基于學(xué)科核心素養(yǎng)培育的高中物理概念教學(xué)

有效的物理概念教學(xué)能引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識客觀世界，構(gòu)建知識體系，形成物理觀念，并發(fā)展科學(xué)思維。在人教版高中物理必修第三冊第九章第三節(jié)“電場 電場強(qiáng)度”一課中，電場強(qiáng)度作為電磁學(xué)中一個(gè)極其重要的概念，也是這一節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容，理解電場的物質(zhì)性質(zhì)以及建立電場強(qiáng)度的概念是這一節(jié)的難點(diǎn)。正確理解電場強(qiáng)度這一概念，不僅對學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)電勢、電容、磁感應(yīng)強(qiáng)度等概念有很大的幫助，還能發(fā)展學(xué)生的物理思維，并幫助學(xué)生掌握學(xué)習(xí)物理的方法。文章以“電場 電場強(qiáng)度”為例，探討基于學(xué)科核心素養(yǎng)培育的高中物理概念教學(xué)，以供參考。

一、實(shí)驗(yàn)引入，激發(fā)興趣

由于電場強(qiáng)度的概念比較抽象，學(xué)生對這一概念缺乏感性認(rèn)識，在教授“電場 電場強(qiáng)度”這節(jié)課時(shí)，教師不宜采取直接講解概念的方式。為了幫助學(xué)生理解概念，筆者引入實(shí)驗(yàn)開展教學(xué)，以下是教學(xué)片段。

教師：“生活中我們常常會感受到各種各樣的力，這些力大致分成兩類，一類是通過接觸產(chǎn)生的作用力，另一類是不通過接觸就產(chǎn)生的作用力。那么，生活中這兩類力分別有哪些？”

學(xué)生：“接觸產(chǎn)生的作用力有彈力、摩擦力等，不通過接觸就可以產(chǎn)生的作用力有重力、磁體間的相互作用力、電荷間的相互作用力等?！?/p>

教師：“非常正確。今天我要帶領(lǐng)大家做一個(gè)關(guān)于兩個(gè)帶電體在不接觸的情況下產(chǎn)生相互作用的實(shí)驗(yàn)。我這里有一張紙，現(xiàn)在我要把這張紙變成一只‘燈籠’，并懸浮在空中（圖1）?！?/p>

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，筆者對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋，讓學(xué)生明白了該實(shí)驗(yàn)的原理：靜電懸浮實(shí)驗(yàn)中用到的工具靜電棒，實(shí)際上是迷你版的范德格拉夫起電機(jī)。按下通電開關(guān)，用靜電棒的紙殼部分接觸驗(yàn)電器，驗(yàn)電器的金屬箔張開，說明靜電棒帶電；“燈籠”實(shí)際上是加工過的輕質(zhì)金屬箔片，當(dāng)金屬箔片和靜電棒接觸后，會帶有同種電荷，由于兩種電荷相互排斥，從而出現(xiàn)“燈籠”懸浮現(xiàn)象。為了吸引學(xué)生的注意，筆者繼續(xù)向?qū)W生提問：“靜電棒和‘燈籠’之間的相互作用是怎樣產(chǎn)生的呢？”以此激發(fā)學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)引出電場概念作鋪墊。

二、認(rèn)識電場，感受電場的存在

雖然教材以文字?jǐn)⑹龅姆绞浇忉屃穗妶龅母拍睿措姾芍車嬖陔妶?，電荷與電荷之間的相互作用是通過電場這一媒介發(fā)生的。但筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，由于缺少直觀的感性認(rèn)識，學(xué)生往往被動接受這一概念，缺少主動探究的動力?；诖耍P者通過以下教學(xué)設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生對電場有更加直觀的認(rèn)識，加深了學(xué)生對相關(guān)概念的理解。

（一）趣味導(dǎo)入營造課堂氛圍，建立師生學(xué)習(xí)共同體

為了營造課堂氛圍，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，筆者以提問的方式趣味導(dǎo)入，帶領(lǐng)學(xué)生了解電場的概念。以下是教學(xué)片段。

教師：“電場是一種客觀存在的物質(zhì)，這種物質(zhì)與由分子、原子組成的物質(zhì)不同，電場是物質(zhì)存在的另一種形式，幾個(gè)電場能占據(jù)同一個(gè)空間。那么，在生活中哪里會有電場這種物質(zhì)呢？”

學(xué)生：“電荷周圍存在電場?！?/p>

教師：“正確。靜止的電荷產(chǎn)生的電場叫作靜電場，那么電場有什么性質(zhì)？”

學(xué)生：“電場對放入其中的電荷存在力的作用。”

教師：“正確。這種力叫作電場力，在靜電場中的靜電力就是電場力。那么，作為一種看不見、摸不著的物質(zhì)，我們怎么知道空間是否存在電場？”

學(xué)生：“把電荷放到空間中，如果它受到了電場力，那就說明存在電場?！?/p>

教師：“沒錯(cuò)。生活中有很多例子可以讓我們感受到電場的存在，比如在科技館，你可以觸摸靜電球，然后你的頭發(fā)會帶電，帶電的頭發(fā)會豎起、散開，這就說明存在電場?！?/p>

（二）教師演示實(shí)驗(yàn)——懸浮的帶電泡泡

當(dāng)玩吹泡泡游戲時(shí)，由于受到重力作用，泡泡最終會掉落到地面。對此，學(xué)生提出疑問：“如果讓泡泡帶上電，會出現(xiàn)怎樣的結(jié)果？”為了解開學(xué)生的疑惑，進(jìn)一步加深學(xué)生對電場的印象，筆者開展了“懸浮的帶電泡泡”的演示實(shí)驗(yàn)。筆者用一根由錫紙包好的塑料管粘上泡泡液，讓工作中的靜電棒靠近塑料管，同時(shí)吹出了一個(gè)大小合適的泡泡。由于靜電感應(yīng)，泡泡帶上了與靜電棒同性質(zhì)的電荷。接著，筆者把泡泡輕輕甩離塑料管，發(fā)現(xiàn)泡泡懸浮在靜電棒的上方（圖2），這說明空間存在電場。

通過演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生相信這個(gè)世界存在著電場這種物質(zhì)，同時(shí)明白了電荷之間的相互作用是如何產(chǎn)生的，即：電荷A對電荷B的作用力，就是電荷A的電場對電荷B的作用；電荷B對電荷A的作用力，就是電荷B的電場對電荷A的作用。

三、電場強(qiáng)度概念的構(gòu)建

（一）建立點(diǎn)電荷模型

為了讓學(xué)生進(jìn)一步理解電場的性質(zhì)，深化學(xué)生對電場感性的認(rèn)識，筆者為學(xué)生提供了實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，建立點(diǎn)電荷模型，親身體驗(yàn)電場的存在。以下是教學(xué)片段。

教師：“請問，有誰看見過電場嗎？誰摸到過電場嗎？我們能不能直接研究電場？”

學(xué)生：“不清楚。”

教師：“電場能對放入其中的電荷產(chǎn)生力的作用，因此我們可以使用電荷來研究電場。下面，我們從電場力入手來探究電場的性質(zhì)。為了研究電場的性質(zhì)，我們需要在電場中放入一個(gè)電荷，那么，這個(gè)電荷必須滿足什么要求？”

學(xué)生1：“這個(gè)電荷所帶的電荷量必須足夠小，以免它的引入影響將要研究的電場?！?/p>

學(xué)生2：“這個(gè)電荷的尺寸必須足夠小，可以視為點(diǎn)電荷?！?/p>

教師：“非常正確。這樣的電荷稱為試探電荷，激發(fā)出電場的帶電體所帶的電荷稱為場源電荷。放入電場中的電荷也會產(chǎn)生電場，但是因?yàn)殡姾闪啃?，所以它產(chǎn)生的電場對原電場的影響可以忽略不計(jì)；所有的帶電體都有形狀和大小，當(dāng)帶電體足夠小時(shí)，我們可以把它看成一個(gè)帶電的點(diǎn)，即點(diǎn)電荷，點(diǎn)電荷是一種理想化模型。”

（二）學(xué)生分組做定性實(shí)驗(yàn)

在學(xué)生了解點(diǎn)電荷模型后，筆者引導(dǎo)學(xué)生分組開展定性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生探究電場的性質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生要讓豎直固定不動的靜電棒形成電場，并觀察用錫紙做成的帶電小球（用絕緣細(xì)線懸掛）在電場中不同的點(diǎn)偏離豎直方向的角度和偏離的方向。在這一過程中，筆者讓學(xué)生思考并回答以下問題：“如何讓小球帶上電？同一個(gè)帶電小球在不同的點(diǎn)偏離豎直方向的角度是否相同？這說明了什么？同一個(gè)帶電小球在不同的點(diǎn)偏離的方向是否相同？”以下是教學(xué)片段。

教師：“大家通過實(shí)驗(yàn)，對電場的強(qiáng)弱、方向有了直觀認(rèn)知，那么，誰能回答以上問題？”

學(xué)生：“讓小球和靜電棒接觸就可以帶上電。同一個(gè)帶電小球在不同的點(diǎn)偏離豎直方向的角度一般不相同，說明它受到的電場力的大小不同，可以推斷出電場有強(qiáng)弱之分。同一個(gè)帶電小球在不同的點(diǎn)偏離的方向一般不相同，說明它受到的電場力的方向不同，由此推斷出電場具有方向性。”

教師：“同一電荷在電場強(qiáng)的地方受力會大一些還是小一些？”

學(xué)生：“大一些?！?/p>

筆者將學(xué)生實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論“同一電荷在電場強(qiáng)（弱）處受力大（?。睂懙胶诎迳?。接著，筆者讓學(xué)生繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，用電磁輻射測試儀測試電場的強(qiáng)弱。學(xué)生將電磁輻射測試儀放入電場中，可以讀出電場的強(qiáng)弱，讀數(shù)越大，表明電場越強(qiáng)。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生借助儀器實(shí)現(xiàn)對電場強(qiáng)弱的可視化，可以進(jìn)一步認(rèn)識到電場是客觀存在的，并且有強(qiáng)弱之分。

（三）假設(shè)、分析與認(rèn)證：準(zhǔn)確描述電場的強(qiáng)弱和方向

1.猜想與假設(shè)。假設(shè)有一個(gè)任意電場，將電荷量為q的試探電荷放在電場中的A點(diǎn)。筆者請學(xué)生思考和討論以下問題：“第一，能否直接用電場力來描述電場中各點(diǎn)的電場強(qiáng)弱？第二，如果試探電荷q在電場中某一點(diǎn)受到的電場力為F，另一個(gè)同樣的電荷在這一點(diǎn)受到的電場力一定也是F，假如有一個(gè)電荷量為2q的電荷放在這里，它受到的電場力為多少？”對于第一個(gè)問題，學(xué)生經(jīng)過共同研討，得出結(jié)論：不同試探電荷在同一點(diǎn)所受的電場力不同，而在同一點(diǎn)電場的強(qiáng)弱應(yīng)該是確定的，所以不適合直接用電場力來描述電場的強(qiáng)弱。對于第二個(gè)問題，學(xué)生經(jīng)過互相討論和填寫表格（表1），認(rèn)為在電場中的同一點(diǎn)，F(xiàn)和q的比值是常量，且這一常量與試探電荷所受的電場力和電荷量均無關(guān)。對此，筆者引導(dǎo)學(xué)生：“這個(gè)結(jié)論只是一種推測，它是否正確有待檢驗(yàn)。我們可以用點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場來檢驗(yàn)推測是否正確?！?/p>

2.理論分析驗(yàn)證。為了引導(dǎo)學(xué)生分析、驗(yàn)證自己的猜想，筆者向?qū)W生提出如下要求：“假設(shè)有一個(gè)點(diǎn)電荷，它的電荷量為Q，距離場源電荷rA和rB處有兩個(gè)點(diǎn)A和B，在這兩個(gè)點(diǎn)分別放入電荷量為q、2q到nq的正試探電荷（圖3），請分析它們的受力情況，并填寫表格（表2）?！睂W(xué)生通過互相討論得到如下結(jié)論：在同一點(diǎn)，F(xiàn)和q的比值是常量，與試探電荷的受力和電荷量均無關(guān)，由場源電荷與距離場源電荷的空間位置決定。同時(shí)，學(xué)生產(chǎn)生了以下推測：在電場中同一點(diǎn)，F(xiàn)和q的比值是常量；在電場中不同點(diǎn)，F(xiàn)和q的比值一般不同，同一電荷在電場中，比值大的地方受到的電場力大。

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了檢驗(yàn)學(xué)生的推測是否正確，筆者指導(dǎo)學(xué)生在任意電場中做定量實(shí)驗(yàn)，但由于現(xiàn)場條件不能滿足實(shí)驗(yàn)的要求，學(xué)生無法完成實(shí)驗(yàn)。對此，筆者利用多媒體設(shè)備播放了相關(guān)試驗(yàn)視頻，通過觀看視頻可知，學(xué)生的推測是正確的。

筆者把“同一電荷在比值大（小）處受力大（?。卑鍟谥皩懙摹巴浑姾稍陔妶鰪?qiáng)（弱）處受力大（?。毕路?，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行對比，學(xué)生發(fā)現(xiàn)可以用“比值的大小”替換“電場的強(qiáng)弱”，即可以用F和q比值的大小來描述電場的強(qiáng)弱。在此基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)行總結(jié)：“這反映了電場本身的屬性，也就是我們要尋找的描述電場強(qiáng)弱性質(zhì)的物理量，我們把這個(gè)比值叫作電場強(qiáng)度?！?/p>

（四）正確理解電場強(qiáng)度的概念

經(jīng)過前面的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生對用描述電場的強(qiáng)弱有了清晰的認(rèn)識。接下來，筆者直接講解電場強(qiáng)度的相關(guān)知識。

首先，筆者講解了電場強(qiáng)度的定義，即放入電場中某點(diǎn)的試探電荷受到的電場力F與它的電荷量q之比，稱為該點(diǎn)的電場強(qiáng)度，簡稱場強(qiáng)，用E表示。這是用比值法定義一個(gè)新的物理量，比值法的實(shí)質(zhì)是取單位量進(jìn)行比較，電場強(qiáng)度取的是單位電荷受到的電場力進(jìn)行比較。為了便于學(xué)生理解，筆者在黑板寫上密度、速度、加速度的公式，并講解它們對應(yīng)的比值法的實(shí)質(zhì)。其次，筆者向?qū)W生介紹了電流強(qiáng)度定義式（E=），讓學(xué)生了解其單位為牛每庫（N/C），電場強(qiáng)度概念的物理意義為：它是描述電場的力的性質(zhì)的物理量，反映了電場的強(qiáng)弱。最后，筆者帶領(lǐng)學(xué)生探究了電場強(qiáng)度的方向。即電場強(qiáng)度是一個(gè)矢量，它具有方向。物理學(xué)中規(guī)定，電場中某點(diǎn)的電場強(qiáng)度的方向與正電荷在該點(diǎn)所受電場力的方向相同。

結(jié)語

在根據(jù)以上策略進(jìn)行教學(xué)的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生課堂參與度較高，課堂氛圍良好，實(shí)驗(yàn)均取得了成功。從核心素養(yǎng)培育的視角出發(fā)，教師要重視物理概念教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生通過科學(xué)探究，提高思維能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)，提高物理教學(xué)質(zhì)量。

（作者單位：廣西希望高中）