学习进阶视域下高中物理概念类比优化策略探讨——以“电场强度 电势”的教学为例

余科鹏 袁令民

(1. 四川省成都市实验外国语学校(西区)，四川 成都 610213；2. 四川师范大学物理与电子工程学院，四川 成都 610100)

近年来，学习进阶已成为科学教育界研究的热点。北京师大郭玉英教授团队提出的学习进阶层级模型，对中学物理教学改革提出了指导性建议。《普通高中物理课程标准(2017年版)》明确指出：教师在教学过程中要让学生体会建构物理概念模型的思维方法，教师引导学生经历物理概念建构过程和物理规律形成过程，是发展科学思维的重要途径。科学概念的学习进阶模型描述了学生在不同复杂度等级上的认知水平，作为科学教育的研究范式指导着教学改革。基于学习进阶层级模型，物理概念教学设计与实践对促进学生科学思维能力的发展具有极其重要的作用，现以“电场强度 电势”的教学为例，运用学习进阶层级模型，探讨电场强度、电势概念的建构策略，促进学生科学思维能力的提升。

1 学情分析

在“电场强度 电势”的教学中，教师多采用类比法，将场强E、电势φ分别与重力场中重力加速度g、高度h相类比，进而让学生掌握电场中场强、电势的分布规律。学生在类比过程中未能思考并解决以下问题：为什么能够类比？如何类比？因此，这样的教学并没有让学生经历概念建构的思维过程，不利于学生科学思维能力的培养，导致学生对场强与电势两概念之间的关系认识不清，存在以下错误认识：电势为0的地方场强也为0；场强为0的地方电势也为0；场强相同的地方电势也相同；电势相等的地方场强也相同。

利用学习进阶层级模型可以帮助学生更好地建构场强、电势概念，理解两者之间的联系，避免学生对场强和电势概念的片面理解，有效避免上述错误认识的产生。

2 学习进阶层级模型

学习进阶是对学生在一个时间跨度内学习和探究某一主题时依次进阶、逐级深化的思维方式的描述，是随着教学的深入，学生对某一学习主题的思考和认识不断丰富、深入的过程。在学习进阶模型中，科学概念理解的发展层级为：事实经验、映射、关联、系统、整合。

基于学习进阶层级模型，笔者设计了场强与电势概念建构的具体教学流程(图1)。

图1

3 进阶步骤

在学习进阶层级模型中，电场强度与电势两概念的建构通过5个步骤依次进阶。

(1) 以事实经验作为进阶根基，分别从力的角度和能量角度认识场，场强与电势两概念描述了静电场的不同特征，说明两物理量之间存在一定联系；

(2) 运用学生熟悉的重力场的物理量类比静电场的物理量，体现两种场的物理特征的相似性；

(3) 以重力做功与重力势能变化为媒介，类比电场力做功与电势能变化，建立电场强度与电势能的联系；

(4) 建构电势概念，探讨电势差与电场力做功的关系，探讨电势差与电场强度的关系三个阶段，最终建立电场强度与电势两物理量间的联系；

(5) 在前面概念建构的基础上，将重力场与静电场进一步作类比，总结重力场与静电场同属“场物质”这一大概念下的相似特征。

3.1 事实经验——认识场

场概念是物理学的一个重要概念，是自然界除实物以外物质存在的另一种形式，虽看不见、摸不着，但却真实存在，可从以下两个角度对电场概念进行建构。

(1) 力的角度

由于处于电场中的电荷会受到静电力，所以可从力的角度进行研究。研究方法是：① 研究同一电荷在电场中不同位置的受力情况；② 研究不同电荷在电场中同一位置的受力情况。③ 研究上述两种情况中电荷在电场中所受的静电力特征，进而引入对应电场力性质的物理量——电场强度，它表示场中某位置对单位正电荷的作用力大小和方向。

(2) 能量角度

在研究静电力做功特点的过程中，发现做功的多少与电荷运动的路径无关，仅与电荷在电场中的始、末位置有关，从而引入电势能的概念。电势能是反映电荷在电场中所具有的能量，表征了电场的能的性质，可类比电场强度建构电势的概念。

从对电场的描述可以发现，场的概念建构如图2所示。场强和电势分别描述场物质的力的属性和能的属性，它们之间是否存在联系？

图2

3.2 映射——引力场映射静电场

物体之间由于相互作用而存在的物质称作引力场。由于场是自然界中的一类物质，引力场与静电场特征相似，因此，可将静电场与引力场各物理概念作类比(表1)。

表1

3.3 关联——重力场做功关联静电场做功

地球重力场是在地球周围分布的一种场物质，所以在认识重力场后，依据功是能量转化的量度，可找到将场强(力的角度)与势能(能量角度)相联系的媒介——做功。在重力场中，当物体的高度发生变化时，重力做功，重力势能发生变化：物体被举高时，重力做负功，重力势能增大；物体下降时，重力做正功，重力势能减小。因此重力势能与重力做功密切相关，认识重力势能不应脱离对重力做功的研究。

如图3甲所示，设一个质量为m的物体从与地面高度为h1的位置A,竖直向下运动到高度为h2的位置B，重力做功WG=mgΔh=mgh1-mgh2；再看另一种情况，质量为m的物体沿着斜面向下运动到B′(图3乙)，高度由h1降为h2，沿斜面下滑距离L，在这个过程中，重力做功WG=(mgcosθ)l=mgΔh=mgh1-mgh2。研究表明：物体运动时，重力对它做的功只跟它的起点和终点位置有关，而跟物体运动的路径无关。

图3

类比重力做功，在静电场中，电势能与电场力做功也与之类似，认识电势能也不应脱离对电场力做功的研究。如图4甲所示，设在电场强度为E的匀强电场中任取A、B两点，把试探电荷q沿两条不同路径从A点移动到B点，计算两种情况下静电力对电荷所做的功。

首先把q从A点移动到B点，此过程q受到的静电力F与位移夹角始终为θ，静电力对q做功WAB=FcosθsAB=qEcosθsAB=qEsAM，再把q沿折线AMB从A移到B，在位移AM方向上，静电力对q做功WAB=qEsAM，在位移MB方向上，由于移动方向跟静电力方向垂直，静电力不做功，则WMB=0，故在q沿折线AMB移动的过程中，静电力对q所做的功WAMB=WAM+WMB=qEsAM,所以静电力对q在以上两种不同路径上的做功相同。另外，还可以使q沿任意曲线从A移动到B(图4乙)，这时可把曲线分解成无数小段，各小段沿垂直电场方向静电力不做功，各小段沿电场方向移动的距离之和为sAM，因此q沿任意曲线从A移到B静电力做功也是WAB=qEsAM，可见不论q经由何路径从A移到B，静电力做功相等，因此，电荷在匀强电场中移动时，静电力所做的功与电荷起始位置和终止位置有关，与路径无关，可以做功为媒介将电场强度与电势能建立关系。

图4

3.4 系统——建立电场强度与电势的联系

(1) 建立电势概念

通过对静电力做功的研究，认识了电场强度和电势能之间的关系。现在通过对电势能的研究认识另一个物理量——电势，它同样是表征电场性质的重要物理量。

图5

(2) 建立电势差与电场力做功的联系

(3) 建立电势差与电场强度的联系

通常用电场线和等势线分别描述电场强度和电势，电场线和等势线的疏密存在对应关系，表明电场强度与电势之间存在一定的联系。以匀强电场为例讨论它们之间的关系。如图6所示，在电场强度为E的匀强电场中，电荷q从A移动到B，根据静电力做功W与A、B两点的电势差UAB的关系，得：W=qUAB。

图6

3.5 整合——重力场与电场的类比

由电场中电场强度、电势的关系，可对重力场与匀强电场中各物理量进行类比(表2)，帮助学生进一步加深对重力场和电场的理解。

表2

4 结语

在学习进阶层级模型视域下，将电场强度与电势两概念通过五个步骤依次进阶，使学生逐步形成静电场的物质观念、运动与相互作用观念、能量观念。基于经验事实建构物理概念，可帮助学生将抽象的场形象化，促进学生核心素养的提升。