基于遞進式問題鏈和科學探究的物理概念教學
——以魯科版新教材“電場與電場強度”教學為例

蘇媛媛

龍巖第一中學，福建 龍巖 364000

隨著新課改的不斷推進，《普通高中物理課程標準（2017年版）》提出以學生發(fā)展為本，培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)的要求。物理是一門以物理概念為基礎，以物理定律為主干，各概念與公式定律間又共同構成一個嚴密邏輯體系的學科［1］。概念教學是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的重要途徑之一。傳統(tǒng)的概念教學通常以教師講授為主，大多只停于表面，學生參與度不高，效率低下。

如何以學生發(fā)展為本呢？1969年加拿大麥克馬斯特大學的Barrows教授首創(chuàng)以問題為導向的教學方法 PBL（Problem Based Learning），即以學生為中心的教育方式，強調(diào)以學生的主動學習為主，而不是以教師講授為主。PBL將學習與問題掛鉤，使學習者投入于問題中，在問題的探究中掌握隱含的科學知識。問題導向教學法的精髓在于發(fā)揮問題對學習過程的指導作用，而遞進式問題鏈是根據(jù)事物之間的內(nèi)在聯(lián)系提出一系列由淺入深的問題［2］。本文即以魯科版新教材“電場與電場強度”教學為例，設計基于遞進式問題鏈和科學探究的教學過程。

1 教材分析與教學策略

靜電場是整個高中物理電磁學的基礎，“電場與電場強度”是魯科版高中物理必修三第一章第3節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容是在學生學習了“庫侖定律”的基礎上提出“電場”的概念，從電荷在電場中受力的角度研究靜電場力的基本性質(zhì)，場強是描述電場力的性質(zhì)的物理量，用比值法定義場強對后續(xù)電勢、電容和磁感應強度等概念的學習有著重要的意義。

學生通過前面的學習，從初中物理的定性分析上升到高中物理的定量討論，從形象思維上升到抽象思維，具備一定的觀察和分析能力。但是，利用所學知識創(chuàng)造新概念，通過現(xiàn)象分析得出理論的能力還有待進一步提高。因此，本堂課利用演示實驗引導探究，通過設置問題鏈促進學生深層次思考，體驗概念的建立過程，圓滿完成學習任務。

2 教學設計與實施

2.1 創(chuàng)設活動情境，引出前人探索的歷程

活動1：給你兩根吸管、細線、掛鉤、鐵架臺，如何讓吸管轉(zhuǎn)起來？（要求：兩吸管不能直接接觸，不能用嘴吹氣）

學生活動：細線的一端固定在鐵架臺上，另一端拴在掛鉤上。兩根吸管與頭發(fā)摩擦后，將其中一根吸管置于掛鉤上，用另一根吸管靠近時，掛鉤上的吸管被排斥而轉(zhuǎn)起來。

問題1：仔細觀察同學的操作，結合前面學習的內(nèi)容，解釋他是如何做到的？

活動1和問題1設置的目的是通過課前游戲，激發(fā)學習興趣，讓學生直觀認識到有些力的產(chǎn)生不需要直接接觸，引導思考“非接觸力是如何傳遞的”，進而介紹相關物理學史，了解人類認識物理規(guī)律的歷程，感受科學家們對真理的探究精神，體現(xiàn)“從生活走向物理”的理念。

2.2 創(chuàng)設實驗情境，體驗科學探究過程

探究一感受電場的存在

活動2：給金屬球通電。

問題2：金屬球周圍是否有電場？

問題2.1：電場看不見、摸不著，如何知道它是存在的呢？

問題2.2：例如，我們坐在教室里，知道外面起風了，你是怎么知道的呢？

問題2.3：這給我們提供了一種什么樣的研究方法？為了證明電場的存在，我們可以怎么做？依據(jù)是什么？

問題2.4：對放入電場中的試探電荷有什么要求？

問題2及其子問題的目的：

①引導學生認識：對于無形的物質(zhì)，我們可以借助外物間接研究。教學中用學生熟知的無形的風進行類比，給學生充分的想象空間，便于學生理解抽象的物理概念（電場）。

②按照學生的認知規(guī)律，通過層層追問，結合實物，讓學生理解并掌握電場的基本性質(zhì)以及場源電荷、試探電荷等概念，促進學生建立并理解抽象的物理模型，提升其思維品質(zhì)。

活動3：讓泡沫小球帶上電荷，用絕緣細線拴住泡沫小球放入電場。

問題3：仔細觀察并解釋現(xiàn)象。

問題3.1：將泡沫小球（試探電荷）放在金屬球周圍，你觀察到什么現(xiàn)象？得出什么結論？

問題3.2：將泡沫小球（試探電荷）放在金屬球不同距離處，你觀察到什么現(xiàn)象？得出什么結論？

問題3.3：是不是說明試探電荷受電場力越大，對應位置的電場就越強？

實驗是物理學科的特點，該部分內(nèi)容采用教師演示、學生觀察的方法，引導學生思考問題3、問題 3.1和問題 3.2，旨在引導學生認真觀察，培養(yǎng)他們通過現(xiàn)象分析問題的能力，使他們認識到：①金屬球周圍有電場，細線偏角方向不同（試探電荷受力方向不同），即電場有方向（矢量性）；②試探電荷在不同距離處細線偏角不同，受力大小不同，即電場有強弱。問題3.3的出現(xiàn)引發(fā)學生認知沖突，觸發(fā)進一步思考，提升其思維品質(zhì)，也為下一階段的實驗探究埋下伏筆。

活動4：利用現(xiàn)有的器材，設計實驗方案，探究電場強弱與電場力的關系。

問題4：你們組的觀點是什么？如何進行實驗？（學生分組討論，匯報成果）

“科學探究”是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分，它注重過程和體驗，能夠培養(yǎng)學生勤于探究、樂于思考的意識和習慣，能夠有效幫助學生建構物理概念和規(guī)律［3］。該部分內(nèi)容采用學生分組討論，小組代表上臺闡述并進行實驗操作的方式，學生設計的實驗方案如表1所示。旨在引導學生樹立實驗目的的意識，培養(yǎng)實驗設計的能力；小組討論的方式大大提高了課堂效率，培養(yǎng)學生合作互助的意識；小組間交流意見，鼓勵組內(nèi)代表闡述自己的觀點，提高語言表達能力，在互助合作中提升科學探究能力；小組代表上臺實驗操作，教師根據(jù)表述情況及時提出問題（例如，如何獲取不同的試探電荷？——接觸法，分走部分電荷；如何控制電場中的同一點？——用筷子記錄電場位置等），引導學生正確操作，鍛煉動手實驗能力的同時，培養(yǎng)分析問題的能力和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度?；顒?及其探究過程引發(fā)學生深層次的思維沖突，推進下一階段的理論探究。

表1 實驗方案設計

問題5：試探電荷受到的電場力能不能反映該處電場的強弱呢？我們從理論上進一步推導。

問題5.1：如圖1所示，已知真空中點電荷Q的電場中，距離場源為2r和r處有A、B兩點。①將試探電荷q放在電場中不同點（A點和B點），設它在A點所受電場力為F，則它在B點受到的電場力是多少？②試探電荷電量分別為2q，3q，4q時，在A點受到的電場力是多少？③B點處放入不同的試探電荷時的受力分別是多少？

圖1 理論推導模型

學生分析，得到結論，如表2所示。

表2 分析結論

問題5.2：結合表1、表2，你能得到什么結論？

引導學生得到如下結論：

①結合實驗1，縱向分析表格，說明同一試探電荷放在電場中的不同點受力不同，受力大，對應的電場強（同一試探電荷受力不同，是電場本身強弱引起的）——離場源電荷越近，電場越強。

②結合實驗2，橫向分析表格，電場中同一點，不同試探電荷受到的電場力是不同的（某點的電場強弱是確定的，試探電荷受力不同是帶電量不同導致的）。

問題5.3：如何消除試探電荷帶電量的影響？

問題5的設置是在學生充分了解現(xiàn)象的基礎上進行的理論推導（首先進行庫侖定律的簡單應用，然后通過層層設問引導學生學會分析數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)看到隱藏其中的物理規(guī)律，從而得到結論：這一比值反映的是電場自身的屬性，其大小反映電場的強弱，與引入的試探電荷無關）。在實驗探究的基礎上進行更高級的理論探究，設置問題層層遞進，教學過程中傳遞了豐富的科學思想和方法，逐漸建構出“場強”這一概念，概念、定義式等的得出水到渠成，便于學生理解和接受，從而實現(xiàn)本堂教學目標的達成。

問題6：我們還學過哪些物理量是用比值法定義的？

問題6.1：某同學由場強定義式得出“場強的大小與試探電荷所受的電場力大小成正比，與其電荷量成反比”，這個觀點對嗎？

用比值定義物理量是物理學中常用的一種方法（比如密度、場強、速度、比熱容等），就是用兩個基本物理量的“比”來定義一個新的物理量，其特點是該比值反映的是自身的屬性，它不隨所用物理量的大小取舍而改變（比如，電場中某點的場強不隨試探電荷q及其受力F而改變）。該部分設置意在加強學生對比值法的理解，尋找此種方法定義的物理量的共性，開展類比，促進學生思維提升和知識的遷移，在類比中加深理解。

問題7：有同學認為，場強方向就是試探電荷受力的方向，你覺得對嗎？

問題7.1：場源電荷＋Q，電場中A點處放入正的試探電荷（圖2），判斷試探電荷受力方向。

問題7.2：場源電荷＋Q，電場中A點處放入負的試探電荷（圖2），判斷試探電荷受力方向。

圖2 試探電荷受力方向判斷

問題 7.3：場源電荷＋Q（圖 3），判斷電場中 A點的場強方向。

問題 7.4：場源電荷-Q（圖 3），判斷電場中 A點的場強方向。

圖3 場強方向判斷

問題7.1、問題7.2讓學生在應用所學知識的基礎上發(fā)現(xiàn)問題，從而明確為什么要對場強方向進行規(guī)定，說明場強與試探電荷電性、電量無關；問題 7.3、問題 7.4加強學生對“場強反映自身屬性”這一特性的理解。

問題8：如圖4所示，真空中A點處有一點電荷Q，距此點距離為r的B點處放入試探電荷q？已知靜電力常量k，求：

圖4 例題圖示

（1）試探電荷受到的電場力；

（2）B 點處的場強 EB。

適時呈現(xiàn)例題，讓學生體驗物理規(guī)律的應用，及時發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，要求學生作答規(guī)范，提高解題能力；通過此題，學生根據(jù)所學知識（庫侖定律和場強的定義式）推導出點電荷場強的決定式，知道公式的來龍去脈，明確其適用范圍，提高理論與實踐相結合的意識，培養(yǎng)其嚴謹?shù)目茖W思維和推論能力。

問題9：以點電荷＋Q為中心作一個球面，球面上各點場強相同？

通過概念辨析，加強理解，明確不同公式的適用范圍及相關物理量的意義，提高學生反思的能力，加強對物理規(guī)律及意義的深刻理解和掌握，對學生學習物理規(guī)律的內(nèi)在建構過程和認知有重大意義。

3 結語

本節(jié)課通過問題鏈，結合實驗探究、理論探究、多媒體輔助等方法，精心設置不同情境，讓學生體驗物理規(guī)律的探究過程，學習物理知識的同時，提高科學探究能力、綜合分析能力等，全面提升學生的物理學科核心素養(yǎng)，很好地落實了立德樹人根本目的。