为思维而教 让物理课堂闪烁理性的光芒——以“静电现象的应用”教学设计为例

夏良英

(广东省深圳市龙华高级中学，广东 深圳 518109)

1 物理教学应关注教学重演律

苏霍姆林斯基说：“在人的心灵深处，有一种根深蒂固的需要，就是希望自己是一个发现者、研究者、探索者”。学生从“未知”到“真知”，需要经历一定的教学过程，而这一过程是以浓缩时空的形式，短暂而迅速地重演着人类漫长的认识发展历程，此即“教学重演”。如果把科学家从事科学研究的过程视为科学知识的原生产过程，那么，学生学习知识的过程可以理解为科学知识的再生产过程。学生学习物理的心理顺序差不多就是物理学家探索的历史进程，学生学习科学的进程可以看成是人类探索科学进程在认知意义上的重演。让学生体验科学知识的产生和发展过程，从而进一步加深对于科学本质的理解。在这一过程中形成物理观念，发展科学思维，在潜移默化中培养科学态度和责任，从而提升物理学科核心素养。

2 由为知识而教到为思维而教

物理中的“物”是事实证据，“理”是理性思维，实验是物理的根，思维是物理的魂。物理与生活密不可分，从生活中来，到生活中去，生活是物理之源。丰富的生活资源让物理教学内容更加丰富，独具匠心的实验探究让物理教学过程更加精彩，扎实的思维训练让学生智慧之门开启。认清物理学科本质有助于我们对物理教学的理解和把握，使得物理课堂教学具有浓浓的“物理味道”：生活味、探究味、方法味。

一位高中生写道：雾里学物理，雾里物理，物理太无理，勿理物理。为什么大多学生感到物理难学？目前普遍采用的教学方式是使知识重现，从中间教起，那么教师教的是结论，学生学到的是技巧。如果物理教学仅以知识为线索展开，容易导致教学设计聚焦于知识，专注于学生获得知识，而忽视物理课程对学生物理核心素养的培养。因此，必须把核心素养作为物理课程目标，将核心素养的培养落实于教学活动中。所以我们应倡导的是另外一种教学方式，是使知识重演，从开头教起，这时教师教的是思维，学生收获的是智慧。直接告诉知识，看起来可让学生在短时间内得到更多的知识，但却很难转化为解决问题的能力与智慧，也无助于提升他们的核心素养。

在课堂上，应在教师的引导下，放飞学生的思维，通过实验探究、团队协作来解决问题、掌握知识。教师在教学中要创设问题情境，让学生自主探索，创造实践机会，让学生动手体验，提供时间、空间，让学生交流分享、合作共赢。

3 “静电现象的应用”教学设计

学生通过前面内容的学习，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“静电现象的应用”是前面所学知识的综合，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。

3.1 新课引入

笔者截取“中国达人秀”卢驭龙表演的一段精彩视频，卢驭龙身着黑色披风登场，充满了神秘感，蓝色的闪电在他的手指上、宝剑上缠绕，甚至穿过他的身体接通了高台上的彩灯，以强烈的视觉冲击吸引学生注意力，激发他们学习的愿望。

3.2 探析“静电平衡状态”

3.2.1 研究静电平衡状态下导体电场的特点

(1) 理论分析

教师积极调动学生已有的知识储备，从理论上构建模型，带领学生一起探讨：把不带电导体放入电场会出现怎样的现象？

师：金属导体的微观结构如何？

生：从物质的结构来看，金属导体中有带负电的自由电子和带正电的晶体点阵。

师：导体处于电场中时自由电子会怎样移动？

生：导体中自由电子在电场力作用下将发生定向移动。

师：自由电子会在什么地方积聚？产生什么效果？

生：导体两端出现感应电荷。

师：电子积聚会出现怎样的结果？

生：感应电荷在导体中产生与外电场反向的附加电场。

师：最终出现什么现象？

生：感应电荷的电场增大到与外电场相等时，导体内合场强为零，自由电子不再发生定向移动。

通过推理分析得出达到静电平衡的条件：处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为零。

(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：感应起电机、平行板电容器、验电羽、金属笼、导线等。

在理论探讨得出静电平衡导体内部场强为零的结论后，设计了一个实验，把验电羽放在两个平行金属板中间，学生通过手摇感应起电机，验电羽飞起来，说明电场存在，然后用金属笼罩住验电羽，在金属笼罩的外面再放两个验电羽，让学生再手摇感应起电机，可以看到罩内的验电羽没有飞起来，而罩外的验电羽飞起来，说明内部没有电场，外部存在电场，从而进一步证明了静电平衡状态下的导体内部电场为零。

3.2.2 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？

对于静电平衡状态下导体电荷分布的特点，教师通过提问，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、平行板电容器、金属笼、静电传感器等。

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。用两个“数字静电传感器”代替传统的“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。当一名学生摇动起电机时，与起电机相连的金属笼也就带上了电荷，但学生们观察到金属笼内部传感器示数始终为零，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。这一现象充分证明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。

实验三：探究带电导体电荷分布的具体情况。

实验器材：感应起电机、侧面有钉子的金属罐、验电羽等。

为了进一步探究带电导体外表面上电荷分布的具体情况，在金属罐的侧面钉了一个钉子，在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，将金属罐用导线与起电机金属杆相连，摇动起电机使金属罐带电，让学生仔细观察现象，并让学生回答他们看到的现象：金属罐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。

3.3 静电现象的应用

3.3.1 静电屏蔽

实验器材：范氏起电机、大铁笼等。

打开范氏起电机的开关可以使得与之连接的铁球产生几万伏的高压，教师用连接范氏起电机的铁球靠近大的铁笼子，这时，在铁球和铁笼子之间，出现剧烈放电，有噼噼啪啪的声音并伴随着耀眼的火花。

师：现在谁敢进入这个笼子里呢？

有勇敢的同学举手，有点害怕又有些期盼，战战兢兢地进入了铁笼子。看见老师拿着铁球靠近笼子，这位勇敢的学生虽然面带笑容，但难掩紧张心绪。当铁球靠近铁笼子时，笼子里的同学紧攥着拳头，可以看出他非常紧张。他的紧张情绪也带动着全班同学，每个人都在关注着下一步的发展，学生们都已经进入了教师精心设计的情景中，激起了学生对新知识的浓厚兴趣。当放电完毕后，笼子里的同学平安无事，学生们悬着的心终于平静了下来。

师：你敢把手放在笼子表面上吗？

该学生有些恐惧地将手放在笼子上。教师再次使铁球和铁笼子发生剧烈放电，电火花就在同学的双手附近，但里面的同学却没有什么异常的表现，让学生分析笼子里的同学安全的原因，从而引导学生利用本节课所学知识，形成“静电屏蔽”的概念。

此时，再次出现引入新课时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，尝试分析卢驭龙安然无恙的原因，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，这种安排“首尾呼应”，解决了课前引入时学生的“悬念”。

3.3.2 尖端放电

实验器材：感应起电机、平行板电容器、酒精、棉花、铁钉、图钉、导线等。

师：同学们相信老师有超能力吗？不用打火机和火柴我可以把棉花点燃。

生：不信。

用两个导线分别夹在平行板电容器两个极板上，另两个极板分别连在感应起电机上，使上极板用磁铁吸住一根铁钉，把蘸有酒精的棉花放在下极板上，让学生手摇感应起电机，观察到棉花突然燃烧起来。

师：是什么导致了棉花燃烧？

生：在下极板和上方钉子之间发生了尖端放电现象，在放电过程中使得棉花温度升高，当温度达到棉花的着火点时便燃烧起来。

师：回答得很好，为了表示奖励，再给这位同学一次使用本仪器的机会。但当同学操作仪器，但棉花却没有燃烧。

师：同样是出现了剧烈的电火花，但为什么这次棉花没有燃烧？前后对比形成强烈的反差，激发认知冲突。学生检查出他做实验时棉花里藏有一颗尖端朝上的图钉。

师：为什么里面放上一个图钉后，棉花就不再燃烧了？

生：在棉花中放入图钉后，上端的钉子和下面的图钉尖端发生了尖端放电现象，而热量主要集中在图钉的尖端，所以棉花的温度并没有明显提高。

师：回答得非常好，换句话讲，就是因为图钉的存在保护了棉花。那么生活中有没有类似的应用呢？

生：避雷针，避雷针就是应用这一原理避免建筑物遭受雷击的。

“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。老师事先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。

师：为了保护房屋，我们应该怎么办？

生：放避雷针。

这时老师再拿出自制的避雷针(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。

4 结语

智力，通常称智慧，指学习、记忆、思维、认识客观事物和解决实际问题的能力，其核心是思维能力。郅庭瑾先生指出：“无论使学生‘学会生存’也好，‘学会学习’也好，只有学会思维，学会创造性地思维才是最核心和最首要”。美国教育大师杜威先生也指出：“学习就是要学会思维”。在物理教学中应提倡为思维而教，让物理课堂闪烁理性的光芒，提升学生的核心素养。