xué)生思維的廣度，為隨后電場強(qiáng)度概念的引出鋪平了道路。教學(xué)中，還有許多類似的地方值得我們進(jìn)一步關(guān)注，如重力做功與電場力做功、重力勢能與電勢能、等高線與等勢面、高度與電勢等。

以2018年高考北京理科綜合卷第24題為例：靜電場可以用電場線和等勢面來形象描述。（1）請(qǐng)根據(jù)電場強(qiáng)度的定義和庫侖定律推導(dǎo)出點(diǎn)電荷Q的場強(qiáng)表達(dá)式;點(diǎn)電荷的電場線和等勢面分布如圖1所示，等勢面S1、S2到點(diǎn)電荷的距離分別為r1、r2。我們知道，電場線的疏密反映了空間區(qū)域電場強(qiáng)度的大小。請(qǐng)計(jì)算S1、S2上單位面積通過的電場線條數(shù)之比N1/N2。（2）觀測宇宙中輻射電磁波的天體，距離越遠(yuǎn)單位面積接收的電磁波功率越小，觀測越困難。為了收集足夠強(qiáng)的來自天體的電磁波，增大望遠(yuǎn)鏡口徑是提高天文觀測能力的一條重要路徑。2016年9月25日，世界上最大的單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST在我國貴州落成啟用，被譽(yù)為“中國天眼”。FAST直徑為500 m，有效提高了人類觀測宇宙的精度和范圍。設(shè)直徑為100 m的望遠(yuǎn)鏡能夠接收到的來自某天體的電磁波功率為P1，計(jì)算FAST能夠接收到的來自該天體的電磁波功率P2;在宇宙大尺度上，天體的空間分布是均勻的，僅以輻射功率為P的同類天體為觀測對(duì)象，設(shè)直徑為100 m望遠(yuǎn)鏡能夠觀測到的此類天體數(shù)目是N0，計(jì)算FAST能夠觀測到的此類天體數(shù)目N。

對(duì)該試題，若把“電場線”類比成更熟悉的“磁感線”和“磁通量”，并求解單位面積上的電場線條數(shù)之比，把“電磁波”類比成更熟悉的“太陽輻射的光線”，進(jìn)而求解功率、天體數(shù)目等問題。

對(duì)小題（1），根據(jù)庫侖定律、電場強(qiáng)度的定義式可得E=kQ/r2，而穿過兩等勢面單位面積上的電場線條數(shù)之比N1/N2=r22/r21。

對(duì)小題（2），同一天體到達(dá)望遠(yuǎn)鏡單位面積上的功率（即接收的功率）應(yīng)該相同，故P2=5002P1/1002=25P1。若直徑為100 m望遠(yuǎn)鏡和FAST能觀測到的最遠(yuǎn)距離分別為L0和L，則π（500/2）2·（P/4πL2）=π（100/2）2·（P/4πL02），得L=5L0，N=L3N0/L03=125N0。

二、開放學(xué)習(xí)途徑，加深思維深度

思維廣度就是人們能想到的廣度，比如提起重力，能想到彈力、摩擦力……;而思維深度是指人們考慮的深度，比如重力是怎樣產(chǎn)生的、大小和方向是怎樣的……因此，教學(xué)中思維廣度需要適度拓展，而思維深度更需適度加深。具體可以通過開放更多的學(xué)習(xí)途徑創(chuàng)設(shè)不同的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，提高學(xué)生的思維能力。

以勻強(qiáng)電場的電場線為例，傳統(tǒng)教學(xué)一般是利用粘有驗(yàn)電羽的圓形金屬平板進(jìn)行演示，然后得出勻強(qiáng)電場的電場線。這樣的教學(xué)節(jié)奏很快，而從提高思維能力的角度來看，似乎意義不大。根據(jù)高中生現(xiàn)有的知識(shí)水平，如果把教學(xué)過程改為理論上先定性探究、再用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，也許對(duì)提高學(xué)生的思維能力有更大的作用。設(shè)計(jì)如下。

師：有一塊無限大的、均勻帶正電的薄板，如圖2所示，它的電場線分布是什么形狀呢？

生：由于無限大的均勻帶正電薄板可以看作無限個(gè)正點(diǎn)電荷組成，所以板上點(diǎn)電荷在該點(diǎn)的場強(qiáng)是垂直板向外的;其次，板上點(diǎn)總可以在“對(duì)稱”的位置找到一點(diǎn)，使得在任取的這點(diǎn)的場強(qiáng)還是垂直板面向外的。

師：既然任意一點(diǎn)的場強(qiáng)方向都是垂直薄板向外的，那么電場線也就一定是垂直薄板向外了;但是電場線為什么是疏密均勻的直線？

生：帶電均勻。

師：如果是帶負(fù)電的薄板呢？

生：只要改變電場線的方向即可。

師：如果把剛才的兩塊平板放在一起，疊加后的電場如何分布呢？

生：利用電場疊加原理，疊加后的電場線僅在兩板間，且是等距的平行直線……

顯然，在教師的引導(dǎo)下，適度加深了學(xué)生的思維深度。學(xué)生通過對(duì)稱法、疊加法等方法可以定性推得勻強(qiáng)電場電場線的圖像，了解了勻強(qiáng)電場電場線的來龍去脈和基本特性，相比實(shí)驗(yàn)?zāi)M得出圖像顯然更能提高學(xué)生的思維能力。這也非常符合蘇霍姆林斯基曾經(jīng)說過的一句話：“教師在教學(xué)中應(yīng)把獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的道路讓學(xué)生自己走，要把獨(dú)立解決問題作為學(xué)生腦力勞動(dòng)的基本形式……”

其實(shí)，這樣的教學(xué)改進(jìn)與目前的高考要求也是不謀而合的。

以2015年安徽省理科綜合卷中第20題為例：已知均勻帶電的無窮大平面在真空中激發(fā)電場的場強(qiáng)大小為σ/2?0，其中σ為平面上單位面積所帶的電荷量，?0為常量。如圖3所示的平行板電容器，極板正對(duì)面積為S，其間為真空，帶電量為Q，不計(jì)邊緣效應(yīng)時(shí)，極板可看作無窮大導(dǎo)體板，則極板間的電場強(qiáng)度大小和兩極板間相互的靜電引力大小分別為（）。

A.Q/?0S和Q2/?0S

B.Q/2?0S和Q2/?0S

C.Q/2?0S和Q2/2?0S

D.Q/?0S和Q2/2?0S

本題考查的主要是電場“力的特性”，對(duì)探究過平行板電容器電場的學(xué)生來說較為容易。由題意知，通過電荷的“面密度σ”求得“一板場強(qiáng)”的大小為Q/2?0S。接下來，一方面通過電場的“疊加原理”，求得“合場強(qiáng)E”的大小為Q/?0S;另一方面通過電場的“定義式”E=F/q，求得“靜電引力”的大小為Q2/2?0S，故選項(xiàng)D正確。

三、精準(zhǔn)設(shè)計(jì)問題，把握思維梯度

學(xué)生思維的深刻性、靈活性、創(chuàng)造性、批判性、敏捷性、系統(tǒng)性等是不盡相同的，如若系統(tǒng)性不夠，將導(dǎo)致綜合能力欠缺;靈活性不足，將常受思維定式的困擾。因此，教學(xué)設(shè)計(jì)不能無限地拓展思維廣度、加深思維深度，否則離學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)越來越遠(yuǎn)。這樣的教學(xué)將導(dǎo)致教學(xué)任務(wù)難以完成，也不利于學(xué)生思維能力的提高;應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況精準(zhǔn)設(shè)計(jì)問題，在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)形成科學(xué)有序的思維梯度，從而切實(shí)提高學(xué)生的思維能力。

以帶電粒子的加速為例，教學(xué)中我們不能用動(dòng)能定理直接快速地得出末速度，這樣的教學(xué)會(huì)使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解極不深刻，更談不上培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。當(dāng)然，我們可以設(shè)計(jì)一系列有價(jià)值的問題，形成思維梯度，降低思維難度，但不失思維的廣度、深度，設(shè)計(jì)如下。

[序號(hào) 問題 說明 1 什么是帶電粒子？（展示示波器或示波管實(shí)物、直線加速器視頻后再提問） 比較各力大小，辨別粒子顆粒。 2 上述器件是如何利用電場加速帶電粒子的？ 學(xué)生設(shè)計(jì)方案，共同交流評(píng)價(jià)，得出可行方案。 3 我們通過控制什么物理量就可以改變帶電粒子末速度大??？ 學(xué)生求解分析，得出極板電壓。 4 上述求解方法不同，但結(jié)果均同，各種解法都正確嗎？ 動(dòng)能定理：簡捷又都適用;

牛頓第二定律：僅適勻強(qiáng)電場。 5 如需獲得更大的速度，該如何改進(jìn)方案呢？ 采用多級(jí)加速，不斷提升速度。 6 能評(píng)價(jià)一下多級(jí)直線加速器嗎？ 多級(jí)加速雖好，但是器件很長。 7 課后請(qǐng)查資料，了解科學(xué)家們是如何改進(jìn)的。 了解回旋加速，初步比較優(yōu)劣。 ]

亞里士多德曾經(jīng)說過：“思維是從對(duì)問題的驚訝開始的”。教學(xué)中，教師精準(zhǔn)設(shè)計(jì)問題，并使問題梯度化，則學(xué)生的思維也隨之梯度化。梯度化的思維，促使學(xué)生提升了思維的廣度，如粒子加速的方案設(shè)計(jì);也提高了學(xué)生思維的深度，如為什么一般不采用牛頓第二定律計(jì)算？如何獲得更大的速度？等等。

以2018年11月浙江物理選考第23題為例：小明受回旋加速器的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了如圖4所示的“回旋變速裝置”。兩相距為d的平行金屬柵極板M、N，板M位于x軸上，板N在它的正下方。兩板間加上如圖5所示的幅值為U0的交變電壓，周期T0=2πm/qB。板M上方和板N下方有磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B、方向相反的勻強(qiáng)磁場。粒子探測器位于y軸處，僅能探測到垂直射入的帶電粒子。有一沿x軸可移動(dòng)、粒子出射初動(dòng)能可調(diào)節(jié)的粒子發(fā)射源，沿y軸正方向射出質(zhì)量為m、電荷量為q（q>0）的粒子。t=0時(shí)刻，發(fā)射源在（x，0）位置發(fā)射一帶電粒子。忽略粒子的重力和其他阻力，粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間不計(jì)。（1）若粒子只經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)并在y=y0處被探測到，求發(fā)射源的位置和粒子的初動(dòng)能;（2）若粒子兩次進(jìn)出電場區(qū)域后被探測到，求粒子發(fā)射源的位置x與被探測到的位置y之間的關(guān)系。

本題看似帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的問題，實(shí)為帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的問題。一般而言，帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)問題較難，需利用“先分解、后合成”的方法求解位移、速度等問題。本題只涉及帶電粒子在電場中加速或減速，但是由于“粒子兩次進(jìn)出電場區(qū)域后被探測到”的限制，該題目就變得較難了。那么我們?cè)撊绾未罱ㄋ季S臺(tái)階，引導(dǎo)學(xué)生思考求解呢？首先，分析出每過半個(gè)周期，粒子進(jìn)入電場區(qū)域時(shí)電場強(qiáng)度的方向，即研究清楚受力特點(diǎn);其次，由于初動(dòng)能各異，加速進(jìn)入、減速進(jìn)入的結(jié)果會(huì)如何，即研究清楚力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系;再者，根據(jù)題設(shè)條件，確定分三類討論：如圖6，若初動(dòng)能大于2qU0，兩次減速;若初動(dòng)能小于2qU0，但大于qU0，一次減速、一次往返;若初動(dòng)能小于qU0，一次往返、一次加速。解略。

總之，教學(xué)中，教師只有從整體上把握好思維的廣度、深度、梯度這三者間的關(guān)系，才能使物理課堂走向以思維為核心的課堂，才能使學(xué)生的思維能力得到切實(shí)提高。

（責(zé)任編輯? ?易志毅）