在教学中提升学生的科学素养——“静电现象的应用”教学设计

乔 兰 姚小琴

在教学中提升学生的科学素养
——“静电现象的应用”教学设计

乔 兰1姚小琴2

在物理课堂教学中，通过教学方式的改进，实验器材的创新，让学生与教师互学共进，从“科学知识”“科学方法”“科学精神与态度”“科学应用与实践”四个方面，培养学生的科学素养。

科学素养；静电现象的应用；高中物理

本次“杏坛杯”展评活动的主题是“人在课中央”，怎样在这节物理课堂教学中有效地促进学生科学素养的提升，是我在进行教学设计时考虑的最核心的问题之一。经过潜心思考并查阅了大量文献后，我体会到：旨在提高学生核心素养的物理教学，应该将物理课程的教育教学目标，定位在学生终身发展的行为习惯、规范与关键能力的养成等诸多方面，在教学中不断为学生提供面对问题、分析问题和解决问题的机会，并在此过程中激发他们学习的热情，在主动学习与探究中养成行为习惯，发展关键能力。

我选择执教人教版高中物理选修3-1第1章第7节“静电现象的应用”，这是因为在这节课之前，学生通过前6节内容的学习，已经理解了电场强度和电势这两个反映电场基本性质的重要物理量，可以说本章核心概念的学习任务已经完成。而第7节是前面各节内容之间知识的综合，是核心内容的拓展和应用，目的在于提高学生综合运用物理知识的能力，这样的教学内容才能体现本次展评的主题，更好地展现学生的主体地位、教师的主导作用。

基于以上的思考，我对这节课做了以下的设计。

一、新课引入

我截取科学综艺类节目——“加油！向未来”中的一段精彩的“放电”视频，引发他们思考：为什么踩在高压电上的演员能安然无恙？以强烈的视觉冲击吸引学生注意力，用出乎意料的结果，激发他们学习本节课的愿望。

二、“静电平衡状态”探析

情境设置：将含有大量自由电子的金属导体置于匀强电场中。用课件模拟静电感应现象，提出问题：电子的定向运动会持续下去吗？

通过师生间、学生间的讨论，帮助学生构建本节课的重点知识——“静电平衡状态”的概念。

1.研究静电平衡状态下导体电场的特点。

（1）理论分析。

引导学生从“电场强度”和“电势”这两个反映电场基本性质的重要物理量的角度，对导体的电场特点进行理论研究。在建构了“静电平衡状态”的概念后，引导学生利用研究问题的科学思维方法，例如反证法、矢量分析法、归纳法，积极调动学生已有的知识储备，从理论上构建模型，通过推理分析得出处于静电平衡状态的导体电场的特点。

（2）实验验证。

实验一：验证静电平衡状态下的导体内部场强为零。

实验器材：手摇感应起电机，金属导体，金属笼，泡沫小球，导线，等。

（设计意图：通过教师的介绍，让学生分组探究处于静电平衡状态的导体内部场强情况。实验过程中，学生综合利用了之前学习的知识，根据带电物体是否受电场力来判断空间电场是否存在，提升了学生将理论知识应用于实践的能力。分组实验中，学生的合作能力、动手能力、观察能力得到了提高。而最后的汇报环节，学生准确表述和归纳总结的能力都得到了锻炼，体现了学生的课堂主体性。）

2.研究静电平衡状态下导体电荷分布的特点。

（1）理论分析。

请学生猜想：处于静电平衡状态的带电导体、电荷分布在什么位置？电荷分布有什么规律？

对静电平衡状态下导体电荷分布的特点，我通过提问，让学生思考电荷分布的位置及分布规律，让学生在实验前有个基本猜想和预判。不过由于学生理论知识储备不足，可以尝试引导学生用反证法给出判断的基本依据，但此处理论分析难度较大，每个学生学情不同，不做硬性要求。学生对电荷分布特点的认识，必须通过实验才能加深认识。

（2）实验探究。

实验二：探究处于静电平衡状态下的导体，内部和外表面的带电情况。

实验器材：感应起电机、金属球（板）、金属笼、两款静电传感器等。用两款传感器检测处于静电平衡状态的金属笼，内部和外表面的带电情况。

实验三：探究带电导体电荷分布的情况。

实验器材：感应起电机、侧面有钉子的金属奶粉罐、验电羽等。用自制教具探究带电导体上电荷的分布情况。

（设计意图：在实验二中，通过介绍“静电传感器”的使用，让学生体会到传感器和计算机可以使许多物理实验做得更准确、更迅速，可以把我们的手和脑从简单的、重复性的操作中解放出来，让我们的注意力集中于问题的科学本质。在实验三中，借助于自制的教具，使学生直观地观察到导体上电荷的分布情况，深化了对电荷分布特点的理解。突破了本节课中的第一个教学难点。这个环节的教学，以生动的实验激发学生学习物理的热情，培养学生实事求是的科学态度，在物理课堂教学中渗透科学精神和态度的教育。）

三、静电现象的应用

1.尖端放电。

通过学生阅读和交流讨论，帮助学生认识“尖端放电现象”，同时用自制的“雷电模拟装置”，积极创设物理情境，引导学生利用本节课所学知识对“避雷针的作用”进行解释，培养学生综合运用物理知识的能力。

2.静电屏蔽。

实验四：将验电器放在静电场中，由于发生静电感应现象，箔片张开；而罩上金属笼后箔片闭合。

让学生分析箔片张开的原因，从而引导学生利用本节课所学知识，形成“静电屏蔽”的概念。

此处，再次出现片头引入的高压放电的视频截图，引导学生再次利用静电屏蔽的知识，尝试分析演员安然无恙的原因，培养学生应用所学知识和方法解决现实问题的意识和能力，突破本节课的第二个难点。

（设计意图：培养学生的高阶思维能力，要有高阶学习活动予以支持，本教学环节中，我利用生活中丰富的静电现象，以学生为中心，开展自主学习、合作交流、问题解答等学习活动，提升了学生的科学应用能力。）

四、课堂小结

在本环节中，借助于PPT或者板书，对本节课的教学内容进行回顾和整理，让学生在头脑中建构出自己的知识结构，培养学生学习物理的良好习惯和方法。

五、思维拓展

创设两种看起来相似的取电方式（具体内容略），让学生猜测可能出现的情况，为这节课的后续学习留下伏笔，同时培养学生养成严谨的研究态度。

［1］阎金铎，郭玉英.物理教学概论［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］林钦，陈峰，宋静.关于核心素养导向的中学物理教学的思考 ［J］.课程·教材·教法，2015（12）.

【团队推荐】

乔兰老师在第12届江苏省“杏坛杯”课堂教学展评活动中，面向高一学生开设了“静电现象的应用”一课，乔老师设计了几个十分精彩的实验，犹如一颗颗璀璨的珍珠镶嵌在课堂教学过程中，极大地丰富了学生的体验。

1.简易的泡沫小球实验，验证导体内部场强为零。

在理论探讨得出静电平衡导体内部场强为零的结论后，乔老师设计了一个学生分组实验，学生通过手摇感应起电机让一个轻质泡沫小球带电，将带电泡沫小球放在一个带电板旁，带电小球立即受电场力而偏离了平衡位置，说明电场的存在；而用金属笼罩住带电泡沫小球，使小球处于导体内部，这时，立即看到小球落了下来，不再受力，说明内部没有电场，从而进一步证明了静电平衡状态下的导体内部电场为零。此实验设计简单易做，小组内学生反复交叉做，体会深刻。

2.同步的传感器实验，精确呈现电荷的分布。

为了说明静电平衡状态下的导体内部没有“净电荷”，“净电荷”只分布在外表面。乔老师用两个“数字静电传感器”代替了传统的“验电器”。第一款自带液晶屏的数字静电传感器，放在金属笼内部，用一根导线将传感器和导体内部相连，用来检验导体内部是否带电；第二款传感器，通过数据线与电脑相连，电脑屏幕显示带电数据，用它检测导体外表面的带电情况。实验时为了提高可见度，用实物投影将传感器与电脑显示屏放大给大家看。当一名学生缓慢持续地摇动起电机的手柄时，与起电机相连的金属笼也就带上了电荷，但大家发现内部静电传感器显示示数始终为零，而外部传感器的取电球去触碰金属笼外侧后，传感器立即显示出带电数值。这一现象精确地呈现了静电平衡状态下的导体，内部没有“净电荷”，“净电荷”只分布在外表面。

3.自制的奶粉罐实验，形象直观。

为了进一步探究带电导体外表面上电荷分布的疏密情况，乔老师收集了许多金属奶粉罐，在每个奶粉罐的侧面钉了一个钉子，在奶粉罐内部和表面都粘上了验电羽，并在外侧钉子的顶端也粘上了验电羽，将奶粉罐用导线与起电机金属杆相连，摇动起电机手柄使奶粉罐带电，让学生仔细观察现象，并回答学案上的问题。每个小组的学生都抢着回答他们看到的现象：金属罐子内部的验电羽没有张开，说明导体内部没有电荷，外表面的验电羽都张开了，说明了电荷分布在外表面，而粘在外部针尖部位的验电羽张开的角度最大，说明越尖锐的部位电荷密度越大。

4.模拟避雷针实验，理论联系实际。

“避雷针”作为静电现象在生活中的一个典型应用，学生的认识仅停留在听说的层面，没有切身的体验，乔老师自制了一排小房子模拟居民区，用两块钢板分别固定在小房子底部和上方，用来模拟大地和云层，当通过高压感应圈给两块钢板加上高压来模拟雷电时，各间房屋与云层间均产生了电火花，这时提问学生：这种情况如果持续发生，房子一定会受损，那为了保护房屋，我们应该怎么办？学生纷纷回答：放入避雷针。这时乔老师拿出自制的避雷针（砝码和金属毛线针）放在“地面”上，再加上高压，学生观察到，只有避雷针与“天空”间有火花放电，房屋都得到了保护。

5.“静电屏蔽”实验，首尾呼应。

最后，乔老师设计了“静电屏蔽”的分组实验，让学生将验电器放在带电导体球形成的电场中，由于静电感应验电器的金箔张开；而当验电器被金属笼罩上后，验电器的金箔立即闭合。通过实验帮助学生建立“静电屏蔽”的概念，这种构建概念的过程形象生动易于理解。这时，再次打开引入新课时的视频，让学生解释：为什么踩在高压线圈上的发生尖端放电的演员，相互之间加了上万伏的高压，却安然无恙？学生顺利地做出了解释，并对“电击汽车”“高压防护服”等现象及应用实现了理解，体会到物理学习意义和作用。这种安排“首尾呼应”，解决了课前引入时学生的“悬念”。

乔老师这节课通过设计精彩的实验，让学生观察、思考、动手实验，极大地丰富了学生的体验，提升了学生的素质，体现了新课程理念，是一节成功的物理课！

G633.7

A

1005-6009（2017）59-0044-03

1.乔兰，南京外国语学校（南京，210008）教师，一级教师；2.姚小琴，南京外国语学校（南京，210008）教师，高级教师，江苏省特级教师。

（推荐人：姚小琴）