創(chuàng)設(shè)物理情境提高科學(xué)思維能力的探究

摘 要：本文以“電場強(qiáng)度”教學(xué)為例，通過創(chuàng)設(shè)物理情境，強(qiáng)化問題導(dǎo)向的教學(xué)方法，旨在激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，進(jìn)而引導(dǎo)他們自主思考、自主探究。在這一過程中，教師應(yīng)促進(jìn)學(xué)生以情境引問題、以問題導(dǎo)探究、以探究促真知，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，并促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；創(chuàng)設(shè)情境；電場強(qiáng)度

1 引言

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。^［1］科學(xué)思維的培養(yǎng)是物理教育的核心，也是物理教學(xué)的難點(diǎn)。創(chuàng)設(shè)適合學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維的學(xué)習(xí)情境，為學(xué)生展示自身物理學(xué)科核心素養(yǎng)搭建平臺(tái)，是《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對(duì)教師物理教學(xué)的基本要求。^［2］

學(xué)生在情境中產(chǎn)生疑難、在疑難中產(chǎn)生問題。這一過程能夠激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，促使他們積極思考，這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)至關(guān)重要。

情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)循序漸進(jìn)，這要求教師在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)設(shè)計(jì)多樣化的情境。本文以“電場強(qiáng)度”教學(xué)為例，嘗試通過創(chuàng)設(shè)物理情境的方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

2 創(chuàng)設(shè)情境提高科學(xué)思維能力的策略研究

2.1 模型建構(gòu)，啟發(fā)思維

情境1：“場源電荷”“檢驗(yàn)電荷”模型的建立。

師：我們先使一個(gè)金屬球帶電，金屬球的周圍形成了電場，金屬球上的電荷是電場的來源。

因此，我們把金屬球所帶的電荷稱為場源電荷。接下來，我們需要檢驗(yàn)金屬球周圍電場的強(qiáng)弱與方向。

我們?cè)撊绾窝芯浚?/p>

生：放一個(gè)電荷在這個(gè)場源電荷附近，看受力情況。

師：為了更好地研究這個(gè)金屬球周圍的電場強(qiáng)弱及方向，能否再找個(gè)電荷量較大的電荷放在附近？

生：不行，電荷量較大的電荷可能會(huì)影響金屬球的電荷分布。

師：是的，確實(shí)會(huì)有影響。通常，我們把放在場源電荷附近且電荷量和體積都很小的電荷叫作試探電荷，或者檢驗(yàn)電荷。

設(shè)計(jì)意圖：

通過建構(gòu)模型，教師能夠幫助學(xué)生抓住事物的關(guān)鍵要素，加深學(xué)生對(duì)物理概念的理解。教師通過做實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)生創(chuàng)設(shè)物理情境，把復(fù)雜問題抽象成物理模型來分析，為接下來的科學(xué)推理搭建平臺(tái)，打開學(xué)生思考的大門，啟發(fā)學(xué)生的思維。^［3］

2.2 科學(xué)推理，拓展思維

情境2：電場概念的建立。

師：頭發(fā)和風(fēng)扇未直接接觸，是什么使頭發(fā)感受到風(fēng)扇的作用？

生：轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇通過空氣這個(gè)媒介對(duì)頭發(fā)產(chǎn)生了作用。

師：磁體和磁針未直接接觸，是什么使磁針感受到了磁體的作用？

生：磁體通過磁場這個(gè)媒介對(duì)小磁針產(chǎn)生了作用。

師：用抹布摩擦過的PVC管能讓易拉罐轉(zhuǎn)動(dòng)，還能讓燒杯中的火柴棒轉(zhuǎn)動(dòng)起來，是什么

推動(dòng)了易拉罐和火柴棒的運(yùn)動(dòng)？

生：帶電體通過電場這個(gè)媒介對(duì)其他帶電體產(chǎn)生了作用。

師：電場是存在于帶電體周圍的一種特殊物質(zhì)，它看不見、摸不著，但是確實(shí)存在。近代物理學(xué)史上，庫侖認(rèn)為“電力、磁力與引力一樣是一種超距作用，這種力的傳遞不需要任何介質(zhì)……”而法拉第于19世紀(jì)30年代提出了“場”的觀點(diǎn)，他認(rèn)為與“磁體周圍存在磁場”一樣，電荷周圍也存在著電場。這兩位誰的觀點(diǎn)對(duì)呢？這種力是超距作用，還是需要通過“場”做媒介發(fā)揮作用呢？

教師進(jìn)行展示實(shí)驗(yàn)：用輝光球代替場源電荷，將日光燈管靠近輝光球。

師：同學(xué)們，發(fā)現(xiàn)了什么？

生：手移動(dòng)到哪里，日光燈管就亮到哪里。

師：這個(gè)日光燈管發(fā)光的原理和家用日光燈發(fā)光的原理是不同的。

家用日光燈發(fā)光是因?yàn)樵陂]合回路中，通過開關(guān)控制電流通過燈管，從而使其發(fā)光。

而這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，輝光球內(nèi)的電極產(chǎn)生強(qiáng)電場，該電場令日光燈管中的惰性氣體和汞原子電離，從而輻射出白光。

當(dāng)日光燈管通過人體接地，且手接近輝光球時(shí)，由于電場的作用，二者之間的日光燈管便會(huì)亮起。

如果日光燈管和輝光球之間的作用機(jī)制是超距作用，即不需要任何介質(zhì)就能發(fā)生作用，那么理論上日光燈管和輝光球之間放置任何東西都不會(huì)影響日光燈管的亮暗狀態(tài)。請(qǐng)同學(xué)們拿本書放中間試試。

一位學(xué)生用一本物理書擋在日光燈管和輝光球之間，發(fā)現(xiàn)這個(gè)行為不會(huì)影響日光燈管的亮暗狀態(tài)。

師：有沒有人拿老師的物理書放中間試一試呢？

另一位學(xué)生把教師的物理書放兩者中間，發(fā)現(xiàn)日光燈管不亮了。

師：這是為什么呢？難道老師的書被施了魔法嗎？

生：要求翻開老師的書，里面可能有東西。

教師翻開書后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)里面有一張錫箔紙。

師：難道這張錫箔紙被施了“魔法”嗎？

生：可能任何導(dǎo)體放在日光燈管和輝光球之間都會(huì)使日光燈管不亮。

幾位學(xué)生將手和鐵皮材質(zhì)的文具盒放在日光燈管和輝光球之間，都發(fā)現(xiàn)日光燈管不亮。

師：請(qǐng)問電場力是超距作用嗎？

生：不是。

設(shè)計(jì)意圖：在該教學(xué)情境中，教師通過學(xué)生已有的認(rèn)知?jiǎng)?chuàng)設(shè)魔術(shù)實(shí)驗(yàn)情境，引導(dǎo)學(xué)生把電場的概念一步步地推理出來。而對(duì)于電場這個(gè)看不見、摸不著的物質(zhì)，教師通過“輝光球點(diǎn)亮日光燈管”的小實(shí)驗(yàn)去創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生感受電場的存在。通過將書放在日光燈管和輝光球之間，教師一步步創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，引導(dǎo)學(xué)生理解——電場力不是超距作用。教師不僅介紹了輝光球的原理，還介紹了其與家用日光燈管發(fā)光的機(jī)制的不同之處，從而拓展了學(xué)生的思維。在此基礎(chǔ)上，教師鼓勵(lì)學(xué)生活學(xué)活用，通過創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突情境來激發(fā)學(xué)生的探索欲，進(jìn)一步引發(fā)學(xué)生對(duì)問題深入研究的興趣。這一系列教學(xué)活動(dòng)使得課堂教學(xué)更加生動(dòng)有趣，呈現(xiàn)出多維立體的特點(diǎn)，并有效促進(jìn)學(xué)生科學(xué)推理思維能力的提升。

2.3 科學(xué)論證，發(fā)展思維

情境3：分析電場強(qiáng)弱及用比值法定義電場強(qiáng)度。

師：如果空間存在電場，我們通過什么辦法可以知道呢？

生：在電場中放置電荷，通過觀察電荷所受的力，我們可以推斷出電場的存在。

師：如何更加形象地表示電場力的存在呢？現(xiàn)在有克拉秤、帶電的錫箔小球、范氏起電機(jī)，你能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)嗎？

生：可以將帶電的錫箔小球放在克拉秤上，先進(jìn)行校零操作。當(dāng)帶電的錫箔小球靠近范氏起電機(jī)的金屬球時(shí)，克拉秤上會(huì)出現(xiàn)示數(shù)變化。

師：同一帶電小球，電荷量保持不變，怎么判斷不同位置的電場強(qiáng)弱？

生：當(dāng)將克拉秤從范氏起電機(jī)的金屬球附近逐漸遠(yuǎn)離時(shí)，觀察到克拉秤的示數(shù)逐漸變小。

這一現(xiàn)象表明，在電荷量不變的情況下，同一帶電小球在不同位置受到的電場力大小不等，從而反映出電場的強(qiáng)弱也不同。

師：根據(jù)前面學(xué)過的庫侖定律知識(shí)，我們可以對(duì)電場的強(qiáng)弱進(jìn)行進(jìn)一步論證。在距離場源電荷r處，放置電荷量分別是q、2q、3q的電荷，以及在距離場源電荷2r處，放置電荷量分別是q、2q、3q的電荷，求出相應(yīng)的庫侖力。

師：請(qǐng)分析，電場中的同一點(diǎn)，不同電荷受力，以及力與電荷的比值有什么特點(diǎn)？

生：通過計(jì)算可推理出，電場中的同一點(diǎn)，不同電荷受力不同，但比值Fq是相同的。

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)論證是一種以科學(xué)知識(shí)為媒介，積極面對(duì)問題，對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行解釋說明，提出個(gè)人論點(diǎn)，同時(shí)能有反駁他人觀點(diǎn)的高級(jí)思維能力。在這段情境教學(xué)中，教師巧妙地運(yùn)用了范氏起電機(jī)和克拉秤等工具來創(chuàng)設(shè)情境，使學(xué)生能夠直觀地感受電場強(qiáng)弱的變化。隨后，通過控制變量法，學(xué)生被引導(dǎo)記錄并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而自主推理論證相關(guān)科學(xué)觀點(diǎn)。這一過程基本實(shí)現(xiàn)了科學(xué)論證的初步實(shí)踐，有效促進(jìn)了學(xué)生思維能力的發(fā)展。

2.4 質(zhì)疑創(chuàng)新，升華思維

情境4：電場強(qiáng)度的矢量性。

實(shí)驗(yàn)演示：首先，用銅線將發(fā)光二極管正負(fù)極引腳依次連接，并將連接好的二極管放入吸管內(nèi)部從而固定二極管；接著，接通范氏起電機(jī)的電源，將二極管靠近范氏起電機(jī)。當(dāng)二極管與金屬球殼保持一定距離時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)二極管距離范氏起電機(jī)越近，其發(fā)光亮度越大；然而，在同一位置，當(dāng)改變二極管方向時(shí)，發(fā)現(xiàn)二極管不發(fā)光。

師：電場強(qiáng)度是標(biāo)量還是矢量？

生：矢量。

師：為什么？

生：二極管具有單向?qū)щ娦浴Ｔ趶?qiáng)電場的作用下，電子做定向移動(dòng)，形成電流，使得二極管發(fā)光。保持二極管在電路中同一個(gè)位置，改變二極管方向，由于二極管反向電阻非常大，因此二極管不發(fā)光。這一現(xiàn)象說明電場具有方向性，且在同一位置，電場的方向保持不變。

情境5：電場強(qiáng)度E與試探電荷q的有無、正負(fù)、電量多少均無關(guān)。

師：同學(xué)們學(xué)完了電場強(qiáng)度的概念和表達(dá)式。請(qǐng)語文課代表朗讀場源電荷對(duì)試探電荷的深情“表白”。

生：你見或不見，我就在這里，不悲不喜；你在或不在，場就在我左右，不增不減；你是正或是負(fù)，場就在我身旁，不左不右。

師：請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)這個(gè)“表白”總結(jié)一下電場強(qiáng)度E與試探電荷q的關(guān)系。

生：電場強(qiáng)度E與試探電荷q的有無、正負(fù)、電量多少均無關(guān)。

設(shè)計(jì)意圖：質(zhì)疑創(chuàng)新的核心在于激發(fā)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)造力。在教學(xué)情境中，教師先進(jìn)行了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，并隨即向?qū)W生提出一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的問題——電場強(qiáng)度是矢量還是標(biāo)量？為了解答這一問題，學(xué)生需要不斷深入研究電場強(qiáng)度的特性，并將這些新知識(shí)與他們之前所學(xué)的二極管的單向?qū)щ娦灾R(shí)聯(lián)系起來。同時(shí)，學(xué)生還需要回顧之前進(jìn)行過的關(guān)于輝光球點(diǎn)亮日光燈管的實(shí)驗(yàn)。通過綜合這些知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生可以進(jìn)一步想象和理解二極管發(fā)光的內(nèi)在原理。

這個(gè)過程可以讓學(xué)生根據(jù)已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)引發(fā)思考，質(zhì)疑創(chuàng)新。

情境6：電場強(qiáng)度知識(shí)在生活中的應(yīng)用。

師：下了幾分鐘的小雨，位于沙漠高處的游客突然頭發(fā)豎起來了，為什么會(huì)這樣？

學(xué)生們都一臉茫然。教師拿了一把塑料的梳子，給一個(gè)頭發(fā)較干的女生梳頭發(fā)。在這個(gè)過程中，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)女生的頭發(fā)總是容易翹起來。

生：頭發(fā)可能帶靜電，游客周圍存在強(qiáng)電場。

師：這個(gè)電場哪來的？周圍沒有帶電體?。窟@個(gè)電場對(duì)人體有沒有危害？游客會(huì)不會(huì)被雷擊？請(qǐng)同學(xué)們討論一下。

生：可能是云層中積聚了大量的電荷，而沙漠高處上會(huì)感應(yīng)異種電荷。那里場強(qiáng)比較大，也比較危險(xiǎn)。游客有可能被雷擊。

師：非常好。當(dāng)我們后面學(xué)習(xí)尖端放電的原理后，就能徹底明白這一點(diǎn)。

在遭遇雷電等危險(xiǎn)情況下，游客最好能躲進(jìn)車?yán)?。因?yàn)檐圀w能有效屏蔽電場，從而保證自身的安全。游客應(yīng)該盡可能降低身體高度并減少身體與地面的接觸面積。如果身處沙漠高處來不及離開，游客就應(yīng)趕緊就地蹲下，雙腳盡量并攏，雙手避免觸地，抱頭藏于膝間，以減少受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，游客在計(jì)劃去沙漠游玩時(shí)，一定要提前查看天氣預(yù)報(bào)，避免雷雨天氣前往。

設(shè)計(jì)意圖：在該情境中，教師針對(duì)“沙漠空曠，游客身邊沒有帶電體”的情境提出疑問，激發(fā)學(xué)生的想象力，讓他們思考帶電的幾種方式——即可以接觸帶電，還可以感應(yīng)起電。學(xué)生經(jīng)過激烈地討論，最終找到答案。教師巧妙地創(chuàng)設(shè)生活中的情境，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解決問題。這一做法不僅進(jìn)一步提高了學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的熱情，還豐富了學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，使得學(xué)生的思維得到了更深更廣的拓展。

3 結(jié)語

在教學(xué)過程中，如果教師直接把知識(shí)灌輸給學(xué)生，雖然短期內(nèi)看似高效便捷，但長此以往，“填鴨式”教學(xué)模式無疑對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)是不利的。因此，在教學(xué)過程中，教師要不斷地設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)以培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)，幫助學(xué)生建立已有知識(shí)和未知知識(shí)之間的橋梁，同時(shí)，挖掘物理概念、規(guī)律中的隱性知識(shí)和思維方法，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的意識(shí)和能力。電場是電荷周圍客觀存在的一種物質(zhì)，它“看不見、摸不著”。

為了讓學(xué)生真切地感知電場的存在并理解其特性，教師需要精心設(shè)計(jì)多樣化的教學(xué)情境。在這些情境中，教師通過引導(dǎo)學(xué)生觀察、實(shí)驗(yàn)、推理和討論，逐步提升學(xué)生的科學(xué)思維能力，幫助他們深入理解和把握電場的本質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

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