“静电场”单元教学设计

廖军玲　陈忠

摘 要：本文以学习进阶为工具，围绕“物质观”“运动和相互作用观”和“能量观”整合电场教学内容，在分析实际学情基础上规划了单元学习过程.教学过程注重大情境的创设，以层层递进的问题设计引领学生自主思考和交流，促进学生形成解决电场相关问题的大思路，发展了学生的物理学科核心素养.

关键词：单元教学设计;电场;学习进阶;大概念

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）01-0017-05

作者简介：廖军玲（1977-），女，湖南耒阳人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理学科教学;

陈忠（1969-），女，北京顺义人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理学科教学.

1 单元教学设计指导思想

2017年版《普通高中物理课程标准》指出，物理课程的总目标是提高全体学生的物理学科核心素养，具体包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面.只有把课程目标的理念和要求、教学内容以及所体现的教学方法，转化为符合学生认知规律的教学设计，才能有效地达成课程目标[1].

围绕大概念组织教学内容，把教学内容按照一定的逻辑线索组织成由浅入深、由简单到复杂、带有层级的结构化教学素材，从整体上对单元教学进行有序设计，可以摆脱课时教学设计的局限性，从而有效地落实学科核心素养和课程目标[2].

2 单元教学内容分析

2.1 整合单元教学内容，梳理围绕核心概念的进阶图

本单元围绕电场这个核心概念，从物质角度理解电场，从相互作用角度用电场强度、电场线描述电场，从能量角度用电势、等势面描述电场，从而建立起与电场相关的物质观、运动及相互作用观和能量观.

“电场强度”和“电势”是本单元的两个重要概念.这两个概念的建立顺利与否，直接影响到学生对于“电场”这一核心概念的理解.

以学习进阶为工具对本单元教学内容进行梳理，将单元教学内容规划为五个逐步上升的层级，力图使学生对物质存在的形态认知从“实物”扩展到“场”，并通过电场强度和电势两个重要概念及其相关概念的学习，逐步丰富与完善学生对电场的认知.本单元具体内容进阶关系如图1所示.

2.2 挖掘隱性知识，规划学生思维发展的大思路

在围绕大概念组织教学内容时，更为重要的是逐渐形成解决问题的大思路（这里的大思路与学科核心素养中强调的科学思维和科学探究相对应）.因此，除了重视知识的内在逻辑和显性知识以外，还要重视挖掘出显性知识中隐含的物理学认知方式、思想方法、跨学科概念等隐性知识以及知识学习的素养发展价值.本单元知识蕴含的科学认知方式见表1.

3 学生学习情况分析

3.1 学生原有的认知基础分析

学生对于力和相互作用、能量概念初步理解，有朴素的物质观（实物粒子观）;学生对重力、重力势能的理解是帮助学生掌握好电场强度和电势能概念的基础.在初中，已经学习了磁场，对“场”这种物质有一定的感性认识.

学生对电荷和电流等概念比较熟悉，但对其微观认知方式不熟悉.对比值定义法有一定思维基础.

学生具有一定的科学推理和科学论证能力，了解科学探究的基本思路，但探究方法比较单一，探究时的思维深度较浅.

3.2 学习困难分析

（1）学生对于电场这一概念缺乏感性认识.在前面的重力和万有引力学习中，不强调场的观念，学生对场的认识只是局限于“磁场”的名称，对场没有具体形象的认识.因此，电场实际是学生到高中后正式接触的“场”的概念，学生缺乏完整的认知基础.

（2）学生思维能力和有限的教学设备及手段造成困难.本单元内容抽象，在教学中，帮助认识电场的形象化手段很少，学生很难直接在头脑中建立合理的物理图景.

（3）学生对于事物的因果解释缺乏耐心，关注表象和结论，不关注过程，对机理的深入理解缺乏耐心.

（4）学生学习知识缺乏“纵横”意识和能力.例如，对于电场强度是表征电场“力的特征”和电势表征电场“能的特征”这两个重要概念，如果不充分借助于前面重力场中概念的对比，学生常会只记住公式，并不理解本质.

4 单元教学目标

在分析知识内容层级的前提下，基于学习内容和学情的分析，制订单元教学目标如下：

（1）通过实验，认识各种静电现象;借助原子结构模型，了解电荷守恒定律;建构点电荷这一理想模型;探究真空中点电荷间相互作用力遵循的规律，体会探究库仑定律过程中的科学方法.

（2）知道电场是一种特殊物质，通过实验了解电场的基本性质是对放入其中的电荷有力的作用;从力的角度出发，建构并理解电场强度的定义式，体会比值定义法，理解电场线的提出是为了形象描述电场;能从电场强度的定义式推导点电荷的场强公式.

（3）从功能关系出发，建立电势能、电势、电势差的概念，通过对电势的定义，进一步了解比值定义法.理解电势能和电势在描述电场“能的性质”时的区别.

（4）从功能关系的角度理解匀强电场中电势差和电场强度的关系.通过类比理解电场强度反映了电势变化快慢.

（5）综合运用电场的概念，理解并掌握静电感应现象及其解释、带电粒子在电场中的运动、电容器等知识内容.

5 单元学习过程设计

单元学习过程包括：创设问题情景、知识内容安排、学科核心素养发展规划和学习方式指导等内容.单元学习过程前承教学目标，后接教学活动设计与策略选择，是单元教学设计的重要环节.本单元学习过程设计和策略选择见表2.

6 主要教学活动设计举例

本章的特点是概念多且抽象，为此，教学活动应从学生的认知基础出发，借助一系列问题，帮助学生经历概念的得出过程，真正理解概念建立的意义.下面以静电场中电场强度概念为例，展示教学活动的设计，思维流程如图8所示.

情境创设：如图9，场源电荷为点电荷，电荷量为+Q，在场中任意取两点A、B，它们距离场源电荷的距离分别为r1和r2，且r1

（1）试探电荷在A、B两点受到的电场力相同吗？

（2）能用检验电荷在电场中受到的电场力大小来表示电场中不同位置场的强弱的不同吗？为什么？

（3）如何引入新的物理量来描述场的强弱呢？

（4）空间电场不仅有强弱的不同，还存在方向，如何确定某点场强的方向呢？

（5）能否有更形象直观的方法来描述电场的强弱和方向呢？

（6）真空中有电荷量为 +Q的点电荷，求距离场源电荷r处该点的电场强度.

（7）真空中有电荷量分别为 +Q和 -Q 的两个点电荷，两者相距为r，试求两点电荷连线中点处的电场强度的大小.

（8）在兩点电荷连线中点处分别放置试探电荷+q1和-q1，两电荷受到的电场力相同吗？

7 单元学习效果反馈性评价

高中物理学业质量分为五级水平，既是指导学生自主学习和评价的依据，也是教师进行教学设计和学习效果评价的重要依据.其中水平4指出：能恰当使用证据证明物理结论;能对已有结论提出有依据的质疑，采用不同方式分析解决物理问题.本单元教学的重点在于学生从物质观、相互作用观、能量观等多角度全方位认识电场，因此在研究问题中采用什么方式解决问题是学生的困惑，解决该困惑的过程也有助于学生进一步理解静电场中各相关概念之间的区别与联系.因此可以通过一些典型问题对学生进行诊断性评价.例如，在静电场中存在普适结论：沿电场线方向电势降低;让学生可以通过多种方式加以证明.

如图10所示，AB为电场中的一条电场线上的两点，电场方向由A指向B，证明：φA>φB.

方法1：由电势的定义φ=εq出发，将试探电荷+q由A移至B，则电场力对试探电荷做正功.根据电场力做功与电势能变化的关系可得：电场力做正功，电势能减小，所以εA>εB，代入电势定义式有φA>φB.

方法2：比较两点电势的高低，可通过比较两点电势差的正负判断，由电势差定义式UAB=WABq，将试探电荷+q由A移至B，则电场力对试探电荷做正功，所以UAB>0，UAB=φA-φB >0，则φA>φB.

通过不同方法的推导证明，对于学生灵活运用本单元所学核心概念解决问题进行了检测与反馈，有助于学生对电场力做功与电势能变化的关系、电场力做功与电势差的关系、电势与电势能的关系等建构起概念联系网络图，理清各相近概念间的区别与联系.

8 单元教学设计反思

静电场部分的特点是相近概念多且抽象，从而造成学生学习困难较大.通过单元教学设计清晰地呈现了单元学习层级，伴随认知发展的素养发展规划，使得单元教学能按照一定的逻辑线索展开，在认知的水平上注意了由浅入深、由简单到复杂的特点，这样的单元教学不仅具有知识上的层级，而且具有一定的认知层级，有助于教师在教学中做到“心有全局”，改变了以往教学中碎片化的知识内容教学的现状.物理学科核心概念的形成不是一蹴而就的，而是通过大量具体概念的学习而逐渐深入的，因此单元教学设计也有助于学习过程中大概念、大思路的形成，有利于促进学生全面发展.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]张玉峰.以大概念、大思路、大情景、和大问题统领物理单元教学设计[J].中学物理，2020，38（05）：02-07 .

[3]张玉峰.基于学习进阶的单元学习过程设计[J].课程·教材·教法，2020（03）：50.

[4]张玉峰，玉林.基于核心素养的高中物理教学重难点突破[M].北京：北京师范大学出版社，2019.

[5]李春密.核心素养导向的高中物理教学设计[M].北京：北京师范大学出版社，2019.

（收稿日期：2020-10-20）