基于學(xué)生核心素養(yǎng)提升的教學(xué)實(shí)踐
——以“靜電現(xiàn)象應(yīng)用”為例

孫鑫軍

(浙江省諸暨中學(xué) 浙江 紹興 311800)

1 設(shè)計(jì)思想

以靜電屏蔽對(duì)比實(shí)驗(yàn)引入新課，引發(fā)認(rèn)知上的沖突，激起學(xué)生探究欲望，通過構(gòu)建物理模型[1]，猜想靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特點(diǎn)，并進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想，在學(xué)生形成物理觀念的過程中，同時(shí)培養(yǎng)了他們的科學(xué)探究和科學(xué)思維能力.在整個(gè)教學(xué)過程中滲透物理來源與生活，又應(yīng)用于生活的理念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任[2].

2 教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)如表1所示.

表1 教學(xué)目標(biāo)

3 教學(xué)流程

教學(xué)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示.

圖1 教學(xué)設(shè)計(jì)流程圖

4 圍繞物理學(xué)科核心素養(yǎng)設(shè)計(jì)課堂教學(xué)過程

(1)演示實(shí)驗(yàn)引入新課

演示實(shí)驗(yàn)1：隔空點(diǎn)燈.

制作一個(gè)黑箱，里面放入輝光球，老師拿著日光燈管靠近，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并讓學(xué)生上臺(tái)體驗(yàn).

學(xué)生：看到燈管發(fā)光，好奇心被激發(fā).

教師引導(dǎo)：燈管為什么會(huì)被點(diǎn)亮，輝光球有什么樣的魔力呢？能不能從物理學(xué)角度進(jìn)行解釋？

結(jié)論：輝光球周圍產(chǎn)生電場.

演示實(shí)驗(yàn)2：把日光燈管放入金屬網(wǎng)罩中，再次靠近黑箱，發(fā)現(xiàn)日光燈管不再發(fā)光了.

教師引導(dǎo)：為什么日光燈管不發(fā)光了呢？誰想來研究一下這個(gè)網(wǎng)罩的特殊之處呢？

學(xué)生：網(wǎng)罩是金屬的.

設(shè)計(jì)思路：情景感知和學(xué)生體驗(yàn)在物理概念形成的過程中有著重要的作用，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，引發(fā)認(rèn)知上的沖突，能夠激起學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望.

過渡：看來金屬網(wǎng)罩在這個(gè)問題中有著關(guān)鍵的作用，我們可以構(gòu)建這樣一個(gè)簡單的物理模型，金屬網(wǎng)罩用一塊不帶電的金屬板代替，輝光球產(chǎn)生的非勻強(qiáng)電場用勻強(qiáng)電場代替，即金屬導(dǎo)體置于勻強(qiáng)電場中，我們來思考一下會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？

(2)建立模型尋源探究

建立模型：即金屬導(dǎo)體置于勻強(qiáng)電場中，如圖2所示.

圖2 勻強(qiáng)電場中的導(dǎo)體

問題引導(dǎo)1：

①金屬為什么能夠?qū)щ姡?/p>

②電子在電場中如何運(yùn)動(dòng)？(從受力角度出發(fā)考慮)，電荷會(huì)出現(xiàn)怎樣的分布？

③金屬導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去嗎？

④最終會(huì)出現(xiàn)怎樣的現(xiàn)象？

⑤如何證明“靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部電場處處為零”

結(jié)論：最終導(dǎo)體內(nèi)的電子不再定向移動(dòng)(這里要清楚電子還是在做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng))，我們把這種狀態(tài)叫做靜電平衡狀態(tài).

過渡：靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部電場處處為零，還有其他特點(diǎn)嗎？我們來研究以下幾個(gè)問題.

問題引導(dǎo)2：

①那么任意兩點(diǎn)間還會(huì)有電勢差嗎？

②嘗試畫出導(dǎo)體表面附近的電場線？

③凈電荷是如何分布的？(如何證明)

結(jié)論：處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體，內(nèi)部場強(qiáng)處處為零，整個(gè)導(dǎo)體是個(gè)等勢體.導(dǎo)體外表面附近任何一點(diǎn)的場強(qiáng)方向必定與這點(diǎn)所在的表面垂直.導(dǎo)體內(nèi)部沒有多余的凈電荷，電荷分布在導(dǎo)體外表面上,如圖3所示.

圖3 靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體

設(shè)計(jì)思路：以問題為導(dǎo)向，分層設(shè)置問題，追尋靜電感應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化過程，最終引導(dǎo)學(xué)生得到導(dǎo)體的靜電平衡狀態(tài).利用反證、推理等科學(xué)思維得到靜電平衡狀態(tài)下導(dǎo)體的特點(diǎn).在形成概念的過程中，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和綜合分析問題的能力，提高學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).

(3)回扣實(shí)驗(yàn)規(guī)律應(yīng)用

過渡：如果現(xiàn)在在圖4的導(dǎo)體中沿著虛線挖去一部分導(dǎo)體，空腔導(dǎo)體還處于靜電平衡狀態(tài)嗎？空腔處存在電場嗎？

圖4 導(dǎo)體空腔處于靜電平衡狀態(tài)

學(xué)生：仍舊處于平衡狀態(tài)，導(dǎo)體空腔內(nèi)的電場強(qiáng)度為零.

教師引導(dǎo)：現(xiàn)在同學(xué)們可以嘗試著解釋剛才做過的實(shí)驗(yàn)嗎？(演示實(shí)驗(yàn)2中日光燈管不再發(fā)光)

教師引導(dǎo)學(xué)生回答引出靜電屏蔽概念.

過渡：金屬網(wǎng)(殼)對(duì)外電場的屏蔽作用叫做靜電屏蔽.這種作用可以屏蔽外電場對(duì)設(shè)備的影響，用一個(gè)金屬網(wǎng)罩可以屏蔽很多日光燈管嗎？有什么好的辦法？

學(xué)生：可以將輝光球罩起來.

教師：那我們通過實(shí)驗(yàn)來看一下.

演示實(shí)驗(yàn)3:檢驗(yàn)猜想

老師拿著日光燈管，靠近如圖5(a)所示的輝光球.學(xué)生觀察到的現(xiàn)象與猜想矛盾.

(a)日光燈管靠近輝光球時(shí)發(fā)光

建模分析：建立如圖5(b)所示的模型，把輝光球產(chǎn)生的電場看成點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場，金屬網(wǎng)罩用空腔導(dǎo)體代替.

結(jié)論：導(dǎo)體外表面上仍有電荷分布，產(chǎn)生的電場使日光燈管發(fā)光.

教師引導(dǎo):有沒有辦法導(dǎo)走外表面的電荷？

學(xué)生：接地.

演示實(shí)驗(yàn)4：讓學(xué)生用手接觸金屬網(wǎng)罩，如圖6(a)，教師手拿日光燈管接近，發(fā)現(xiàn)燈管沒有發(fā)光.

(a) (b)

教師引導(dǎo)：在前模型的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生建立圖6(b)所示模型，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

(a)日光燈管靠近輝光球時(shí)不發(fā)光

結(jié)論：金屬網(wǎng)(導(dǎo)體腔)對(duì)外電場起屏蔽作用，接地的金屬網(wǎng)(導(dǎo)體腔)還可以屏蔽內(nèi)電場.

展示生活生產(chǎn)中靜電現(xiàn)象應(yīng)用和防護(hù)實(shí)例，如圖7所示.

設(shè)計(jì)思路：利用靜電平衡條件分析實(shí)際問題(靜電屏蔽現(xiàn)象)，通過靜電屏蔽對(duì)比實(shí)驗(yàn)再次激起學(xué)生探究激情.

(4)合作探究完善結(jié)論

過渡：前面我們研究了不帶電的金屬導(dǎo)體在電場中達(dá)到靜電平衡時(shí)的特點(diǎn)，那么,一個(gè)孤立帶電金屬導(dǎo)體，能不能到達(dá)靜電平衡狀態(tài)？它的電荷又是如何分布的呢？

教師引導(dǎo)學(xué)生用剛才分析處在勻強(qiáng)電場下金屬導(dǎo)體的方法去分析并得出孤立導(dǎo)體在自身激發(fā)電場的作用下也會(huì)達(dá)到靜電平衡狀態(tài).

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：探究孤立帶電導(dǎo)體電荷分布,實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示，實(shí)驗(yàn)器材有感應(yīng)起電機(jī)、鋁箔紙、金屬盒、導(dǎo)線、膠帶等.

圖8 探究孤立帶電導(dǎo)體電荷分布實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：金屬盒內(nèi)金屬箔不張開,金屬盒外張開.學(xué)生交流討論以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論.

結(jié)論：帶電導(dǎo)體凈電荷只分布在其外表面上，內(nèi)部沒有凈電荷分布，此結(jié)果與不帶電導(dǎo)體在電場中達(dá)到靜電平衡狀態(tài)時(shí)一致，進(jìn)一步證明了孤立導(dǎo)體在自身激發(fā)電場的作用下也會(huì)達(dá)到靜電平衡狀態(tài).

教師引導(dǎo)：那么外表面電荷分布有沒有什么規(guī)律呢？

引導(dǎo)猜想：一枚縫衣針，帶電后，電荷如何分布？均勻帶電導(dǎo)體球電荷如何分布？

(5)實(shí)驗(yàn)證明尖端放電

演示實(shí)驗(yàn)5:避雷針對(duì)比實(shí)驗(yàn).

如圖9所示，通過高壓感應(yīng)起電機(jī)使上極金屬板帶負(fù)電，用來模擬云層，下極板模擬大地，左邊金屬管道上放上均勻金屬球，右邊插入尖狀的金屬導(dǎo)體.

圖9 尖端放電實(shí)驗(yàn)演示裝置

學(xué)生觀察到插入尖狀的金屬導(dǎo)體的一側(cè)先放電，如圖9所示.

歸納總結(jié)：導(dǎo)體尖端電荷分布多，產(chǎn)生的電場強(qiáng)，周圍空氣中的帶電粒子在該強(qiáng)電場作用下加速，獲得較大速度，會(huì)撞擊空氣分子致其電離，電離產(chǎn)生的正電荷奔向尖端與其中和，相當(dāng)于尖端把負(fù)電荷釋放到空氣中，我們把這種現(xiàn)象叫做尖端放電.

多媒體展示，如圖10所示

圖10 尖端放電現(xiàn)象的應(yīng)用和防護(hù)

(6)收集資料，分享交流

學(xué)生課后收集靜電的應(yīng)用和防護(hù)的資料，課上與同學(xué)分享交流.

設(shè)計(jì)思路：讓學(xué)生體會(huì)到靜電現(xiàn)象給生活帶來方便的同時(shí)，也有危害的一面，引起學(xué)生對(duì)科學(xué)、技術(shù)、環(huán)境與社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)系的思考.培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感.

5 實(shí)踐反思

本課以演示實(shí)驗(yàn)-建模分析-猜想論證-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這樣的教學(xué)程序，打造“自主學(xué)習(xí)，合作探究，精講釋疑” 為特點(diǎn)的高效課堂.通過師生之間、生生之間的平等合作和交流溝通，落實(shí)了《新課標(biāo)》的要求，充分體現(xiàn)教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的新教學(xué)理念，在課堂上盡量發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓他們不斷嘗到成就感，教師起到導(dǎo)的作用.學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體，以及建構(gòu)知識(shí)的主體地位，從而能夠較好的達(dá)到了本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)，在教學(xué)實(shí)際中踐行高效課堂的教育理念.本節(jié)課多次展示自制的“低成本演示實(shí)驗(yàn)器材”，解決了學(xué)生對(duì)抽象的電場理解的障礙和以往對(duì)靜電現(xiàn)象應(yīng)用的空談，體現(xiàn)了物理教育理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生“發(fā)現(xiàn)精神”的設(shè)計(jì)理念.進(jìn)一步提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力，塑造勇于創(chuàng)新，善于創(chuàng)造的人格，培養(yǎng)高素質(zhì)人才.

由于實(shí)驗(yàn)條件所限，在分組實(shí)驗(yàn)中沒有實(shí)現(xiàn)學(xué)生以學(xué)習(xí)小組為單位制作探究帶電導(dǎo)體電荷分布的裝置，分組供電完整完成觀察現(xiàn)象得到結(jié)論的過程.由于時(shí)間限制，對(duì)于靜電現(xiàn)象在生產(chǎn)和生活中的廣泛應(yīng)用也沒有充分地展示或帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)地觀摩，確實(shí)留有遺憾.