為思維而教 讓物理課堂閃爍理性的光芒
——以“靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”教學(xué)設(shè)計(jì)為例

夏良英

(廣東省深圳市龍華高級(jí)中學(xué)，廣東 深圳 518109)

1 物理教學(xué)應(yīng)關(guān)注教學(xué)重演律

蘇霍姆林斯基說(shuō)：“在人的心靈深處，有一種根深蒂固的需要，就是希望自己是一個(gè)發(fā)現(xiàn)者、研究者、探索者”。學(xué)生從“未知”到“真知”，需要經(jīng)歷一定的教學(xué)過(guò)程，而這一過(guò)程是以濃縮時(shí)空的形式，短暫而迅速地重演著人類(lèi)漫長(zhǎng)的認(rèn)識(shí)發(fā)展歷程，此即“教學(xué)重演”。如果把科學(xué)家從事科學(xué)研究的過(guò)程視為科學(xué)知識(shí)的原生產(chǎn)過(guò)程，那么，學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程可以理解為科學(xué)知識(shí)的再生產(chǎn)過(guò)程。學(xué)生學(xué)習(xí)物理的心理順序差不多就是物理學(xué)家探索的歷史進(jìn)程，學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的進(jìn)程可以看成是人類(lèi)探索科學(xué)進(jìn)程在認(rèn)知意義上的重演。讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程，從而進(jìn)一步加深對(duì)于科學(xué)本質(zhì)的理解。在這一過(guò)程中形成物理觀念，發(fā)展科學(xué)思維，在潛移默化中培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和責(zé)任，從而提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 由為知識(shí)而教到為思維而教

物理中的“物”是事實(shí)證據(jù)，“理”是理性思維，實(shí)驗(yàn)是物理的根，思維是物理的魂。物理與生活密不可分，從生活中來(lái)，到生活中去，生活是物理之源。豐富的生活資源讓物理教學(xué)內(nèi)容更加豐富，獨(dú)具匠心的實(shí)驗(yàn)探究讓物理教學(xué)過(guò)程更加精彩，扎實(shí)的思維訓(xùn)練讓學(xué)生智慧之門(mén)開(kāi)啟。認(rèn)清物理學(xué)科本質(zhì)有助于我們對(duì)物理教學(xué)的理解和把握，使得物理課堂教學(xué)具有濃濃的“物理味道”：生活味、探究味、方法味。

一位高中生寫(xiě)道：霧里學(xué)物理，霧里物理，物理太無(wú)理，勿理物理。為什么大多學(xué)生感到物理難學(xué)？目前普遍采用的教學(xué)方式是使知識(shí)重現(xiàn)，從中間教起，那么教師教的是結(jié)論，學(xué)生學(xué)到的是技巧。如果物理教學(xué)僅以知識(shí)為線(xiàn)索展開(kāi)，容易導(dǎo)致教學(xué)設(shè)計(jì)聚焦于知識(shí)，專(zhuān)注于學(xué)生獲得知識(shí)，而忽視物理課程對(duì)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。因此，必須把核心素養(yǎng)作為物理課程目標(biāo)，將核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實(shí)于教學(xué)活動(dòng)中。所以我們應(yīng)倡導(dǎo)的是另外一種教學(xué)方式，是使知識(shí)重演，從開(kāi)頭教起，這時(shí)教師教的是思維，學(xué)生收獲的是智慧。直接告訴知識(shí)，看起來(lái)可讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)得到更多的知識(shí)，但卻很難轉(zhuǎn)化為解決問(wèn)題的能力與智慧，也無(wú)助于提升他們的核心素養(yǎng)。

在課堂上，應(yīng)在教師的引導(dǎo)下，放飛學(xué)生的思維，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究、團(tuán)隊(duì)協(xié)作來(lái)解決問(wèn)題、掌握知識(shí)。教師在教學(xué)中要?jiǎng)?chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，讓學(xué)生自主探索，創(chuàng)造實(shí)踐機(jī)會(huì)，讓學(xué)生動(dòng)手體驗(yàn)，提供時(shí)間、空間，讓學(xué)生交流分享、合作共贏。

3 “靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”教學(xué)設(shè)計(jì)

學(xué)生通過(guò)前面內(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“靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”是前面所學(xué)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。

3.1 新課引入

筆者截取“中國(guó)達(dá)人秀”盧馭龍表演的一段精彩視頻，盧馭龍身著黑色披風(fēng)登場(chǎng)，充滿(mǎn)了神秘感，藍(lán)色的閃電在他的手指上、寶劍上纏繞，甚至穿過(guò)他的身體接通了高臺(tái)上的彩燈，以強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊吸引學(xué)生注意力，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的愿望。

3.2 探析“靜電平衡狀態(tài)”

3.2.1 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

教師積極調(diào)動(dòng)學(xué)生已有的知識(shí)儲(chǔ)備，從理論上構(gòu)建模型，帶領(lǐng)學(xué)生一起探討：把不帶電導(dǎo)體放入電場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)怎樣的現(xiàn)象？

師：金屬導(dǎo)體的微觀結(jié)構(gòu)如何？

生：從物質(zhì)的結(jié)構(gòu)來(lái)看，金屬導(dǎo)體中有帶負(fù)電的自由電子和帶正電的晶體點(diǎn)陣。

師：導(dǎo)體處于電場(chǎng)中時(shí)自由電子會(huì)怎樣移動(dòng)？

生：導(dǎo)體中自由電子在電場(chǎng)力作用下將發(fā)生定向移動(dòng)。

師：自由電子會(huì)在什么地方積聚？產(chǎn)生什么效果？

生：導(dǎo)體兩端出現(xiàn)感應(yīng)電荷。

師：電子積聚會(huì)出現(xiàn)怎樣的結(jié)果？

生：感應(yīng)電荷在導(dǎo)體中產(chǎn)生與外電場(chǎng)反向的附加電場(chǎng)。

師：最終出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

生：感應(yīng)電荷的電場(chǎng)增大到與外電場(chǎng)相等時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)合場(chǎng)強(qiáng)為零，自由電子不再發(fā)生定向移動(dòng)。

通過(guò)推理分析得出達(dá)到靜電平衡的條件：處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零。

(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：感應(yīng)起電機(jī)、平行板電容器、驗(yàn)電羽、金屬籠、導(dǎo)線(xiàn)等。

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，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，把驗(yàn)電羽放在兩個(gè)平行金屬板中間，學(xué)生通過(guò)手搖感應(yīng)起電機(jī)，驗(yàn)電羽飛起來(lái)，說(shuō)明電場(chǎng)存在，然后用金屬籠罩住驗(yàn)電羽，在金屬籠罩的外面再放兩個(gè)驗(yàn)電羽，讓學(xué)生再手搖感應(yīng)起電機(jī)，可以看到罩內(nèi)的驗(yàn)電羽沒(méi)有飛起來(lái)，而罩外的驗(yàn)電羽飛起來(lái)，說(shuō)明內(nèi)部沒(méi)有電場(chǎng)，外部存在電場(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。

3.2.2 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)于靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體電荷分布的特點(diǎn)，教師通過(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)、平行板電容器、金屬籠、靜電傳感器等。

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。用兩個(gè)“數(shù)字靜電傳感器”代替?zhèn)鹘y(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(xiàn)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(xiàn)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)生搖動(dòng)起電機(jī)時(shí)，與起電機(jī)相連的金屬籠也就帶上了電荷，但學(xué)生們觀察到金屬籠內(nèi)部傳感器示數(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)象充分證明了靜電平衡狀態(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。

實(shí)驗(yàn)三：探究帶電導(dǎo)體電荷分布的具體情況。

實(shí)驗(yàn)器材：感應(yīng)起電機(jī)、側(cè)面有釘子的金屬罐、驗(yàn)電羽等。

為了進(jìn)一步探究帶電導(dǎo)體外表面上電荷分布的具體情況，在金屬罐的側(cè)面釘了一個(gè)釘子，在罐內(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，將金屬罐用導(dǎo)線(xiàn)與起電機(jī)金屬桿相連，搖動(dòng)起電機(jī)使金屬罐帶電，讓學(xué)生仔細(xì)觀察現(xiàn)象，并讓學(xué)生回答他們看到的現(xiàn)象：金屬罐內(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。

3.3 靜電現(xiàn)象的應(yīng)用

3.3.1 靜電屏蔽

實(shí)驗(yàn)器材：范氏起電機(jī)、大鐵籠等。

打開(kāi)范氏起電機(jī)的開(kāi)關(guān)可以使得與之連接的鐵球產(chǎn)生幾萬(wàn)伏的高壓，教師用連接范氏起電機(jī)的鐵球靠近大的鐵籠子，這時(shí)，在鐵球和鐵籠子之間，出現(xiàn)劇烈放電，有噼噼啪啪的聲音并伴隨著耀眼的火花。

師：現(xiàn)在誰(shuí)敢進(jìn)入這個(gè)籠子里呢？

有勇敢的同學(xué)舉手，有點(diǎn)害怕又有些期盼，戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢地進(jìn)入了鐵籠子?？匆?jiàn)老師拿著鐵球靠近籠子，這位勇敢的學(xué)生雖然面帶笑容，但難掩緊張心緒。當(dāng)鐵球靠近鐵籠子時(shí)，籠子里的同學(xué)緊攥著拳頭，可以看出他非常緊張。他的緊張情緒也帶動(dòng)著全班同學(xué)，每個(gè)人都在關(guān)注著下一步的發(fā)展，學(xué)生們都已經(jīng)進(jìn)入了教師精心設(shè)計(jì)的情景中，激起了學(xué)生對(duì)新知識(shí)的濃厚興趣。當(dāng)放電完畢后，籠子里的同學(xué)平安無(wú)事，學(xué)生們懸著的心終于平靜了下來(lái)。

師：你敢把手放在籠子表面上嗎？

該學(xué)生有些恐懼地將手放在籠子上。教師再次使鐵球和鐵籠子發(fā)生劇烈放電，電火花就在同學(xué)的雙手附近，但里面的同學(xué)卻沒(méi)有什么異常的表現(xiàn)，讓學(xué)生分析籠子里的同學(xué)安全的原因，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。

此時(shí)，再次出現(xiàn)引入新課時(shí)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)，嘗試分析盧馭龍安然無(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，這種安排“首尾呼應(yīng)”，解決了課前引入時(shí)學(xué)生的“懸念”。

3.3.2 尖端放電

實(shí)驗(yàn)器材：感應(yīng)起電機(jī)、平行板電容器、酒精、棉花、鐵釘、圖釘、導(dǎo)線(xiàn)等。

師：同學(xué)們相信老師有超能力嗎？不用打火機(jī)和火柴我可以把棉花點(diǎn)燃。

生：不信。

用兩個(gè)導(dǎo)線(xiàn)分別夾在平行板電容器兩個(gè)極板上，另兩個(gè)極板分別連在感應(yīng)起電機(jī)上，使上極板用磁鐵吸住一根鐵釘，把蘸有酒精的棉花放在下極板上，讓學(xué)生手搖感應(yīng)起電機(jī)，觀察到棉花突然燃燒起來(lái)。

師：是什么導(dǎo)致了棉花燃燒？

生：在下極板和上方釘子之間發(fā)生了尖端放電現(xiàn)象，在放電過(guò)程中使得棉花溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到棉花的著火點(diǎn)時(shí)便燃燒起來(lái)。

師：回答得很好，為了表示獎(jiǎng)勵(lì)，再給這位同學(xué)一次使用本儀器的機(jī)會(huì)。但當(dāng)同學(xué)操作儀器，但棉花卻沒(méi)有燃燒。

師：同樣是出現(xiàn)了劇烈的電火花，但為什么這次棉花沒(méi)有燃燒？前后對(duì)比形成強(qiáng)烈的反差，激發(fā)認(rèn)知沖突。學(xué)生檢查出他做實(shí)驗(yàn)時(shí)棉花里藏有一顆尖端朝上的圖釘。

師：為什么里面放上一個(gè)圖釘后，棉花就不再燃燒了？

生：在棉花中放入圖釘后，上端的釘子和下面的圖釘尖端發(fā)生了尖端放電現(xiàn)象，而熱量主要集中在圖釘?shù)募舛?，所以棉花的溫度并沒(méi)有明顯提高。

師：回答得非常好，換句話(huà)講，就是因?yàn)閳D釘?shù)拇嬖诒Ｗo(hù)了棉花。那么生活中有沒(méi)有類(lèi)似的應(yīng)用呢？

生：避雷針，避雷針就是應(yīng)用這一原理避免建筑物遭受雷擊的。

“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)。老師事先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。

師：為了保護(hù)房屋，我們應(yīng)該怎么辦？

生：放避雷針。

這時(shí)老師再拿出自制的避雷針(金屬毛線(xiàn)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)。

4 結(jié)語(yǔ)

智力，通常稱(chēng)智慧，指學(xué)習(xí)、記憶、思維、認(rèn)識(shí)客觀事物和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，其核心是思維能力。郅庭瑾先生指出：“無(wú)論使學(xué)生‘學(xué)會(huì)生存’也好，‘學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)’也好，只有學(xué)會(huì)思維，學(xué)會(huì)創(chuàng)造性地思維才是最核心和最首要”。美國(guó)教育大師杜威先生也指出：“學(xué)習(xí)就是要學(xué)會(huì)思維”。在物理教學(xué)中應(yīng)提倡為思維而教，讓物理課堂閃爍理性的光芒，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。