新高考改革模式下的高中物理教學(xué)設(shè)計
——以“電場中的導(dǎo)體”為例

福建 林廈門

目前新高考綜合改革正在有序推進(jìn)，但相應(yīng)教學(xué)方式的變革卻相對滯后，不利于學(xué)科核心素養(yǎng)的落實。新課標(biāo)要求：通過多樣化的教學(xué)方式，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，整體認(rèn)識自然界，形成科學(xué)思維習(xí)慣，增強科學(xué)探究能力和解決實際問題的能力。本文以高中物理魯科版教材“電場中的導(dǎo)體”為例，嘗試結(jié)合“希沃系統(tǒng)”授課軟件，將教學(xué)與信息技術(shù)有機(jī)融合，促使學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，落實學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、教學(xué)目標(biāo)

1.物理觀念目標(biāo)：理解場強疊加原理和靜電平衡的特點；知道靜電屏蔽現(xiàn)象及其應(yīng)用。

2.科學(xué)思維目標(biāo)：通過觀察演示、分組實驗及對實驗現(xiàn)象的分析推理，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理、遷移、質(zhì)疑等能力。

3.科學(xué)探究目標(biāo)：經(jīng)歷實驗探究過程，掌握科學(xué)的研究方法。

4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任目標(biāo)：通過對實驗現(xiàn)象觀察和分析推理，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的研究方法、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和實事求是的科學(xué)精神。

二、教學(xué)思路

圖1

三、教學(xué)過程與分析

新課導(dǎo)入：播放飛機(jī)遭雷擊的視頻。

問題情境：飛機(jī)遭遇雷擊，為何能全身而退？

教學(xué)分析：好的新課導(dǎo)入是知識被學(xué)生良好吸收的開端，通過本節(jié)的學(xué)習(xí)即可知其所以然。

設(shè)計意圖：巧設(shè)懸念，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

任務(wù)1 場強疊加原理

問題情境1：如何求幾個力的合力？場強的疊加如何求解？

教學(xué)分析：力和場強都是矢量，兩者均遵循平行四邊形定則。

設(shè)計意圖：滲透科學(xué)的研究方法——類比法，同時自然過渡到場強疊加原理。

問題情境2：如圖2是人教必修課本圖1-37，如何求解等量異種電荷連線中垂線上P點的合場強E？有什么技巧？給同學(xué)們1 min討論。(用“希沃”抽號小程序，請學(xué)生說題)。

圖2

設(shè)計意圖：設(shè)置學(xué)生說題環(huán)節(jié)，充分體現(xiàn)以學(xué)生為主體的課程理念，養(yǎng)成科學(xué)的思維習(xí)慣，落實解題技巧。

任務(wù)2 靜電平衡

問題情境1：將視頻中的飛機(jī)等效為一金屬塊，閃電等效為外電場，那么，放入外電場中的金屬導(dǎo)體會出現(xiàn)什么情況？導(dǎo)體上自由電荷最終會怎么樣移動？給同學(xué)們2 min討論(“希沃”顯示倒計時)。

教學(xué)分析：如圖3所示，當(dāng)導(dǎo)體置于外電場中，自由電荷受外電場力作用定向移動，使電荷重新分布，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電場。感應(yīng)電場與外電場反向疊加，隨著電荷的定向移動，導(dǎo)體中的合場強越來越小，直至為零。此后電荷不再定向移動。(播放靜電平衡過程中內(nèi)部電荷移動的“希沃”動畫)

設(shè)計意圖：滲透等效思想，自然過渡到靜電平衡的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生分析推理，培養(yǎng)推理能力和建模能力。同時通過動畫增強學(xué)生的感性認(rèn)識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

問題情境2：請學(xué)生討論歸納什么是靜電平衡以及處于靜電平衡的導(dǎo)體有哪些特性？請小組代表發(fā)言(“希沃”抽號小程序)。

歸納如下：

(1)靜電平衡：導(dǎo)體中沒有電荷定向移動的狀態(tài)。

(2)靜電平衡下導(dǎo)體的特性：

①導(dǎo)體內(nèi)部合場強處處為零；

②凈電荷只分布在導(dǎo)體外表面。

教學(xué)分析：魯科版教材對物理概念的表述有些欠缺，如靜電平衡的定義：導(dǎo)體中沒有電荷移動的狀態(tài)。導(dǎo)體中的電荷是會移動的，如電子繞原子核的運動，因此，應(yīng)強調(diào)“定向移動”。

設(shè)計意圖：提醒老師們在備概念課時最好借鑒其他版本的規(guī)范表述，避免學(xué)生進(jìn)入思維誤區(qū)，有助于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維。

問題情境3：能否用反證法加以分析說明？(教師適當(dāng)引導(dǎo))

教學(xué)分析：若導(dǎo)體內(nèi)部有凈電荷，凈電荷周圍將有電場，電荷將發(fā)生定向移動，這時的導(dǎo)體就不是靜電平衡狀態(tài)。

設(shè)計意圖：通過理論推理，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方法，以及嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的學(xué)習(xí)態(tài)度。

問題情境4：能否設(shè)計一個實驗來探究導(dǎo)體靜電平衡時的特性？

分組實驗：如圖4是歷史上著名的法拉第圓筒實驗，用起電機(jī)讓圓筒A帶電，請根據(jù)以下幾個問題，邊思考邊實驗。

圖4

a.如何判斷筒A是否帶電？

答：觀察A中箔片是否張開。

b.如何探究筒A外壁是否帶電？

答：讓不帶電的驗電球B分別與筒A外表面和不帶電的驗電器金屬球C反復(fù)接觸，實驗現(xiàn)象是：A中箔片張角逐漸變小，而C的箔片張角逐漸變大。說明A外表面的電荷不斷被轉(zhuǎn)移到C上，即A外表面帶電。

c.如何探究筒內(nèi)壁是否帶電？

答：讓不帶電的驗電球B與筒A內(nèi)壁和不帶電的驗電器金屬球C反復(fù)接觸，若C金屬箔不張開，說明A內(nèi)壁不帶電。

設(shè)計意圖：蘇霍姆林斯基說過：“成功的體驗是一種巨大的情緒力量，它可以促進(jìn)學(xué)生好好學(xué)習(xí)的愿望”。通過分組實驗，讓更多的學(xué)生親身體驗實驗的魅力，感悟科學(xué)探究的過程，提高科學(xué)探究能力。

靜電平衡的導(dǎo)體特性是本節(jié)的重點，為了深入理解其本質(zhì)，有必要適當(dāng)拓展。

問題情境5：靜電平衡的導(dǎo)體表面電場線分布特點如何？移動電荷電場力做功如何？

圖5

教學(xué)分析：先用“希沃系統(tǒng)”模擬導(dǎo)體表面的電場線分布，觀察到的現(xiàn)象是：電場線與導(dǎo)體表面垂直。畢竟是模擬實驗，學(xué)生還是將信將疑。不妨也用反證法加以分析：若兩者不垂直，如圖5所示，電場沿表面有切向分量Ef，電荷將沿該分量方向發(fā)生定向移動，與靜電平衡的定義矛盾。

所以靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特性③是：導(dǎo)體外部表面上任意一點場強方向與該點表面垂直。

靜電平衡導(dǎo)體內(nèi)部的合場強處處為零，移動電荷時電場力不做功；又由于導(dǎo)體外部表面各處電場線與導(dǎo)體表面垂直，移動電荷時電場力也不做功；可知，靜電平衡導(dǎo)體的特性④是：在靜電平衡的導(dǎo)體上移動電荷時電場力不做功。

設(shè)計意圖：特性③為特性④作了鋪墊，有效降低了教學(xué)難度。同時，跳出教材適當(dāng)拓展，有助于學(xué)生進(jìn)一步理解靜電平衡的本質(zhì)，從而突出本節(jié)的重點。

任務(wù)3 靜電屏蔽

問題情境1：既然靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部合場強處處為零，如果將其內(nèi)部挖空，導(dǎo)體外殼是否將對內(nèi)部起到“保護(hù)”作用？

演示實驗1：如圖6靜電屏蔽實驗。請思考以下幾個問題，邊討論、邊觀察。

圖6

a.連接驗電羽和起電機(jī)集電桿，搖動起電機(jī)，將會觀察到什么現(xiàn)象？怎么解釋該現(xiàn)象？

答：驗電羽的羽條張開。原因是羽條帶的是同種電荷相互排斥而張開。

b.用外表面粘有羽條的金屬網(wǎng)罩住驗電羽，將起電機(jī)集電桿與金屬網(wǎng)罩相連，搖動起電機(jī)；再用金屬鏈條連接金屬網(wǎng)和網(wǎng)內(nèi)的驗電羽，重做實驗，觀察兩次實驗現(xiàn)象？請同學(xué)們先討論，然后解釋該現(xiàn)象？

答：觀察到兩次實驗現(xiàn)象一樣，都是網(wǎng)外表面的羽條張開，而網(wǎng)內(nèi)的驗電羽羽條沒有張開，說明金屬網(wǎng)罩起屏蔽作用，使內(nèi)部的驗電羽不受影響，故驗電羽羽條不張開，同時也再一次說明電荷只分布在網(wǎng)罩外表面。

問題情境2：靜電屏蔽可使外部電場對內(nèi)部儀器無影響，但如果將源電荷置于空腔內(nèi)，則對外界會有影響嗎？

教學(xué)分析：如圖7所示，空腔內(nèi)、外表面會感應(yīng)異種電荷，這時起屏蔽作用的是圓環(huán)處，故電場線只在圓環(huán)處斷開，會對外界有影響。

圖7

問題情境3：有辦法讓源電荷不影響空腔外界嗎？

教學(xué)分析：如圖8所示，將球殼外表面接地，則外表面的感應(yīng)電荷與地球的負(fù)電荷中和，這樣不僅不影響外界，外界電場也不影響殼內(nèi)。

圖8

設(shè)計意圖：依托教材，但不拘泥于教材，對課本實驗進(jìn)行了改進(jìn)，改用驗電羽并巧設(shè)實驗情境，實驗效果更明顯，并用理論加以分析，有效突破教學(xué)難點。

舉例：法拉第曾經(jīng)冒著被電擊的危險，做了一個聞名于世的實驗——法拉第籠實驗。法拉第把自己關(guān)在金屬籠內(nèi)，當(dāng)籠外發(fā)生強大的靜電放電時，他并未受到任何影響。(播放視頻——模仿法拉第籠實驗)。

設(shè)計意圖：發(fā)揮物理學(xué)史的教育功能，培養(yǎng)學(xué)生崇尚科學(xué)的責(zé)任意識。在物理教學(xué)中，每講到一條物理規(guī)律，我們都會引導(dǎo)學(xué)生回溯該規(guī)律的來龍去脈，分析研究者探索過程中的艱辛，體會其中情感。

問題情境4：請同學(xué)們解釋飛機(jī)遭遇雷擊時，機(jī)內(nèi)乘客為何安然無恙？

教學(xué)分析：當(dāng)飛機(jī)遭雷擊時，金屬機(jī)身外殼起屏蔽作用，保護(hù)乘客的安全。

設(shè)計意圖：首尾呼應(yīng)，學(xué)以致用，進(jìn)一步理解靜電屏蔽的實質(zhì)。

應(yīng)用展示：將電腦主板和一段同軸屏蔽電纜用“希沃助手”的手機(jī)鏡像功能投屏。

教學(xué)分析：讓學(xué)生觀察外面套有金屬外殼的電腦主板部分零件和外面包著一層銅絲網(wǎng)的電纜，金屬外殼和銅絲網(wǎng)都是用來防止外界干擾而起屏蔽作用的。

設(shè)計意圖：在教學(xué)中適度運用融課手段，讓教學(xué)與信息技術(shù)有機(jī)融合，更能引起學(xué)生心靈的震撼，體現(xiàn)了“從物理走向生活”的新課程理念。

實驗演示2：用已剝?nèi)ネ獍U皮的高清數(shù)據(jù)線連接液晶顯示器和展臺內(nèi)的分頻器，然后手搖起電機(jī)，觀察顯示器；換用一條完好的數(shù)據(jù)線重做實驗。

教學(xué)分析：觀察到顯示器由于受到干擾而不受保護(hù)立即變黑屏。連接完好數(shù)據(jù)線的顯示器不受干擾而顯示正常。

設(shè)計意圖：加強理論聯(lián)系實際，引導(dǎo)學(xué)生從“解題”向“解決問題”轉(zhuǎn)變”。

四、結(jié)束語

教學(xué)過程的趣味性是提升課堂效率的重要因素，也是核心素養(yǎng)養(yǎng)成的重要誘因。本節(jié)課的成功之處是將物理學(xué)科核心素養(yǎng)的各個要素滲透到教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，特別是“希沃系統(tǒng)”及融課手段的靈活運用，引起了學(xué)生的視覺震撼，加深了對靜電平衡和靜電屏蔽的理解，有效地突破了教學(xué)難點，體現(xiàn)了新課標(biāo)提出的從“解題”向“解決問題”轉(zhuǎn)變的理念。建議課堂容量要適宜，不要在一節(jié)課解決學(xué)生所有的疑惑，應(yīng)注重課后留白，設(shè)置幾個有深度的問題課后思考，讓學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)真正落地。