基于物理觀念形成和發(fā)展的教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“電勢(shì)差與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系”為例

唐維四 張菊香 周棟梁

(1. 江蘇省灌南縣惠澤高級(jí)中學(xué),江蘇 連云港 222500;2. 江蘇省灌南高級(jí)中學(xué),江蘇 連云港 222500)

1 引言

物理觀念是物理概念、規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華。[1]隨著時(shí)間的推移,物理知識(shí)或許會(huì)逐漸地被學(xué)生遺忘,但物理觀念卻是根深蒂固。當(dāng)認(rèn)識(shí)從物理知識(shí)上升到物理觀念層面時(shí),學(xué)生對(duì)于知識(shí)的處理便能從“生搬硬套”上升到“觸類旁通”的更高層級(jí)。有了這些物理觀念,學(xué)生便能更好地從物理學(xué)視角去解釋自然現(xiàn)象和解決遇到的實(shí)際問(wèn)題。

在人教版高中物理必修第三冊(cè) 《靜電場(chǎng)中的能量》一章中“電勢(shì)差與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系”一節(jié)所呈現(xiàn)的內(nèi)容不太多,思維難度也不大,在實(shí)際教學(xué)中不少教師往往只重視電勢(shì)差和電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系的結(jié)論及其應(yīng)用,卻忽視了本節(jié)內(nèi)容放在此處的特殊用途,即在引入電場(chǎng)強(qiáng)度描述“電場(chǎng)力的性質(zhì)”和引入電勢(shì)描述“電場(chǎng)能的性質(zhì)”之后,教材試圖幫助學(xué)生建立電場(chǎng)“力”與“能”之間的關(guān)聯(lián),讓學(xué)生從整體的角度認(rèn)識(shí)電場(chǎng)。若教師能基于大單元的視角,搭建電場(chǎng)“力”與“能”兩者之間的關(guān)聯(lián),則在幫助學(xué)生深度理解電場(chǎng)的同時(shí),促進(jìn)他們運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念和能量觀念的形成和發(fā)展。

研讀人教社2019年版高中物理教材,其內(nèi)容組織的邏輯層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。[2]

圖1

這種內(nèi)容編排方式符合學(xué)生的認(rèn)知邏輯,但在實(shí)際教學(xué)中,教師往往把教學(xué)的重點(diǎn)放在后三個(gè)環(huán)節(jié),這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)沒(méi)有體現(xiàn)編者的意圖,不利于學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。針對(duì)第一個(gè)環(huán)節(jié),筆者在教學(xué)實(shí)踐中做了如下的設(shè)計(jì)。

2 電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)表征方式的分類

通過(guò)師生一起復(fù)習(xí)、回顧,構(gòu)建相關(guān)知識(shí)結(jié)構(gòu)(圖2),即從“數(shù)”的層面定義電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì),從“形”的層面、直觀地表征電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)。

圖2

3 構(gòu)建電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)的定性關(guān)系

通過(guò)師生一起復(fù)習(xí)、回顧電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)之間的關(guān)系,可以得出結(jié)論：沿著電場(chǎng)線的方向電勢(shì)逐漸降低;電場(chǎng)線與等勢(shì)面垂直,并且由電勢(shì)高的等勢(shì)面指向電勢(shì)低的等勢(shì)面;等勢(shì)面越密處電場(chǎng)線也越密集,即等勢(shì)面越密處電場(chǎng)強(qiáng)度越大。從結(jié)構(gòu)化考慮,它們間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。[3]

圖3

顯然,基于學(xué)生已有的知識(shí)結(jié)構(gòu),電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)在“數(shù)”方面的關(guān)系還有待探究。

4 構(gòu)建電場(chǎng)強(qiáng)度E和電勢(shì)差U的定量關(guān)系

首先呈現(xiàn)圖4,甲、乙、丙為三種不同電場(chǎng)的電場(chǎng)線分布,引導(dǎo)學(xué)生分別判斷電場(chǎng)中A、B、C三點(diǎn)的電勢(shì)高低和場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)弱。

圖4

學(xué)生通過(guò)探討發(fā)現(xiàn)：雖然電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)都是表征電場(chǎng)屬性的物理量,但二者大小之間并無(wú)直接關(guān)系,在此基礎(chǔ)上教師再次引導(dǎo)學(xué)生思考：電勢(shì)能變化是通過(guò)電場(chǎng)力做功實(shí)現(xiàn)的,電場(chǎng)力做功多少與電場(chǎng)強(qiáng)度大小有關(guān),而電勢(shì)能變化也與電勢(shì)差相關(guān)。據(jù)此,你認(rèn)為在“數(shù)”的層面上電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)差之間有何關(guān)系?從而讓學(xué)生在知識(shí)結(jié)構(gòu)化的過(guò)程中,確立本節(jié)課題：電勢(shì)差與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。

如此引入本節(jié)課題,不僅可以較好地達(dá)成傳統(tǒng)的教學(xué)目標(biāo),而且可把隱含在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過(guò)程中的“教育因素”得以充分發(fā)掘和利用,更好地促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成和發(fā)展,進(jìn)而提升他們的核心素養(yǎng)。

在完成以上三個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)之后,為了幫助學(xué)生從單元教學(xué)的角度更加全面地認(rèn)識(shí)靜電場(chǎng),并形成比較完整的知識(shí)結(jié)構(gòu),可以試探電荷為載體,幫助學(xué)生構(gòu)建“力”和“能”的封閉知識(shí)鏈(圖5)。

圖5

在師生一起構(gòu)建靜電場(chǎng)這一大單元“知識(shí)鏈”的過(guò)程中,學(xué)生更容易理解物理量之間的關(guān)系,對(duì)其靈活運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題具有重要意義。同時(shí)在構(gòu)建電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)差的定量關(guān)系的過(guò)程中,也蘊(yùn)藏著豐富的與物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究相關(guān)的活動(dòng),可以較好地提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

教師在設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí),必須以課程標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),分析學(xué)情和教材,除了關(guān)注知識(shí)內(nèi)容的呈現(xiàn)外,更要關(guān)注相關(guān)內(nèi)容的呈現(xiàn)過(guò)程和方式,把教學(xué)設(shè)計(jì)置于單元教學(xué)層面進(jìn)行學(xué)習(xí)內(nèi)容規(guī)劃、學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì),以更好地促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成和發(fā)展、科學(xué)思維的穩(wěn)步提升,進(jìn)而提高他們的核心素養(yǎng)。