情境中類比 方法中建構

雍振華

摘 要：本節內容為高中物理“人教版”（選修3-1）第一章第三節，由于概念抽象構成本章教學的一個難點。為此，本文通過相似情境的類比，科學方法的探究和遷移，幫助學生形成了對電場強度概念的準確理解，并進一步強化體會物理研究中科學方法的應用。

關鍵詞：電場強度；情境；類比；科學方法

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）2-0065-4

1 教材分析

《電場》這一章教材試圖從力和能兩個角度來描述電場的性質。電場強度是本章描述電場性質的開始，同時，為后續相關物理量的建立奠定基礎。教材試圖從力的特性入手，通過比值定義法建立對電場強度的概念的定義。但是，在建立的過程中有較多的邏輯缺陷。例如：教材中強調電場力F與試探電荷電量q的比值大小與試探電荷無關，但為何這個比值就一定與電場有關？再者，為何一定要用電場力F與試探電荷電量q的比值而不能是其他？這些困惑都讓學生對電場強度的概念的準確理解構成了障礙，這些問題的解決也構成了本節教學設計的基本方向。

2 學情分析

電場之前，學生在初中就已經學習過類似的磁場。但是，初中對磁場的描述多從形象、定性的角度進行闡述。高中《電場》這一章則不同，一方面對形象化的描繪磁感線的方法進行了繼承，另一方面通過對電場性質物理量的建立，更加科學、準確地完善了對場的認識。同時，也造成了學生學習的難點。

在日常生活中，學生對電場并沒有直接的接觸。所以，直接討論電場對于學生來說過于抽象。為此，本文以“風場”作為類比引入，學生有切身感受，形象貼切。隨后，通過對“風場強度”定義的討論和探究，讓學生深刻地體會到采用比值定義法的正確性和科學性，進而通過對該方法的遷移和關系的類比，形成對電場強度概念定義的真正理解和突破。隨后，點電荷的場強依舊是教學的難點，學生易把對該公式的理解和電場強度的定義式形成混淆。這里同樣采取情境類比的方法，通過學生對火堆周圍輻射熱強度的經驗感受，對點電荷的場強特征進行猜想。然后，讓學生自主推導，通過結果進行驗證并形成準確理解。

3 教學重、難點

1）電場強度的定義和理解

2）點電荷場強的理解和應用

4 學習目標分析

4.1 知識和技能

1）知道電荷間的相互作用是通過電場實現的。知道場和實物是物質存在的兩種不同形式。

2）理解比值定義物理量的方法，理解電場強度的定義公式、單位、方向。

3）能推導、理解點電荷的場強公式并簡單應用。

4）知道電場線的定義和特點。

4.2 過程與方法

1）通過情境類比，讓學生體驗到事物間的相似性。

2）讓學生經歷電場強度定義的探究過程，培養學生對科學方法的應用意識和遷移意識。

4.3 情感、態度和價值觀

1）通過對魔術原理的猜想，培養學生正確的科學認識觀。

2）讓學生經歷探究過程，體會科學研究的嚴謹性、科學性。

3）讓學生由生活中的例子了解電場的特性，激發學生對科學的興趣和熱情。

5 教學策略

5.1 教學方法

1）魔術視頻引入，吸引學生的興趣，鋪墊“場”的概念。

2）創設類比情境，探究科學方法。

3）學法：師生互動，學生分組討論、合作。

5.2 教學資源

魔術視頻，“電場強度”PPT。

6 教學過程

6.1 魔術引入，滲透科學思想

觀看視頻，魔術——“隔山打牛”。

教師：同學們都相信科學，這個表演當然不是特異功能，而是魔術。換句話說，一個物體能否真的跨越空間，直接對另外一個物體施加力的作用呢？

生：不能。

教師：很好！其實，我們的物理大師也有相同的思想。

引出“電場”概念。

學生分析A、B電荷間的作用過程（圖1）。

教師補充，并把電場與實物做對比，總結場的特征。

圖1 A、B電荷間的作用

【設計意圖】：以魔術視頻作為課堂引入，一方面抓住了學生的注意力，另一方面滲透了正確的科學認識觀。同時，也為場概念的引入做了很好的鋪墊。

6.2 建構“電場強度”概念

6.2.1 研究電場的方法：試探電荷

教師引導：同學們看窗外，外面正在刮風，我們是怎么知道的呢？

生：樹葉在飄動。

教師引導1：很好！風和電場一樣都看不見，我們姑且也給它取個類似的名字叫“風場”。樹葉飄動顯然是受到風場對它的力的作用，進而體現了風的存在。

教師引導2：電場也看不見，你覺得可以用什么方法，研究這個看不見的電場呢？

生：在電場中放入一個電荷，通過它的受力來研究它。

教師：由于這個電荷是用來檢驗這個電場的，我們把它叫做“檢驗電荷”或“試探電荷”。

引導學生總結方法：當一個事物我們無法直接研究時，可尋找另一個與之關聯的事物，間接地研究這個事物的特征，如同“聲東”其實“擊西”。

教師提問：由于是檢驗電荷，換句話說，我們需要用它來檢驗電場中不同位置的特征，同時，這個檢驗電荷又不能影響原來電場的分布，你覺得這個檢驗電荷需要滿足什么條件？

生討論得出：電荷要足夠小，這樣研究的就是某一點的場強；同時，電量要小，這樣不影響到原來電場的分布。

【設計意圖】：如何對看不見的場進行研究，教師沒有直接從電場對電荷的靜電力開始，而是從學生熟悉的風出發，讓學生了解到通過事物間的關聯由一方研究另一方的科學方法。然后，自然地把這種方法遷移到電場上，這樣就解決了為何引入試探電荷的問題，同時滲透了科學方法的教育。

由于有之前風中樹葉的鋪墊，隨后試探電荷的引入就較親切自然。通過對試探電荷要求的思考，讓學生感受到測量對象與研究對象之間需要滿足的條件，進而了解理想模型的建立依據與過程。

6.2.2 “風場強度”概念的建立與定義

教師：風有強弱，我們經常用風是幾級來描述。那么，電場完全相同，也有強弱，我們用“電場強度”這個物理量來描述，符號為E。問題是我們怎么知道電場中不同點的強弱呢？

生：用檢驗電荷所受的力來判斷。

教師：你是怎么想到的呢？

生：物體在風中受到風力，通過風力可以判斷風的強弱。

教師引導1：這位同學提到似乎可以用風力來直接表示風的強弱，你覺得有問題嗎？

生：不可以！因為一個面積很大的物體在風較弱時受到的風力，可能比一個面積較小的物體在風較強時所受的風力還大。

教師引導2：換句話說，一個物體所受的風力除了與風的強弱有關，還與物體的面積（迎風面積）有關。

師板書：F=kSD。

這里：k是比例系數，S是迎風面積，D是風的強度。

為了研究問題的方便：這里的比例系數k取1。

教師引導提問：如果用兩個物體來檢驗風場中兩個不同位置處風的強弱，你覺得這兩個物體應該有什么要求？

生：兩物體的迎風面積要一樣。

師板書：A、B兩物體，S同，F大則D大。

教師提問：如果兩個物體迎風面積S不同，又該如何比較兩個位置D 的大小呢？

教師呈現表格，引導學生分組討論，并完成表1。

表1 D與F、S的關系

學生小組匯報討論結果：

可取風力F與迎風面積S的比值，

A物體： = =20 N/m2；

B物體： = =30 N/m2。

所以：B物體處的風強大于A物體處的風強。

學生解釋比值的含義及這樣操作的原因。

教師引導學生總結：

1）由于風力F與風強D、迎風面積S都有關，在研究D與F關系時采用了控制變量的方法。

2）采用比值定義法可得到相同迎風面積下的風力，從而比較風強大小。

【設計意圖】：電場強度的定義是本節的重點也是難點。問題的關鍵在于，比較電場強度必須選取同樣的標準，而比值定義法實現了對變量的控制，這正是比值定義法存在的合理性與科學性，也是理解電場強度定義的關鍵。由于從事物的特征、對方法的運用上“風場”與電場具有很大的共性，同時，學生對風有切身的體會，以“風場”作類比，通過對“風場強度”定義的討論贏得了后續對電場強度的難點的突破。

6.2.3 “電場強度”定義的建立

教師：基于前面的經驗，電荷在電場中的電場力與哪些因素有關？

生：電場強度E和電荷的電量q。

教師提問：1）這里的E、q與之前討論風力中的哪些物理量有對應關系？

2）如何定義電場強度的大小？

學生分組討論，并完成表2。

表2 風場與電場

學生匯報并說明理由：

1）檢驗電荷電量q與迎風面積S對應，電場強度E與風強D對應。

2）可用電場力與電荷量的比值定義電場強度E的大小，E= 。

教師補充電場強度的相關性質。

【設計意圖】：通過對“風場強度”的探究，再過渡到電場強度就非常容易，通過學生交流討論和教師點撥可以很快完成。這樣既完成了電場強度概念的準確建構，同時也實現了方法的遷移。

6.3 點電荷的場強

6.3.1 建立圖景，猜想要素

教師引導，學生猜想：同學們野炊時會點火堆燒烤、取暖，在火堆的周圍你會感覺到火堆產生的熱浪，你覺得這里火堆輻射熱的強度與哪些因素有關？

生：火堆的大小和離火堆的遠近。

教師：很好！剛才的經驗給你什么啟示？

生：點電荷Q產生的場強與點電荷Q的大小及離點電荷的距離r有關（圖2）。

圖2 點電荷的場強

6.3.2 自主證明，驗證比較

教師：這是同學們的猜測，請你利用電場強度的定義式證明。

學生自主推導公式：

E= = = 。

（下轉第70頁）

（上接第67頁）

學生上黑板展示，教師點評，學生完成表3。

表3 電場強度

【設計意圖】：點電荷場強的教學可看做是對電場強度定義的應用和鞏固，教師同樣以學生有切身經驗的火堆為例，先讓學生從事物之間共性的角度去猜想。然后，再讓學生進行自主推導。這樣，一方面對猜想進行了驗證，另一方面也實現了對點電荷場強公式的準確理解。

6.4 電場線的特征

教師：初中我們學過用磁感線來描述磁場的強弱與方向，這里類似也可用電場線來形象地描述電場的強弱與方向。

學生自學，閱讀課本相應章節，教師引導學生總結電場線的基本特征并分析點電荷、等量同種電荷、等量異種電荷電場線的分布情況。

7 板書設計

（一）電場

1.電荷的周圍存在電場。

2.電場與磁場互相聯系，統稱為電磁場。

（二）電場強度

1.電場強度：檢驗電荷所受電場力F與檢驗電荷電量q的比值。

2.公式：E=。

3.單位：N/C或V/m ，即1 N/C=1 V/m。

4.電場強度是矢量，物理學規定，場強方向與放在該點的正電荷受力方向一致，與放在該點的負電荷受力方向相反。

（三）點電荷的電場

1.公式：E=。

2.場強疊加原理。

（四）電場線

8 教學反思和評價

關于場的了解，學生的先前經驗中只有對于磁場及磁感線的相關描述。電場雖與磁場類似，但電場強度是學生第一次從物理量的角度來準確描述場的特征，缺乏相應的知識經驗。同時，由于場的不可見性，以及課本本身表述邏輯的缺陷，造成學生學習有較大的困難。

本節課從類比中突破，在方法中遷移，突破了教學難點。同時，通過多種科學思維方法的滲透和教學，對提高學生的科學素養起到了很好的作用。

參考文獻：

[1]吳文明.“電場強度”教學中進行科學方法教育的案例分析[J].物理教師，2009，（6）：26.

[2]張大昌.物理（選修3-1）[M].北京：人民教育出版社，2013.

[3]朱建廉.關于“磁感應強度”的教學案例及評析[]J.物理教師，2013，（4）：31.

（欄目編輯 鄧 磊）