基于递进式问题链和科学探究的物理概念教学
——以鲁科版新教材“电场与电场强度”教学为例

2023-01-29 01:24:40苏媛媛

物理教学探讨 2022年12期

苏媛媛

龙岩第一中学，福建龙岩 364000

随着新课改的不断推进，《普通高中物理课程标准（2017年版）》提出以学生发展为本，培养学生物理学科核心素养的要求。物理是一门以物理概念为基础，以物理定律为主干，各概念与公式定律间又共同构成一个严密逻辑体系的学科［1］。概念教学是培养学生科学素养的重要途径之一。传统的概念教学通常以教师讲授为主，大多只停于表面，学生参与度不高，效率低下。

如何以学生发展为本呢？1969年加拿大麦克马斯特大学的Barrows教授首创以问题为导向的教学方法 PBL（Problem Based Learning），即以学生为中心的教育方式，强调以学生的主动学习为主，而不是以教师讲授为主。PBL将学习与问题挂钩，使学习者投入于问题中，在问题的探究中掌握隐含的科学知识。问题导向教学法的精髓在于发挥问题对学习过程的指导作用，而递进式问题链是根据事物之间的内在联系提出一系列由浅入深的问题［2］。本文即以鲁科版新教材“电场与电场强度”教学为例，设计基于递进式问题链和科学探究的教学过程。

1 教材分析与教学策略

静电场是整个高中物理电磁学的基础，“电场与电场强度”是鲁科版高中物理必修三第一章第3节的内容。本节内容是在学生学习了“库仑定律”的基础上提出“电场”的概念，从电荷在电场中受力的角度研究静电场力的基本性质，场强是描述电场力的性质的物理量，用比值法定义场强对后续电势、电容和磁感应强度等概念的学习有着重要的意义。

学生通过前面的学习，从初中物理的定性分析上升到高中物理的定量讨论，从形象思维上升到抽象思维，具备一定的观察和分析能力。但是，利用所学知识创造新概念，通过现象分析得出理论的能力还有待进一步提高。因此，本堂课利用演示实验引导探究，通过设置问题链促进学生深层次思考，体验概念的建立过程，圆满完成学习任务。

2 教学设计与实施

2.1 创设活动情境，引出前人探索的历程

活动1：给你两根吸管、细线、挂钩、铁架台，如何让吸管转起来？（要求：两吸管不能直接接触，不能用嘴吹气）

学生活动：细线的一端固定在铁架台上，另一端拴在挂钩上。两根吸管与头发摩擦后，将其中一根吸管置于挂钩上，用另一根吸管靠近时，挂钩上的吸管被排斥而转起来。

问题1：仔细观察同学的操作，结合前面学习的内容，解释他是如何做到的？

活动1和问题1设置的目的是通过课前游戏，激发学习兴趣，让学生直观认识到有些力的产生不需要直接接触，引导思考“非接触力是如何传递的”，进而介绍相关物理学史，了解人类认识物理规律的历程，感受科学家们对真理的探究精神，体现“从生活走向物理”的理念。

2.2 创设实验情境，体验科学探究过程

探究一感受电场的存在

活动2：给金属球通电。

问题2：金属球周围是否有电场？

问题2.1：电场看不见、摸不着，如何知道它是存在的呢？

问题2.2：例如，我们坐在教室里，知道外面起风了，你是怎么知道的呢？

问题2.3：这给我们提供了一种什么样的研究方法？为了证明电场的存在，我们可以怎么做？依据是什么？

问题2.4：对放入电场中的试探电荷有什么要求？

问题2及其子问题的目的：

①引导学生认识：对于无形的物质，我们可以借助外物间接研究。教学中用学生熟知的无形的风进行类比，给学生充分的想象空间，便于学生理解抽象的物理概念（电场）。

②按照学生的认知规律，通过层层追问，结合实物，让学生理解并掌握电场的基本性质以及场源电荷、试探电荷等概念，促进学生建立并理解抽象的物理模型，提升其思维品质。

活动3：让泡沫小球带上电荷，用绝缘细线拴住泡沫小球放入电场。

问题3：仔细观察并解释现象。

问题3.1：将泡沫小球（试探电荷）放在金属球周围，你观察到什么现象？得出什么结论？

问题3.2：将泡沫小球（试探电荷）放在金属球不同距离处，你观察到什么现象？得出什么结论？

问题3.3：是不是说明试探电荷受电场力越大，对应位置的电场就越强？

实验是物理学科的特点，该部分内容采用教师演示、学生观察的方法，引导学生思考问题3、问题 3.1和问题 3.2，旨在引导学生认真观察，培养他们通过现象分析问题的能力，使他们认识到：①金属球周围有电场，细线偏角方向不同（试探电荷受力方向不同），即电场有方向（矢量性）；②试探电荷在不同距离处细线偏角不同，受力大小不同，即电场有强弱。问题3.3的出现引发学生认知冲突，触发进一步思考，提升其思维品质，也为下一阶段的实验探究埋下伏笔。

活动4：利用现有的器材，设计实验方案，探究电场强弱与电场力的关系。

问题4：你们组的观点是什么？如何进行实验？（学生分组讨论，汇报成果）

“科学探究”是物理核心素养的重要组成部分，它注重过程和体验，能够培养学生勤于探究、乐于思考的意识和习惯，能够有效帮助学生建构物理概念和规律［3］。该部分内容采用学生分组讨论，小组代表上台阐述并进行实验操作的方式，学生设计的实验方案如表1所示。旨在引导学生树立实验目的的意识，培养实验设计的能力；小组讨论的方式大大提高了课堂效率，培养学生合作互助的意识；小组间交流意见，鼓励组内代表阐述自己的观点，提高语言表达能力，在互助合作中提升科学探究能力；小组代表上台实验操作，教师根据表述情况及时提出问题（例如，如何获取不同的试探电荷？——接触法，分走部分电荷；如何控制电场中的同一点？——用筷子记录电场位置等），引导学生正确操作，锻炼动手实验能力的同时，培养分析问题的能力和严谨的科学态度。活动4及其探究过程引发学生深层次的思维冲突，推进下一阶段的理论探究。

表1 实验方案设计

问题5：试探电荷受到的电场力能不能反映该处电场的强弱呢？我们从理论上进一步推导。

问题5.1：如图1所示，已知真空中点电荷Q的电场中，距离场源为2r和r处有A、B两点。①将试探电荷q放在电场中不同点（A点和B点），设它在A点所受电场力为F，则它在B点受到的电场力是多少？②试探电荷电量分别为2q，3q，4q时，在A点受到的电场力是多少？③B点处放入不同的试探电荷时的受力分别是多少？

图1 理论推导模型

学生分析，得到结论，如表2所示。

表2 分析结论

问题5.2：结合表1、表2，你能得到什么结论？

引导学生得到如下结论：

①结合实验1，纵向分析表格，说明同一试探电荷放在电场中的不同点受力不同，受力大，对应的电场强（同一试探电荷受力不同，是电场本身强弱引起的）——离场源电荷越近，电场越强。

②结合实验2，横向分析表格，电场中同一点，不同试探电荷受到的电场力是不同的（某点的电场强弱是确定的，试探电荷受力不同是带电量不同导致的）。

问题5.3：如何消除试探电荷带电量的影响？

问题5的设置是在学生充分了解现象的基础上进行的理论推导（首先进行库仑定律的简单应用，然后通过层层设问引导学生学会分析数据，通过数据看到隐藏其中的物理规律，从而得到结论：这一比值反映的是电场自身的属性，其大小反映电场的强弱，与引入的试探电荷无关）。在实验探究的基础上进行更高级的理论探究，设置问题层层递进，教学过程中传递了丰富的科学思想和方法，逐渐建构出“场强”这一概念，概念、定义式等的得出水到渠成，便于学生理解和接受，从而实现本堂教学目标的达成。

问题6：我们还学过哪些物理量是用比值法定义的？

问题6.1：某同学由场强定义式得出“场强的大小与试探电荷所受的电场力大小成正比，与其电荷量成反比”，这个观点对吗？

用比值定义物理量是物理学中常用的一种方法（比如密度、场强、速度、比热容等），就是用两个基本物理量的“比”来定义一个新的物理量，其特点是该比值反映的是自身的属性，它不随所用物理量的大小取舍而改变（比如，电场中某点的场强不随试探电荷q及其受力F而改变）。该部分设置意在加强学生对比值法的理解，寻找此种方法定义的物理量的共性，开展类比，促进学生思维提升和知识的迁移，在类比中加深理解。

问题7：有同学认为，场强方向就是试探电荷受力的方向，你觉得对吗？

问题7.1：场源电荷＋Q，电场中A点处放入正的试探电荷（图2），判断试探电荷受力方向。

问题7.2：场源电荷＋Q，电场中A点处放入负的试探电荷（图2），判断试探电荷受力方向。

图2 试探电荷受力方向判断

问题 7.3：场源电荷＋Q（图 3），判断电场中 A点的场强方向。

问题 7.4：场源电荷-Q（图 3），判断电场中 A点的场强方向。

图3 场强方向判断

问题7.1、问题7.2让学生在应用所学知识的基础上发现问题，从而明确为什么要对场强方向进行规定，说明场强与试探电荷电性、电量无关；问题 7.3、问题 7.4加强学生对“场强反映自身属性”这一特性的理解。

问题8：如图4所示，真空中A点处有一点电荷Q，距此点距离为r的B点处放入试探电荷q？已知静电力常量k，求：

图4 例题图示

（1）试探电荷受到的电场力；

（2）B 点处的场强 EB。

适时呈现例题，让学生体验物理规律的应用，及时发现其中存在的问题，要求学生作答规范，提高解题能力；通过此题，学生根据所学知识（库仑定律和场强的定义式）推导出点电荷场强的决定式，知道公式的来龙去脉，明确其适用范围，提高理论与实践相结合的意识，培养其严谨的科学思维和推论能力。

问题9：以点电荷＋Q为中心作一个球面，球面上各点场强相同？

通过概念辨析，加强理解，明确不同公式的适用范围及相关物理量的意义，提高学生反思的能力，加强对物理规律及意义的深刻理解和掌握，对学生学习物理规律的内在建构过程和认知有重大意义。

3 结语