基于学习进阶的物理概念教学——以“电场强度”为例

(西南大学物理科学与技术学院，重庆 400715)

1 引言

物理概念教学是物理教学的基础,目的是使学生把握事物的物理属性或物理现象的本质特征。美国国家研究委员会(NRC)认为：学生在一个较大时间跨度内研究和学习某一主题时遵循连贯的、逐渐深入的思维路径。在物理教学中,恰当的学习进阶可以引导学生将学到的众多概念有效地组织起来,建构系统的知识结构;概念转变教学理论要求教师了解学生已有的前概念，并将其转化为科学的概念,但概念转变原理、策略、过程实施的前提是知道学生在哪里出错,将学习进阶和概念转变的教学理论结合起来，可以有效地帮助学生解决学习困难,形成正确的物理概念。

2 建立“电场强度”学习进阶的必要性

从教材角度来看,“电场强度”是本章的第三节,前两节分别是电荷及其守恒、库仑定律,这两节并没有涉及静电学的本质,从第三节才开始触及其本质：电场及其描述,是后面深入研究磁场以及电磁场的重要基础。从学生角度来看,学生在初中已经学过电荷以及电荷守恒定律的内容,也知道电荷间作用的规律,但这些仅是感性认识,并没有涉及电场等知识,所以本节的认知跨度较大,需要教师将概念转变与学习进阶的理论进行有效结合，帮助学生解决认知跨度较大带来的学习困难,建立正确的电场强度概念。

3 对“电场强度”进行进阶起点和终点的预判

笔者查阅了初、高中物理教材中电学相关内容,结合调查研究和实习经历,预判进阶起点为：知道电荷之间存在相互作用力,同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引,电荷之间力的大小满足库仑定律。

笔者研读了《高中物理课程标准(2017年版)》和高中物理教材,预判高中阶段的进阶终点为：理解电场是一种物质,理解电场强度是描述电场性质的一个物理量，会用电场强度解决电场的一些问题。

4 进阶水平的划分与教学活动设计

4.1 知道电荷之间的相互作用需要媒介(水平一)

4.1.1 教学活动

如图1所示，利用“探究影响电荷间相互作用力的因素”的实验装置,将丝线挂在C点,带正电的小球B由于受到带正电的小球A对其的排斥力，丝线会偏转一定的角度。

图1

师：为什么拴着小球的丝线会偏转一定的角度？

生：因为小球B受到小球A对它的排斥力。

师：我们发现这两个带电小球没有相互接触,那它们是怎么相互作用的？

生A：是不是和磁体之间的相互作用一样,尽管两个磁极没有相互接触,由于磁场的存在,磁体以磁场为媒介进行相互作用。

师：电荷之间的相互作用是需要媒介的,带电小球A周围存在一种特殊的物质,这种物质会对放入其中的带电小球B产生力的作用,这种特殊的物质就叫做电场。

4.1.2 教学分析

现代学习理论强调直觉在人的学习过程中的作用,《物理课程与教学论》一书指出：“物理概念教学中,要选取适当的实验和事例使学生获得必要的感性认识,亲历概念的形成过程”,教师通过实验使学生对电场产生感性认识,运用类比方法完成水平一的进阶任务。

4.2 知道引入电场强度的原因(水平二)

4.2.1 教学活动

师：带电小球A产生的电场会对放入其中的带电小球B产生力的作用,这是对电场的定性描述,如果要定量描述带电小球A产生的电场,我们应该从哪方面入手？

生：我们上一节课学习了库仑定律,库仑定律可以定量描述真空中点电荷之间的相互作用力,所以如果带电小球A和带电小球B可看做点电荷，可以通过定量计算带电小球B受到的静电力来定量描述带电小球A产生的电场。

师：我们可以通过下面的方案探究这个猜想的正确性。

要探究正点电荷的电场,点电荷叫场源电荷,放入其中的点电荷叫做试探电荷,在正点电荷产生的电场中放入正点电荷,利用控制变量法改变试探电荷的电荷量或位置，求出试探电荷所受到的静电力的大小,为避免试探电荷对原来的电场产生影响,试探的电荷电荷量和体积相对于场源电荷要很小。

实施方案：A、B为点电荷所产生电场中的两点,现将电荷量分别为q1和q2的试探电荷分别置于A、B两点,求它们在A、B两点受到的静电力的大小,完成表1的填空。

表1

师：同学们,你们从这个表格能看出规律来吗？

生：在同一位置试探电荷的电荷量不同,所受静电力的大小不一样;同一试探电荷在不同位置,所受静电力的大小不一样,所以用静电力定量描述电场有一定难度。

师：可以对这个表格进行小小的处理(如表2)。

表2

生：只要位置确定了,试探电荷所受的静电力与试探电荷的电荷量之比就是定值。

师：所以我们可以用它来表示电场的强弱,把它命名为电场强度,用字母E表示,大家要注意的是“电场强度”的概念虽然是我们从点电荷的角度出发得出的,但其思路也适用于其他电场。

4.2.2 教学分析

根据概念转变理论,当现有的概念不能解释当前出现的状况时,就会出现接受新的科学概念的契机,教师通过引导学生分析出试探电荷所受的电场力不能刻画电场强度,抓住学生概念转变的契机进行引导，使学生顺利达到水平二。

4.3 理解电场强度的定义方法及矢量性(水平三)

4.3.1 教学活动

师：定义电场强度的方法叫做比值定义法,请回忆在前面的学习中还有哪些物理概念是用比值定义法定义的呢？

生：电阻、密度。

师：因为电场强度是描述电场性质的物理量,可以类比密度是描述物体性质的一种物理量,虽然电场强度是用电场力和电荷量的比值进行定义的,但是电场强度只与电场本身的性质有关，与试探电荷所受电场力以及电荷量无关。

生：就像物质的密度与物体的质量以及体积无关、只与物体自身的性质有关。

师：不过电场强度与密度不同点在于,电场强度是一个矢量,某一点的电场强度的方向与在该点正电荷所受电场力的方向相同。

4.3.2 教学分析

实施物理科学方法教育是课程标准的基本要求,就本节课而言，学生对于电场从感性认识到理性认识是一个认知跨度较大的过程,需要教师重视物理科学方法的运用，以帮助学生形成关于电场强度学习的正确的思维路径。

4.4 掌握点电荷和叠加场的电场强度计算方法(水平四)

4.4.1 教学活动

例1:如图2所示,在正点电荷Q的电场中有一试探电荷q,已知q到Q的距离为r,点电荷Q对点电荷q的作用力是多大？Q在q所在位置产生的电场的电场强度是多大？方向如何？

图2

例2:如果再有一正点电荷Q′=Q,放在如图3所示的位置,q所在位置的电场的电场强度多大？

图3

4.4.2 教学分析

利用例题引导学生学会点电荷电场强度的计算方法,叠加场的电场强度的计算是对电场强度矢量性的应用,是对在水平三阶段已经获得的知识进行应用和拓展,是最近发展区理论在具体教学中的应用。

5 结语

根据学习进阶理论设计的“电场强度”教学方案在实际教学中收到一定成效,可根据学生的课堂表现，运用测试等形式，判断学生是否达到相应的进阶水平。

概念学习是物理学习的基础,教师在概念教学中要注意站在学生的角度,根据学生的认知发展规律,设计适合学生认知发展的学习进阶,引导学生建立良好的认知结构。