基于發展學生科學思維能力的教學設計

顧永晉

摘 要：在高中物理教學中，發展學生的科學思維能力是重要的教學目標之一，是提高學生學科核心素養的重要途徑。電場強度是高中物理中的一個重要物理量，但又非常抽象難以理解，對學生的思維能力要求高。本文以電場強度的教學設計思想為例，探討在課堂中如何培養學生的科學思維能力。

關鍵詞：發展 科學思維 教學設計

《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出：學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面。通過高中階段的學習，要求學生達到的科學思維目標是具有構建模型的意識和能力；運用科學思維方法，從定性和定量兩個方面對相關問題進行推理、找出規律、形成結論；具有使用科學證據的意識和評估科學證據的能力，能運用證據對研究的問題進行描述、解釋和預測；具有批判性思維的意識，能基于證據大膽質疑，從不同角度思考問題，追求科技創新。科學思維是核心素養的重要組成部分，如何在教學中培養學生的科學思維，是教師需要思考的教學策略。筆者以電場強度的概念教學過程為例，列舉培養學生科學思維的幾種途經。

一、設計思路

電場強度是一個用比值定義的物理量，它是用來描述電場的性質，而電場是看不見、摸不著的一種物質，學生很難理解。筆者通過類比、概括、抽象、邏輯推理等多角度設計活動過程，讓學生體會物理概念的形成過程，發展學生的科學思維能力。從學生已有知識的磁場知識的基礎上，類比推理得出電場的概念，并體會科學家提出這一概念的思想方法；從電場具有對位于其中的電荷有力的作用這一性質出發，提出研究電場的基本方法是在其中放入檢驗電荷；檢驗電荷所受到的靜電力能否用來描述電場，是鍛煉學生思維、質疑和推理能力的重要環節，教學中不能一代而過，需讓學生理解這一研究過程。

二、活動設計

（一）課前準備，布置預習作業

在初中我們學習過磁場的有關知識，磁體能使放在它周圍的小磁針發生偏轉，磁體和小磁針沒有接觸，他們之間為什么會有相互作用，教描述了磁場的概念。那是如何研究磁場的呢？類比思考：在上一節中我們學習了庫侖定律，實驗中，帶電體是如何使用細線懸掛的帶電小球產生力的作用的？

（二）新課教學——電場

學生活動1——小組匯報所預習的初中知識及思考，提出相關猜想。

【設計意圖】讓學生體會根據已有的知識進行類比，尋找事物的普遍聯系規律，激勵學生大膽猜想假設。

學生活動2——閱讀教材，科學家是如何提出電場這一概念的過程。

【設計意圖】讓學生了解法拉第，提高學習興趣，并體會科學家提出一種觀點所經歷的艱辛歷程。

問題1：法拉第首先提出電荷周圍存在著由它產生的電場，處在電場中的其他電荷受到的作用力就是這個電場給予的。請描述他的解釋？

【設計意圖】讓學生通過描述法拉第對電荷間相互作用的解釋，讓學生初步理解電場是如何對電荷進行作用的，即A電荷給B電荷的作用力是通過A電荷的電場產生的；而B電荷給A電荷的力是通過B電荷的電場產生的。

問題2：電場是一種看不見、摸不著的特殊物質，我們如何在去研究它呢？

【設計意圖】引導學生理解電場既然有對放入其中的電荷有力的作用，要研究電場，就可以在電場中放入電荷，考慮能否用電場力來描述電場，同時引出檢驗電荷這一理想模型。為電場強度概念的出現做好鋪墊，能很好地培養學生的推理能力。

（三）新課教學——電場強度

教師引導：回憶1.2-1實驗，帶電小球是用來檢驗電場是否存在及其分布情況的，叫試探電荷（檢驗電荷）。被檢驗的電場是金屬球Q所激發的，所以Q所帶的電荷成為場源電荷（源電荷）。對于試探電荷，是有要求的，它的電荷量和尺寸必須充分小，保證對金屬球Q上的電荷（電場）分布不產生影響。

思考：實驗表明，同一試探電荷在電場中不同位置受力不一樣，表明電場是有強弱的，怎么研究電場強弱呢？

【設計意圖】（1）讓學生理解檢驗電荷這一理想模型的抽象過程；（2）引導學生通過實驗觀察，分析得出電場有強弱這一事實。

學生活動3——小組討論：通過以上的學習，我們知道電場的明顯特征是他對電場中的電荷有靜電力的作用，能否用電場力來描述電場的強弱呢？

【設計意圖】引導學生分析：試探電荷所受的靜電力不能描述電場的強弱，或者說不能描述電場的性質。原因是，根據庫侖定律，不同的試探電荷在電場中同一點所受的靜電力不同。換句話說，靜電力的大小不僅與電場有關，還與試探電荷的電量有關。從而得出電場的性質應只與試探電荷與場源點荷的距離有關這一結論。

分析假設：如果試探電荷q1在電場中某點受到的靜電力為F1，另一個同樣的試探電荷在這一點受到的靜電力一定也是F1；兩個這樣的電荷在這一點的靜電力可能是2F1……也就是說，試探電荷在電場中某點受到的電場力F可能與試探電荷的電荷量q成正比。即F=Eq，E為比例常數，q為電荷量。

推理檢驗：在電荷量為Q的帶電體產生的電場中，設想在離帶電體Q距離r處放置試探電荷q1，它受到的靜電力為F=kQq1/r2，在該處放置試探電荷q1，則受到的靜電力為F=2kQq1/r2……實驗表明我們的假設是正確的。

觀察關系式發現，式中kQ/r2是常數，把關系式F=Eq變形為E=F/q，比值F/q是一個與試探電荷無關的量，它的大小完全由電場確定。再回到帶電金屬球產生的電場中去看看這一比值，則F/q=kQ/r2，它確實是與試探電荷無關，僅與該點到帶電金屬球的距離有關。至此，描述電場性質的物理量就找到了。也就是，引入電場強度概念的時機已經成熟：試探電荷在電場中某點所受靜電力與它的電荷量的比值叫做該點的電場強度，定義式是E=F/q。

三、總結提升

構建物理模型是一種重要的思維方式，教師在教學中應讓學生體會思想方法；根據已掌握的知識類比推測假設，并利用數學工具進行推理驗證；創設物理情境讓學生體會概念的形成過程等方式對發展學生科學思維能力的重要途經。

參考文獻

[1]教育部.普通高中物理課程標準（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2017.