淺談“電場(chǎng)線”的藝術(shù)美在物理學(xué)科素養(yǎng)中的滲透

傅子杰

(首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院 北京 100037)

物理學(xué)科素養(yǎng)是科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程中的重要構(gòu)成，從物理學(xué)的角度認(rèn)識(shí)世界、了解世界，到對(duì)于世界的再認(rèn)知，整體的科學(xué)思維深化過(guò)程，正是物理學(xué)科素養(yǎng)的養(yǎng)成.客觀事物是自然界的固有物質(zhì)，有著特定的物理屬性.物理學(xué)作為理科中認(rèn)識(shí)客觀世界的基礎(chǔ)學(xué)科，能用其解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題，則是物理學(xué)科的兩大特征：實(shí)用化與實(shí)際化，而物理學(xué)中另一大特征則是具有趣味性和物理人文性，我們可以通過(guò)很多趣味實(shí)驗(yàn)，以及對(duì)于神奇的自然現(xiàn)象的物理解讀，來(lái)更加生動(dòng)形象地表達(dá)自然界的特性，從而可以展現(xiàn)出自然中的美麗與神奇，這也正是物理學(xué)的力量.對(duì)于物理人文的學(xué)科滲透也正是教師培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)貫穿的又一大主線.下面以高中物理“電場(chǎng)線”這一節(jié)為例，從教學(xué)設(shè)計(jì)，到教學(xué)思想兩方面談一談物理學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng).

1 人文與理學(xué)雙構(gòu)建在物理教學(xué)的應(yīng)用

在物理教學(xué)中，理學(xué)模型和理學(xué)規(guī)律的講授是必不可少的，向?qū)W生滲透一些物理現(xiàn)象、物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的物理思想，也是在物理學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程中重要的部分.在構(gòu)建學(xué)科大體系的過(guò)程，物理人文也是物理學(xué)科中很重要的部分.物理人文中的藝術(shù)思想滲透，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性見(jiàn)解與能力的重要組成.

為達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生思維能力，提升思維水平的教學(xué)目標(biāo)，通過(guò)自然科學(xué)引入具有“物理藝術(shù)美”的電場(chǎng)線，可以將學(xué)生的思維打開(kāi)，提到一個(gè)更為宏觀的視野，來(lái)看待物理學(xué)中的電場(chǎng)線，讓自然界存在的真實(shí)電場(chǎng)線變得更有自然趣味.本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)如下：

(1)理解電場(chǎng)線的五大基本特征，以及依據(jù)5個(gè)經(jīng)典電場(chǎng)線分布圖的分析方法，研究其他不規(guī)則的電場(chǎng)線分布圖像.

(2)通過(guò)對(duì)歷史中科學(xué)家對(duì)問(wèn)題探究的過(guò)程回顧，使學(xué)生產(chǎn)生對(duì)物理問(wèn)題探索思考的興趣，以培養(yǎng)學(xué)生分析和處理電場(chǎng)問(wèn)題的一般方法.

(3)認(rèn)知到物理中的藝術(shù)，以及物理圖示法的意義和美學(xué).

在引入部分，從人教課本《物理·選修3-1》第一章前言部分文字中一句來(lái)自于皮特·梅達(dá)瓦的名言：科學(xué)是可以解答的藝術(shù)，提問(wèn)學(xué)生：(1)什么是科學(xué)？(2)什么是藝術(shù)？讓學(xué)生展開(kāi)思考和發(fā)散性思維.通過(guò)對(duì)于科學(xué)的定義，用一句話概括：對(duì)于客觀存在的合理解釋；對(duì)于藝術(shù)的理解，則用一句話概括：對(duì)于客觀存在的生動(dòng)形象表達(dá).再次提問(wèn)學(xué)生：如何理解名言中的科學(xué)是可以解答的藝術(shù)？

如圖1所示，教師以3條主線并行的方式，通過(guò)時(shí)間軸線、自然物質(zhì)的感官感受層次遞進(jìn)(有形的山脈、無(wú)形有感覺(jué)的溫度、無(wú)形無(wú)感覺(jué)的電場(chǎng))、科學(xué)與藝術(shù)(對(duì)于客觀物質(zhì)的圖示法表達(dá)形式)這三線脈絡(luò)并進(jìn)，使學(xué)生更好地理解電場(chǎng)線中物理人文的奧秘.通過(guò)對(duì)于歷史上人們對(duì)于客觀自然而引入的人為圖示法，理解科學(xué)和藝術(shù).

讓學(xué)生意識(shí)到物理學(xué)中的藝術(shù)與物理圖示法中的美學(xué).通過(guò)人文理學(xué)的雙構(gòu)建，來(lái)進(jìn)一步提升學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng).為此，“電場(chǎng)線”的引入部分就成為這節(jié)課中培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性思維以及培養(yǎng)物理學(xué)科素養(yǎng)的很好體現(xiàn).

圖1 三線脈絡(luò)并進(jìn)圖示

1852 年法拉第就提出了完整的電場(chǎng)線理論，讓學(xué)生們翻開(kāi)課本閱讀第13～14頁(yè)科學(xué)漫步中的“法拉第和場(chǎng)的概念”了解歷史.

接著帶領(lǐng)學(xué)生一起畫(huà)正點(diǎn)電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度示意圖.通過(guò)有向線段的長(zhǎng)短來(lái)表示不同空間位置的電場(chǎng)強(qiáng)度.由此整個(gè)空間的電場(chǎng)強(qiáng)度示意圖便呈現(xiàn)于整個(gè)平面圖紙上,如圖2所示.

圖2 正點(diǎn)電荷電場(chǎng)強(qiáng)度示意圖

有向線段有方向可以直接過(guò)渡到電場(chǎng)線的方向，有向線段的長(zhǎng)短表示電場(chǎng)強(qiáng)度大小，而電場(chǎng)線則是通過(guò)場(chǎng)線疏密來(lái)表示電場(chǎng)強(qiáng)度大小，由此，長(zhǎng)短變?yōu)榱耸杳?如圖3所示，可以形象表達(dá)電場(chǎng)強(qiáng)度的大小.

圖3 用電場(chǎng)線疏密表示電場(chǎng)強(qiáng)度大小

2 講授知識(shí)與學(xué)生活動(dòng)交互在物理教學(xué)的落實(shí)

根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展階段，將兒童和青少年的認(rèn)知發(fā)展劃分為4個(gè)階段：感知運(yùn)動(dòng)階段、前運(yùn)算階段、具體運(yùn)算階段和形式運(yùn)算階段.我們的授課面向的學(xué)生群體是高中生，可將高中生劃分到青少年的形式運(yùn)算階段，這個(gè)階段的特征為：思維不必從具體事物或過(guò)程開(kāi)始，可以利用語(yǔ)言文字，在頭腦中想象和思維，重建事物和過(guò)程來(lái)解決問(wèn)題.我們認(rèn)為高中生基本具備這方面的能力，學(xué)生可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行新知識(shí)的學(xué)習(xí).與此同時(shí)，形式運(yùn)算階段的青少年可以根據(jù)概念、假設(shè)等前提，進(jìn)行假設(shè)演繹推理，得到結(jié)論，并可以進(jìn)行一切科學(xué)技術(shù)所需要的最基本運(yùn)算.在這個(gè)階段中，在物理課堂教學(xué)過(guò)程中開(kāi)展學(xué)生活動(dòng)以及以學(xué)生討論的形式開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)也是一種很好的方式.既可以鍛煉學(xué)生的物理思維能力，又可以培養(yǎng)學(xué)生的合作探討與獨(dú)立思考的能力，促進(jìn)了學(xué)生自主進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)和內(nèi)化.于是，我們根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知階段，在教學(xué)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了如下的環(huán)節(jié)以供學(xué)生進(jìn)行“電場(chǎng)線”內(nèi)容的互動(dòng)學(xué)習(xí).

在畫(huà)出了正電荷的電場(chǎng)線圖之后，開(kāi)展學(xué)生活動(dòng)讓學(xué)生根據(jù)分析正點(diǎn)電荷的電場(chǎng)線的方法，兩人一組進(jìn)行討論，畫(huà)出負(fù)點(diǎn)電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度示意圖，以及電場(chǎng)線分布圖.

帶領(lǐng)學(xué)生依據(jù)正點(diǎn)電荷和負(fù)點(diǎn)電荷電場(chǎng)線分布圖，一起總結(jié)電場(chǎng)線的5個(gè)基本特征：(1)電場(chǎng)線越密，電場(chǎng)強(qiáng)度越大；電場(chǎng)線越疏，電場(chǎng)強(qiáng)度越小.(2)始于正電荷或無(wú)限遠(yuǎn)，終于無(wú)限遠(yuǎn)或負(fù)電荷.(3)電場(chǎng)線的( )方向是電場(chǎng)強(qiáng)度方向.(4)電場(chǎng)線不相交且不閉合.(5)電場(chǎng)線是虛擬線.

注：對(duì)于(3)中的括號(hào)，特意空出，在后面討論等量同種電荷與等量異種電荷電場(chǎng)線圖時(shí)，進(jìn)一步分析并強(qiáng)調(diào)電場(chǎng)線的(切線)方向是電場(chǎng)強(qiáng)度方向.

這時(shí)，讓學(xué)生每4人組成一組，小組討論等量異種電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度示意圖，以及電場(chǎng)線分布圖該如何去畫(huà).教師在討論過(guò)程中走下講臺(tái)，參與學(xué)生活動(dòng)，并找出畫(huà)得好的圖紙進(jìn)行投影展示，并找出有典型錯(cuò)誤的圖紙，在投影上與學(xué)生共同糾正錯(cuò)誤，強(qiáng)調(diào)畫(huà)圖規(guī)范.

在小組討論之后，再進(jìn)行感應(yīng)起電機(jī)-驗(yàn)電羽實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證通過(guò)理論推導(dǎo)出來(lái)的等量異種電荷電場(chǎng)線分布圖,如圖4所示.

圖4 等量異種電荷電場(chǎng)線分布圖

教師在黑板上進(jìn)行等量異種電荷電場(chǎng)線圖的規(guī)范示范性畫(huà)圖，帶領(lǐng)學(xué)生運(yùn)用之前總結(jié)的電場(chǎng)線5個(gè)基本特征，對(duì)中垂線上各點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度大小和方向以及中垂線上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)進(jìn)行推導(dǎo)，對(duì)電荷連線上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)，以及特殊點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小和方向進(jìn)行分析.

在理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了等量異種電荷的電場(chǎng)線后，給學(xué)生1～2 min思考等量同種電荷電場(chǎng)線，進(jìn)行感應(yīng)起電機(jī)-驗(yàn)電羽實(shí)驗(yàn)(圖5)，模擬等量同種電荷電場(chǎng)線分布圖(圖6).

圖5 感應(yīng)起電-驗(yàn)電羽實(shí)驗(yàn)

圖6 等量同種電荷電場(chǎng)線分布圖

帶領(lǐng)學(xué)生運(yùn)用之前總結(jié)的電場(chǎng)線 5 個(gè)基本特征，對(duì)中垂線上各點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度大小和方向以及中垂線上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)進(jìn)行推導(dǎo).進(jìn)行對(duì)于電荷連線上的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)，以及特殊點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度大小和方向進(jìn)行分析.

最后引入第5個(gè)新經(jīng)典模型：勻強(qiáng)電場(chǎng)(圖7).

圖7 勻強(qiáng)電場(chǎng)

教師直接給出勻強(qiáng)電場(chǎng)的定義：電場(chǎng)強(qiáng)度大小相同，方向相同的電場(chǎng).提問(wèn)學(xué)生：

(1)電場(chǎng)強(qiáng)度大小相同對(duì)應(yīng)著電場(chǎng)線分布有什么特點(diǎn)？(2)電場(chǎng)強(qiáng)度方向相同對(duì)應(yīng)著電場(chǎng)線分布有什么特點(diǎn)？讓學(xué)生體會(huì)電場(chǎng)強(qiáng)度大小相同對(duì)應(yīng)著電場(chǎng)線分布均勻，電場(chǎng)強(qiáng)度方向相同對(duì)應(yīng)著電場(chǎng)線方向平行的兩個(gè)特點(diǎn).

在課程最后總結(jié)部分，把5個(gè)經(jīng)典電場(chǎng)線分布圖列出(圖8)，規(guī)范畫(huà)在黑板上，讓學(xué)生體會(huì)這5個(gè)經(jīng)典的電場(chǎng)線模型.

圖8 5個(gè)經(jīng)典電場(chǎng)線分布

在課程之后，留下課后思考問(wèn)題：(1)如何畫(huà)出不等量同種電荷的電場(chǎng)線分布圖？(2)如何畫(huà)出不等量異種電荷的電場(chǎng)線分布圖?給予學(xué)生一定的獨(dú)立思考空間，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)探究特殊模型的學(xué)習(xí)能力，以提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

在本小節(jié)“電場(chǎng)線”的學(xué)習(xí)中，我們的核心教學(xué)目的還是學(xué)生對(duì)于物理學(xué)知識(shí)的把握，于是我們把教學(xué)活動(dòng)按以下6點(diǎn)教學(xué)目的展開(kāi)：(1)掌握電場(chǎng)線定義以及物理意義.(2)從簡(jiǎn)單的點(diǎn)電荷到多個(gè)點(diǎn)電荷的復(fù)雜電場(chǎng)系統(tǒng)，讓學(xué)生充分體會(huì)電場(chǎng)線分布特征.(3)掌握電場(chǎng)、電場(chǎng)強(qiáng)度與電場(chǎng)線之間的關(guān)系.(4)掌握5種典型電場(chǎng)的電場(chǎng)線分布.(5)以電場(chǎng)線描述電場(chǎng)，滲透用場(chǎng)線描述矢量場(chǎng)的方法.(6)了解什么是勻強(qiáng)電場(chǎng)，以及勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)線特征.

我們?cè)诨谶@6個(gè)教學(xué)核心的基礎(chǔ)上，努力拓展學(xué)生的思維寬度，通過(guò)自然科學(xué)引入具有“物理藝術(shù)美”的電場(chǎng)線，通過(guò)分析電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度示意圖遞進(jìn)到電場(chǎng)線分布圖，再到對(duì)于電場(chǎng)線分布的特征，分析5大經(jīng)典電場(chǎng)線分布圖(正點(diǎn)電荷、負(fù)點(diǎn)電荷、等量同種電荷、等量異種電荷、勻強(qiáng)電場(chǎng))，掌握分析不同電場(chǎng)線分布圖的分析方法和特點(diǎn).從而可以用分析方法研究其他特殊且不規(guī)則的電場(chǎng)特征，達(dá)到學(xué)一反三的效果，以及從物理人文方面，讓學(xué)生更好地體會(huì)物理中的藝術(shù)美.

藝術(shù)和物理看似是文與理兩個(gè)領(lǐng)域，但是自然界這個(gè)客觀實(shí)在，卻把藝術(shù)和物理緊密地聯(lián)系在了一起.物理解讀的正是我們這個(gè)神奇充滿著奧秘的自然世界，它是探究奧秘的鑰匙；藝術(shù)生動(dòng)描述著這個(gè)美麗而神秘的自然世界，它是描繪奧秘的方式.“電場(chǎng)線”這個(gè)物理學(xué)概念則恰好把物理與藝術(shù)生動(dòng)形象地交融到了一起，它既是物理學(xué)知識(shí)，又是一種描述自然中這個(gè)“無(wú)形無(wú)感覺(jué)”電場(chǎng)最有效的藝術(shù)圖示法，這就是物理學(xué)中的物理人文，物理學(xué)中的的藝術(shù)美.