高中電場(chǎng)強(qiáng)度概念建構(gòu)的多重表征策略

望江平

摘? ?要：電場(chǎng)強(qiáng)度是高中物理教學(xué)的重難點(diǎn)，通過(guò)多重表征策略可以促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)電場(chǎng)強(qiáng)度概念。主要策略有：一是經(jīng)歷“場(chǎng)”的發(fā)現(xiàn)歷程，建立“場(chǎng)”的意義表征；二是運(yùn)用類比法，明晰研究“場(chǎng)”的方法表征；三是深入理解比值定義法，強(qiáng)化科學(xué)思維表征；四是運(yùn)用概念圖，揭示聯(lián)系與轉(zhuǎn)化，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)表征。

關(guān)鍵詞：場(chǎng)；電場(chǎng)強(qiáng)度；概念教學(xué)；多重表征

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2023）8-0013-3

物理概念是客觀物理現(xiàn)象和過(guò)程的共同特征和本質(zhì)屬性在人腦中的反映，是進(jìn)行物理邏輯思維的基礎(chǔ)。物理學(xué)的框架就是由一個(gè)個(gè)物理概念所搭建，概念之間的聯(lián)系就是物理規(guī)律。有效的物理概念教學(xué)能引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)客觀世界，建構(gòu)知識(shí)體系，形成物理觀念，發(fā)展科學(xué)思維。電場(chǎng)強(qiáng)度的概念一直是高中物理的教學(xué)重難點(diǎn)，本文從多重表征的角度探討建立電場(chǎng)強(qiáng)度概念、理解其內(nèi)涵和外延之策略。

１? ? 經(jīng)歷“場(chǎng)”的發(fā)現(xiàn)歷程，建立“場(chǎng)”的意義表征

依據(jù)一般高中學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平，看不見(jiàn)、摸不著的電場(chǎng)具有高度抽象性，用以描述“場(chǎng)”本質(zhì)屬性的電場(chǎng)強(qiáng)度概念更是抽象中的抽象，因此要理解電場(chǎng)強(qiáng)度必須先豐富對(duì)電場(chǎng)的認(rèn)識(shí)。有學(xué)者說(shuō)，學(xué)習(xí)知識(shí)最好的方式是通過(guò)知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程來(lái)學(xué)習(xí)。通過(guò)回溯物理學(xué)史中“場(chǎng)”概念的建立，可以賦予電場(chǎng)以意義和形象，有助于學(xué)生對(duì)概念形成初步的認(rèn)知。

高中物理教材中對(duì)“場(chǎng)”的發(fā)現(xiàn)歷程只做了簡(jiǎn)單的介紹，教學(xué)中要發(fā)掘物理學(xué)史中相關(guān)史實(shí)資料的教育價(jià)值。關(guān)鍵是引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)兩個(gè)問(wèn)題：

一是為什么要建立“場(chǎng)”的概念。學(xué)生應(yīng)明確是為了解決萬(wàn)有引力、電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力這類沒(méi)有相互接觸的物體其相互作用力的傳遞機(jī)制問(wèn)題。

二是“場(chǎng)”的概念是如何確立的?！皥?chǎng)”的建立在歷史上經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的爭(zhēng)論。牛頓的萬(wàn)有引力定律支持超距作用觀點(diǎn)，但牛頓本人傾向于以太觀，他曾在文中寫(xiě)道：“很難想象一個(gè)物體可以通過(guò)真空超距地作用在另一個(gè)物體上，這種觀點(diǎn)在我看來(lái)是荒唐之極”［１］。事實(shí)上，牛頓在１６７０年《論空氣和以太》中提到了鐵屑在磁場(chǎng)中排列的現(xiàn)象，并把原因歸結(jié)為“以太”［2］。法拉第在１８３１年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，他在電磁感應(yīng)的論文中使用了“磁力線”的概念，并通過(guò)磁場(chǎng)中的鐵屑分布進(jìn)行演示，隨后在１８３２年又提出“電力線”的概念，但此時(shí)的法拉第還沒(méi)有明確提出“場(chǎng)”的概念。隨后１８３７年到１８４４年法拉第做了大量的光和磁關(guān)系實(shí)驗(yàn)、電化學(xué)實(shí)驗(yàn)、電磁感應(yīng)和偏振光實(shí)驗(yàn)，他開(kāi)始否定牛頓和道爾頓的原子論，轉(zhuǎn)而用波斯考維奇的原子論來(lái)解釋電和磁的傳遞機(jī)制，并于１８４５年１１月７日的日記中首次提出“磁場(chǎng)”一詞。根據(jù)科技史學(xué)家閻康年的研究，法拉第的實(shí)體場(chǎng)概念是沿著這樣的研究順序提出來(lái)的：磁力線—電化學(xué)—光的偏振性—導(dǎo)磁性和導(dǎo)電性—批判道爾頓的原子概念—波氏的力心原子—磁場(chǎng)—場(chǎng)。之后，湯姆孫提出電磁質(zhì)量的概念；麥克斯韋提出能量定域在電磁場(chǎng)中，從而賦予場(chǎng)能量；俄國(guó)物理學(xué)家列別捷夫證明了光壓的存在，表明電磁場(chǎng)也具有動(dòng)量。至此，實(shí)體場(chǎng)的概念才真正建立。

通過(guò)“場(chǎng)”概念的建立過(guò)程，讓學(xué)生回溯科學(xué)歷程，在情感態(tài)度上增強(qiáng)學(xué)習(xí)的意義感。另一方面，夸美紐斯說(shuō)：“凡是需要知道的事物，都要通過(guò)事物本身來(lái)進(jìn)行教學(xué)?！痹谥v述發(fā)現(xiàn)歷程時(shí)，配合重做法拉第的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察鐵屑在磁場(chǎng)中的分布、發(fā)屑在電場(chǎng)中的分布，讓學(xué)生對(duì)“場(chǎng)”的存在建立直觀的印象。

２? ? 運(yùn)用類比法，明晰研究“場(chǎng)”的方法表征

類比是將一類事物的某些相同方面進(jìn)行比較，以另一事物的正確或謬誤證明這一事物的正確或謬誤的一種方法。物理教學(xué)中合理運(yùn)用類比法可以把陌生的物理量與學(xué)生熟悉的事物聯(lián)系起來(lái)，減少學(xué)習(xí)障礙。教學(xué)中比較常見(jiàn)的是把電場(chǎng)與重力場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，這樣的對(duì)比存在一些缺陷：一是在電場(chǎng)之前的教學(xué)中并沒(méi)有專門(mén)提出過(guò)重力場(chǎng)的概念，也就沒(méi)有重力場(chǎng)強(qiáng)度等相關(guān)認(rèn)知；二是重力場(chǎng)對(duì)于學(xué)生而言，也是一個(gè)抽象的概念。因此，這種類比是建立在教師認(rèn)知上的，缺少對(duì)學(xué)情的考慮。

運(yùn)用類比法進(jìn)行抽象概念的教學(xué)，需要利用學(xué)生確實(shí)具備的、有體驗(yàn)的生活常識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，把抽象枯燥的物理知識(shí)具象化，激發(fā)學(xué)生的探索興趣。在電場(chǎng)教學(xué)中可以創(chuàng)設(shè)這樣的情境：一個(gè)房間，只有一扇緊閉的窗戶，通過(guò)窗戶只能看見(jiàn)對(duì)面的一堵白墻，房間里的人怎樣才能知道窗外是否有風(fēng)？風(fēng)向朝哪？這里根據(jù)學(xué)生對(duì)風(fēng)的體驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)了一個(gè)與電場(chǎng)類似的看不見(jiàn)、摸不著的“風(fēng)場(chǎng)”。房間里面的人要知道外面的風(fēng)向，可以在窗外放置一面紅旗，通過(guò)紅旗飄動(dòng)的狀態(tài)就能確定風(fēng)力的大小、方向。這是因?yàn)椤帮L(fēng)場(chǎng)”對(duì)放入其中的紅旗具有力的作用，這種力的作用是顯性的。通過(guò)類比，要研究電場(chǎng)也要根據(jù)其基本性質(zhì)讓“場(chǎng)”的作用顯化，電場(chǎng)的基本性質(zhì)是對(duì)放入其中的電荷具有力的作用，因此在電場(chǎng)中放入試探電荷就相當(dāng)于在“風(fēng)場(chǎng)”中放置紅旗。通過(guò)類比讓學(xué)生體會(huì)到電場(chǎng)雖然看不見(jiàn)、摸不著，但也是可以感知的，抓住這一特征就能開(kāi)展對(duì)電場(chǎng)的研究，從而建立基本的研究方法表征。

３? ? 深入理解比值定義法，強(qiáng)化科學(xué)思維表征

通過(guò)“風(fēng)場(chǎng)”的類比，學(xué)生建立起通過(guò)研究電荷在電場(chǎng)中的受力來(lái)研究電場(chǎng)的方法。在電場(chǎng)的同一個(gè)點(diǎn)放置不同大小的電荷，電場(chǎng)力不相同，說(shuō)明電場(chǎng)力并不是描述電場(chǎng)本質(zhì)屬性的物理量——因?yàn)楸举|(zhì)屬性不會(huì)隨著試探電荷的變化而變化。教材到此就直接給出用Ｆ和ｑ的比值來(lái)表示電場(chǎng)強(qiáng)度。比值定義法對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)并不陌生，速度、密度、比熱容、電阻、加速度等概念就是通過(guò)比值定義的，它適用于物質(zhì)屬性或特征、物體運(yùn)動(dòng)特征的定義。如果只是告訴學(xué)生定義，把公式純粹的數(shù)學(xué)化，不探究所定義的概念與有關(guān)概念的依存關(guān)系和物理過(guò)程，就忽視了比值定義法的豐富內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)生死記硬背和生搬硬套。

首先，要建立比較的“屬性”，即要比較什么。學(xué)生建立電場(chǎng)概念后，根據(jù)電場(chǎng)對(duì)電荷的作用，就會(huì)建立電場(chǎng)有強(qiáng)弱的物理觀念，這里的強(qiáng)弱就是要比較的屬性。其次，要明確比較的標(biāo)準(zhǔn)，在電場(chǎng)中通過(guò)改變?cè)囂诫姾傻碾娏浚?，電?chǎng)力Ｆ也會(huì)相應(yīng)改變，這種變化關(guān)系可以引導(dǎo)學(xué)生找到比較的物理量。然后，要確定比值的可測(cè)量、可比較性。為什么用F/q？用q/F是否可行？以孤立點(diǎn)電荷電場(chǎng)為例，離場(chǎng)源電荷越近，用F/q得到的數(shù)值就越大，更符合人們的認(rèn)知習(xí)慣。最后，要對(duì)比較量與新定義物理量的關(guān)系作出解釋，明晰三者的關(guān)系。

深入挖掘比值定義法的科學(xué)思維，讓學(xué)生明確為什么要比？怎么比？比值是否具有科學(xué)性、合理性？從而更好地建立電場(chǎng)強(qiáng)度的概念，同時(shí)也在學(xué)生頭腦中構(gòu)建比值定義法的科學(xué)思維表征。

４? ? 運(yùn)用概念圖，揭示聯(lián)系與轉(zhuǎn)化，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)表征

學(xué)生按照教材順序?qū)W習(xí)的概念是以單點(diǎn)結(jié)構(gòu)的方式存儲(chǔ)在大腦。如果沒(méi)有進(jìn)行及時(shí)整合，將知識(shí)按其內(nèi)在邏輯關(guān)系形成結(jié)構(gòu)化認(rèn)知，就會(huì)造成混亂和遷移困難。以電場(chǎng)為例，涉及的概念有電場(chǎng)力、電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)能、電勢(shì)、電勢(shì)差等，都是高中物理教學(xué)的難點(diǎn)，不致力于建構(gòu)這些概念間的聯(lián)系，孤立地學(xué)習(xí)一個(gè)個(gè)概念必然會(huì)事倍功半。

概念圖是一種知識(shí)以及知識(shí)之間的關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)圖形化表征，也是思維可視化的表征，一般由節(jié)點(diǎn)、鏈接和相關(guān)文字標(biāo)注組成。有研究證據(jù)顯示，知識(shí)在腦中是以命題為基本單位，采用階層式儲(chǔ)存的，概念圖的主要目的是反映知識(shí)元素的組織，因此有助于知識(shí)的理解與有意義學(xué)習(xí)的開(kāi)展。在完成單個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)后，引導(dǎo)學(xué)生以主題單元為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)概念圖建立知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系，促進(jìn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化生長(zhǎng)。圖１是電場(chǎng)的單元知識(shí)概念圖，以靜電場(chǎng)為核心概念，分別從“力”“能”兩方面描述電場(chǎng)，定義電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)、電場(chǎng)線與等勢(shì)面，然后尋找這些概念間的相互關(guān)聯(lián)。 在教學(xué)中，通過(guò)合理使用概念圖，可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)顯性化，更全面地呈現(xiàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)，可以發(fā)揮喚醒記憶、厘清關(guān)系、引導(dǎo)認(rèn)知及促進(jìn)理解的作用。

綜上所述，電場(chǎng)強(qiáng)度這類抽象概念的教學(xué)，應(yīng)創(chuàng)設(shè)多種情境，引導(dǎo)學(xué)生從不同角度認(rèn)識(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度，豐富學(xué)生的認(rèn)知體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)概念的多重表征，才能更好地理解和內(nèi)化。

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（欄目編輯? ? 趙保鋼）