新高考改革模式下的高中物理教学设计——以“电场中的导体”为例

福建 林厦门

目前新高考综合改革正在有序推进，但相应教学方式的变革却相对滞后，不利于学科核心素养的落实。新课标要求：通过多样化的教学方式，利用现代信息技术，引导学生理解物理学的本质，整体认识自然界，形成科学思维习惯，增强科学探究能力和解决实际问题的能力。本文以高中物理鲁科版教材“电场中的导体”为例，尝试结合“希沃系统”授课软件，将教学与信息技术有机融合，促使学生学习方式的转变，落实学科核心素养。

一、教学目标

1.物理观念目标：理解场强叠加原理和静电平衡的特点；知道静电屏蔽现象及其应用。

2.科学思维目标：通过观察演示、分组实验及对实验现象的分析推理，培养学生科学推理、迁移、质疑等能力。

3.科学探究目标：经历实验探究过程，掌握科学的研究方法。

4.科学态度与责任目标：通过对实验现象观察和分析推理，培养学生科学的研究方法、严谨的学习态度和实事求是的科学精神。

二、教学思路

图1

三、教学过程与分析

新课导入：播放飞机遭雷击的视频。

问题情境：飞机遭遇雷击，为何能全身而退？

教学分析：好的新课导入是知识被学生良好吸收的开端，通过本节的学习即可知其所以然。

设计意图：巧设悬念，激发学习兴趣。

任务1 场强叠加原理

问题情境1：如何求几个力的合力？场强的叠加如何求解？

教学分析：力和场强都是矢量，两者均遵循平行四边形定则。

设计意图：渗透科学的研究方法——类比法，同时自然过渡到场强叠加原理。

问题情境2：如图2是人教必修课本图1-37，如何求解等量异种电荷连线中垂线上P点的合场强E？有什么技巧？给同学们1 min讨论。(用“希沃”抽号小程序，请学生说题)。

图2

设计意图：设置学生说题环节，充分体现以学生为主体的课程理念，养成科学的思维习惯，落实解题技巧。

任务2 静电平衡

问题情境1：将视频中的飞机等效为一金属块，闪电等效为外电场，那么，放入外电场中的金属导体会出现什么情况？导体上自由电荷最终会怎么样移动？给同学们2 min讨论(“希沃”显示倒计时)。

教学分析：如图3所示，当导体置于外电场中，自由电荷受外电场力作用定向移动，使电荷重新分布，在导体内产生感应电场。感应电场与外电场反向叠加，随着电荷的定向移动，导体中的合场强越来越小，直至为零。此后电荷不再定向移动。(播放静电平衡过程中内部电荷移动的“希沃”动画)

设计意图：渗透等效思想，自然过渡到静电平衡的教学，引导学生分析推理，培养推理能力和建模能力。同时通过动画增强学生的感性认识，激发学习兴趣。

问题情境2：请学生讨论归纳什么是静电平衡以及处于静电平衡的导体有哪些特性？请小组代表发言(“希沃”抽号小程序)。

归纳如下：

(1)静电平衡：导体中没有电荷定向移动的状态。

(2)静电平衡下导体的特性：

①导体内部合场强处处为零；

②净电荷只分布在导体外表面。

教学分析：鲁科版教材对物理概念的表述有些欠缺，如静电平衡的定义：导体中没有电荷移动的状态。导体中的电荷是会移动的，如电子绕原子核的运动，因此，应强调“定向移动”。

设计意图：提醒老师们在备概念课时最好借鉴其他版本的规范表述，避免学生进入思维误区，有助于培养学生严谨的科学思维。

问题情境3：能否用反证法加以分析说明？(教师适当引导)

教学分析：若导体内部有净电荷，净电荷周围将有电场，电荷将发生定向移动，这时的导体就不是静电平衡状态。

设计意图：通过理论推理，培养学生科学思维方法，以及严谨认真的学习态度。

问题情境4：能否设计一个实验来探究导体静电平衡时的特性？

分组实验：如图4是历史上著名的法拉第圆筒实验，用起电机让圆筒A带电，请根据以下几个问题，边思考边实验。

图4

a.如何判断筒A是否带电？

答：观察A中箔片是否张开。

b.如何探究筒A外壁是否带电？

答：让不带电的验电球B分别与筒A外表面和不带电的验电器金属球C反复接触，实验现象是：A中箔片张角逐渐变小，而C的箔片张角逐渐变大。说明A外表面的电荷不断被转移到C上，即A外表面带电。

c.如何探究筒内壁是否带电？

答：让不带电的验电球B与筒A内壁和不带电的验电器金属球C反复接触，若C金属箔不张开，说明A内壁不带电。

设计意图：苏霍姆林斯基说过：“成功的体验是一种巨大的情绪力量，它可以促进学生好好学习的愿望”。通过分组实验，让更多的学生亲身体验实验的魅力，感悟科学探究的过程，提高科学探究能力。

静电平衡的导体特性是本节的重点，为了深入理解其本质，有必要适当拓展。

问题情境5：静电平衡的导体表面电场线分布特点如何？移动电荷电场力做功如何？

图5

教学分析：先用“希沃系统”模拟导体表面的电场线分布，观察到的现象是：电场线与导体表面垂直。毕竟是模拟实验，学生还是将信将疑。不妨也用反证法加以分析：若两者不垂直，如图5所示，电场沿表面有切向分量Ef，电荷将沿该分量方向发生定向移动，与静电平衡的定义矛盾。

所以静电平衡状态下导体的特性③是：导体外部表面上任意一点场强方向与该点表面垂直。

静电平衡导体内部的合场强处处为零，移动电荷时电场力不做功；又由于导体外部表面各处电场线与导体表面垂直，移动电荷时电场力也不做功；可知，静电平衡导体的特性④是：在静电平衡的导体上移动电荷时电场力不做功。

设计意图：特性③为特性④作了铺垫，有效降低了教学难度。同时，跳出教材适当拓展，有助于学生进一步理解静电平衡的本质，从而突出本节的重点。

任务3 静电屏蔽

问题情境1：既然静电平衡的导体内部合场强处处为零，如果将其内部挖空，导体外壳是否将对内部起到“保护”作用？

演示实验1：如图6静电屏蔽实验。请思考以下几个问题，边讨论、边观察。

图6

a.连接验电羽和起电机集电杆，摇动起电机，将会观察到什么现象？怎么解释该现象？

答：验电羽的羽条张开。原因是羽条带的是同种电荷相互排斥而张开。

b.用外表面粘有羽条的金属网罩住验电羽，将起电机集电杆与金属网罩相连，摇动起电机；再用金属链条连接金属网和网内的验电羽，重做实验，观察两次实验现象？请同学们先讨论，然后解释该现象？

答：观察到两次实验现象一样，都是网外表面的羽条张开，而网内的验电羽羽条没有张开，说明金属网罩起屏蔽作用，使内部的验电羽不受影响，故验电羽羽条不张开，同时也再一次说明电荷只分布在网罩外表面。

问题情境2：静电屏蔽可使外部电场对内部仪器无影响，但如果将源电荷置于空腔内，则对外界会有影响吗？

教学分析：如图7所示，空腔内、外表面会感应异种电荷，这时起屏蔽作用的是圆环处，故电场线只在圆环处断开，会对外界有影响。

图7

问题情境3：有办法让源电荷不影响空腔外界吗？

教学分析：如图8所示，将球壳外表面接地，则外表面的感应电荷与地球的负电荷中和，这样不仅不影响外界，外界电场也不影响壳内。

图8

设计意图：依托教材，但不拘泥于教材，对课本实验进行了改进，改用验电羽并巧设实验情境，实验效果更明显，并用理论加以分析，有效突破教学难点。

举例：法拉第曾经冒着被电击的危险，做了一个闻名于世的实验——法拉第笼实验。法拉第把自己关在金属笼内，当笼外发生强大的静电放电时，他并未受到任何影响。(播放视频——模仿法拉第笼实验)。

设计意图：发挥物理学史的教育功能，培养学生崇尚科学的责任意识。在物理教学中，每讲到一条物理规律，我们都会引导学生回溯该规律的来龙去脉，分析研究者探索过程中的艰辛，体会其中情感。

问题情境4：请同学们解释飞机遭遇雷击时，机内乘客为何安然无恙？

教学分析：当飞机遭雷击时，金属机身外壳起屏蔽作用，保护乘客的安全。

设计意图：首尾呼应，学以致用，进一步理解静电屏蔽的实质。

应用展示：将电脑主板和一段同轴屏蔽电缆用“希沃助手”的手机镜像功能投屏。

教学分析：让学生观察外面套有金属外壳的电脑主板部分零件和外面包着一层铜丝网的电缆，金属外壳和铜丝网都是用来防止外界干扰而起屏蔽作用的。

设计意图：在教学中适度运用融课手段，让教学与信息技术有机融合，更能引起学生心灵的震撼，体现了“从物理走向生活”的新课程理念。

实验演示2：用已剥去外包铅皮的高清数据线连接液晶显示器和展台内的分频器，然后手摇起电机，观察显示器；换用一条完好的数据线重做实验。

教学分析：观察到显示器由于受到干扰而不受保护立即变黑屏。连接完好数据线的显示器不受干扰而显示正常。

设计意图：加强理论联系实际，引导学生从“解题”向“解决问题”转变”。

四、结束语

教学过程的趣味性是提升课堂效率的重要因素，也是核心素养养成的重要诱因。本节课的成功之处是将物理学科核心素养的各个要素渗透到教学的各个环节，特别是“希沃系统”及融课手段的灵活运用，引起了学生的视觉震撼，加深了对静电平衡和静电屏蔽的理解，有效地突破了教学难点，体现了新课标提出的从“解题”向“解决问题”转变的理念。建议课堂容量要适宜，不要在一节课解决学生所有的疑惑，应注重课后留白，设置几个有深度的问题课后思考，让学生的学科核心素养真正落地。