加強(qiáng)關(guān)鍵能力培養(yǎng)的高中理科教學(xué)
——兼談綜合性關(guān)鍵能力與核心素養(yǎng)的協(xié)同發(fā)展

續(xù)佩君 王 岳 宋詩偉

(1. 首都師范大學(xué)，北京 100048； 2. 北京師范大學(xué)附屬中學(xué)京西分校，北京 100042； 3. 北京第二十中學(xué)，北京 100085)

1 背景、事實與問題的提出

2017年9月,黨辦和國辦在聯(lián)合發(fā)布的“關(guān)于深化教育體制機(jī)制改革的意見”(以下簡稱“意見”)中的明確要求:“要注重培養(yǎng)支撐終身發(fā)展、適應(yīng)時代要求的關(guān)鍵能力”,其具體內(nèi)容為認(rèn)知能力、合作能力、創(chuàng)新能力與職業(yè)能力，并指出其基本途徑是“在培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)知識和基本技能的過程中,強(qiáng)化學(xué)生關(guān)鍵能力培養(yǎng)”.[1]顯然,此處的關(guān)鍵能力都屬于綜合性能力．2018年發(fā)生的中興事件和中美貿(mào)易戰(zhàn)使國人現(xiàn)實感受到要實現(xiàn)我們的強(qiáng)國夢,教育必須和急需加強(qiáng)這4種關(guān)鍵能力的培養(yǎng)．

關(guān)鍵能力亦是2017版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱“課標(biāo)”)所強(qiáng)調(diào)的一個基本內(nèi)容:“各學(xué)科基于學(xué)科本質(zhì)凝練了本學(xué)科的核心素養(yǎng),明確了學(xué)生學(xué)習(xí)該學(xué)科課程后應(yīng)達(dá)成的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力”;[2]“學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn),是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力．”[3]由此似可認(rèn)為,貫徹課標(biāo)發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的要求也就是在培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力．

然而,對照并分析上述文件,不難發(fā)現(xiàn)在關(guān)鍵能力的內(nèi)容、培養(yǎng)力度與效率上,尚存在值得思考之處．第一，學(xué)科核心素養(yǎng)中的關(guān)鍵能力既然是基于學(xué)科發(fā)展凝練出的就必然是帶有學(xué)科特色的關(guān)鍵能力(以下簡稱“學(xué)科關(guān)鍵能力”);從學(xué)習(xí)遷移的理論上看它與“意見”所指的綜合性關(guān)鍵能力當(dāng)然相關(guān),但也理應(yīng)存在一定差異．即此關(guān)鍵能力非彼關(guān)鍵能力．第二，內(nèi)容上,學(xué)科關(guān)鍵能力僅是學(xué)科核心素養(yǎng)的一個組成部分．途徑上,學(xué)科關(guān)鍵能力的培養(yǎng)理應(yīng)是“課標(biāo)”培養(yǎng)學(xué)生綜合性關(guān)鍵能力的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),其培養(yǎng)正如“意見”所指出的，可“在培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)知識和基本技能的過程中”強(qiáng)化培養(yǎng),并還需學(xué)生自己在頭腦中將其進(jìn)行某種內(nèi)化——實現(xiàn)彼此間的融合、遷移與貫通．于是,在教學(xué)實踐中,一線教師如何在全面落實培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的同時再進(jìn)一步發(fā)展綜合性關(guān)鍵能力,就成為值得探討的一個問題．

2 對“問題”解決思路的理性思考

著名的美國政治哲學(xué)家羅爾斯曾試圖解決這樣一個問題:當(dāng)解決方案中的任何一種都不能得到各個社會利益群體的普遍認(rèn)肯時,人們能做的,就是暫時放下政治領(lǐng)域的一些觀念分歧,回到最基本的理性共識上來．[4]

2.1 “問題”形成的前提與解決“問題”的可能性

上述問題之所以形成,源于兩個事實．一個是“基于學(xué)科本質(zhì)凝煉”出來的(學(xué)科)關(guān)鍵能力,與兩辦“意見”所提的關(guān)鍵能力在內(nèi)容上相關(guān)聯(lián)但又不盡相同;另一個是一線教師需要積極貫徹“課標(biāo)”培養(yǎng)核心素養(yǎng)的要求,同時也理應(yīng)落實中央兩辦“意見”的精神．這兩個事實,在“課標(biāo)”要求與“意見”精神都要落實的前提下,生成了上述問題．對這一問題的過于簡單化處理,或削弱核心素養(yǎng)的培養(yǎng),或閹割“意見”對關(guān)鍵能力的落實．

然而,如果注意到學(xué)科關(guān)鍵能力與“意見”所提關(guān)鍵能力,在內(nèi)容上的關(guān)聯(lián)與培養(yǎng)途徑上一致的實際例子,不難看到解決該問題的可能.例如物理學(xué)科的數(shù)理邏輯推證能力與化學(xué)學(xué)科的宏觀辨識與微觀探析都具有創(chuàng)新能力的功能,然而反之都不盡然．這種“一致”成分表明,培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)(含學(xué)科關(guān)鍵能力)是必須的;而“反之都不盡然”，例如創(chuàng)新能力并不僅靠數(shù)理邏輯推證就都能解決的，是學(xué)生需要具有一種意識，創(chuàng)新能力不是學(xué)會可以實現(xiàn)創(chuàng)新的具體的一招半式,而是求創(chuàng)求新并與尋找其實現(xiàn)途徑、方法的自覺意識．當(dāng)學(xué)生明白了這種“一致”與“不盡然”,上述問題的解決就有了可能．

2.2 “問題”解決的突破口

一方面,根據(jù)教學(xué)與我們自身成長的經(jīng)驗可知,在同一個內(nèi)容(任務(wù)、問題)的解決過程中可以培養(yǎng)不同的能力．對教學(xué)過程而言,這可能取決于教師采取的不同教學(xué)方法或?qū)W生自己的學(xué)習(xí)方法．例如測量重力加速度，可以從教材建議的實驗探究入手,在學(xué)生自學(xué)并擬定實驗報告初稿的基礎(chǔ)上組織學(xué)生實驗教學(xué);也可以從討論不同的實驗方案入手(自由落體,斜面,單擺),對不同方案的實驗原理進(jìn)行可行性及系統(tǒng)誤差分析,然后選擇最可幾方案并思考實驗器材的選擇和相應(yīng)的實驗步驟,進(jìn)行試操作,最后再進(jìn)入實驗探究．前一過程側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)、實驗、探究等能力,后一過程則側(cè)重發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新、合作、推證、實驗和探究能力．這一事實表明在一個具體的知識點(diǎn)學(xué)習(xí)過程中,培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)可以與發(fā)展“意見”所要求的關(guān)鍵能力同時進(jìn)行;或者說“意見”要求的關(guān)鍵能力與課標(biāo)義指的學(xué)科關(guān)鍵能力可以在理科一個具體知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)過程中相輔相成地發(fā)展．這將成為解決上述兩個問題的突破口．另一方面,由關(guān)鍵能力與學(xué)科關(guān)鍵能力的差異,可將關(guān)鍵能力作為一個獨(dú)立于學(xué)科核心素養(yǎng)之外的整體,以實現(xiàn)加強(qiáng)關(guān)鍵能力培養(yǎng)的力度與效率．

2.3 “問題”解決的基本思路

中學(xué)的理科教學(xué),除少數(shù)內(nèi)容外(如物理中的狹義相對論、宇宙大爆炸等)基本都是通過觀察、實驗建立概念、規(guī)律來進(jìn)行對客觀物質(zhì)的產(chǎn)生、存在、變化與發(fā)展的研究．這使高中理科教學(xué)在解決上述兩個問題上應(yīng)該有一個基本共同的途徑．

受物理“課標(biāo)”中物理觀念是“物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華”[2],以及生物“課標(biāo)”中“學(xué)生應(yīng)該在較好理解生物學(xué)概念的基礎(chǔ)上形成生命觀念”[5]的啟發(fā),需要先確定一個涉及學(xué)科核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力的基礎(chǔ)．根據(jù)上文討論，學(xué)生將形成兩個方向的發(fā)展，即學(xué)科核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力，但這兩個方向在發(fā)展過程中并非各自獨(dú)立而是相互作用、相輔相成的．學(xué)科關(guān)鍵能力在概念上屬于學(xué)科核心素養(yǎng)的一部分,學(xué)科核心素養(yǎng)的其余成分難論與關(guān)鍵能力不無相關(guān),故學(xué)科關(guān)鍵能力不需單列．

黑格爾認(rèn)為,相互作用是比因果關(guān)系更高的范疇[6];恩格斯則指出“相互作用是事物真正的終極原因”[7]．分析學(xué)科核心素養(yǎng)所含要素之間、4個關(guān)鍵能力之間、關(guān)鍵能力與學(xué)科核心素養(yǎng)要素之間的相互作用,將成為下面討論的基本思路．

3 關(guān)鍵能力與學(xué)科核心素養(yǎng)協(xié)同發(fā)展的高中理科教學(xué)模型

下面討論中,學(xué)科核心素養(yǎng)的界定與要素內(nèi)容以各學(xué)科的“課標(biāo)”(2017年版)為準(zhǔn),關(guān)鍵能力一詞的類別與內(nèi)涵以“意見”所提的4個關(guān)鍵能力為準(zhǔn)．

3.1 模型建立依據(jù)的思考

以各理科課標(biāo)規(guī)定的知識作為模型的基礎(chǔ),將學(xué)科核心素養(yǎng)作為一個整體,與關(guān)鍵能力分別作為通過學(xué)科知識培養(yǎng)的兩個方向和目標(biāo)．它們彼此之間的相互作用將試做如下解析．將關(guān)鍵能力,學(xué)科核心素養(yǎng)與其要素以及學(xué)科知識都視為模型的基元．根據(jù)日常教學(xué)實踐與我們的常識,不難注意到模型基元具有以下特點(diǎn)：(1) 培養(yǎng)和發(fā)展關(guān)鍵能力與核心素養(yǎng)的基本載體都是學(xué)科知識及其應(yīng)用,且這三者之間存在相互作用; (2) 核心素養(yǎng)要素的抽象程度高于關(guān)鍵能力,這表明學(xué)科核心素養(yǎng)的必要性及其重要性; (3) 核心素養(yǎng)的不同要素之間具有交叉性,即在教學(xué)中各個要素不是單獨(dú)孤立進(jìn)行培養(yǎng)的,而是相互交叉滲透于具體知識的學(xué)習(xí)之中; (4) 核心素養(yǎng)要素與關(guān)鍵能力之間存在相互作用但在方向上有差異性;(5) 培養(yǎng)和發(fā)展關(guān)鍵能力的教學(xué)活動在性質(zhì)上存在類別性差異．

關(guān)于特點(diǎn)(3): 核心素養(yǎng)與其要素間的關(guān)系,在性質(zhì)上屬于整體與部分,整體的存在依賴各部分之間的相互作用,沒有相互作用,分離的要素構(gòu)不成整體，例如沒有粒子間的結(jié)合能就沒有原子．幾乎任何一個知識點(diǎn),其概念的形成都可追溯出與核心素養(yǎng)要素間或明或隱的相互作用．物理核心素養(yǎng)的4要素(物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任)都是相互交叉與滲透的;外顯上,物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用等觀念本身不可分割,這些觀念與過程分析(即科學(xué)思維)及實驗探究等要素也外顯為難于分割;而能量觀念和要素“責(zé)任與態(tài)度”則是內(nèi)隱的，內(nèi)隱的內(nèi)容在一定條件下都可以被外顯.例如在用快速運(yùn)動的小車遇阻驟停時車上木塊傾倒的實驗來使學(xué)生理解慣性概念時，如果深入分析慣性質(zhì)量并涉及慣性應(yīng)用(如由此引出公交車上應(yīng)多裝供乘客手扶(抓)的固定物)都可能使這兩個內(nèi)隱的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為外顯．

關(guān)于特點(diǎn)(4): 在中學(xué)階段,學(xué)科核心素養(yǎng)中的不同要素與四個關(guān)鍵能力之間的作用不一定都是相互的．仍以物理為例,創(chuàng)新能力和科學(xué)探究要素之間是互相促進(jìn)的,及兩者之間的作用是雙向的;但創(chuàng)新能力和物理觀念要素之間的作用是單向的,后者可以指導(dǎo)創(chuàng)新的方向或思路,前者則很難改變物理觀念(限中學(xué)物理)．

關(guān)于特點(diǎn)(5): 關(guān)鍵能力中的職業(yè)能力與其他3個能力的載體不盡相同,認(rèn)知能力、合作能力與創(chuàng)新能力主要以知識的學(xué)習(xí)活動為載體,而職業(yè)能力還需借助綜合性社會化活動．

3.2 模型的建立

根據(jù)上述模型基元的5個特點(diǎn),借助圖1建立學(xué)科核心素養(yǎng)與關(guān)鍵能力融合協(xié)同發(fā)展的理科教學(xué)模型:用圓形表示學(xué)科核心素養(yǎng)及所含的各個要素,用疊加形式表示要素間的交叉性相互作用,用平面框表示不同的關(guān)鍵能力,用直線和虛線箭頭表示模型中不同類型基元間作用的存在與方向;為鮮明區(qū)分作用的單向性,箭頭的一端變?yōu)閳A頭．考慮方便教師使用教學(xué)模型組織教學(xué),模型還宜反映出模型基元的培養(yǎng)途徑與過程的程序性．為此可根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)適當(dāng)增加輔助元．

以物理學(xué)科為例,物理核心素養(yǎng)及關(guān)鍵能力協(xié)同發(fā)展的教學(xué)模型如圖1所示．圖1中最下端的“物理現(xiàn)象、實驗、概念規(guī)律”既是培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的載體又是物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)起點(diǎn),在由知識學(xué)習(xí)到物理核心素養(yǎng)形成需要采取“基于個體省悟之上的交流、點(diǎn)撥→融匯、頓悟、提煉→升華”的途徑．其中的人形圖示正是這一途徑的形象表示．不同理科的核心素養(yǎng)要素雖不相同,但也存在一些共性．例如地理學(xué)科(自然地理)的核心素養(yǎng)要素為綜合思維(對應(yīng)科學(xué)思維)、區(qū)域認(rèn)識(對應(yīng)態(tài)度責(zé)任)、實踐能力(對應(yīng)科學(xué)探究)和人地觀念(對應(yīng)物理觀)．與物理學(xué)科的共性是都突出了價值觀念(基本價值觀)、實踐能力(基本活動經(jīng)驗)和思維(基本思想和方法)．

圖1 關(guān)鍵能力與學(xué)科核心素養(yǎng)協(xié)同發(fā)展的高中理科課堂教學(xué)模型

4 關(guān)鍵能力與學(xué)科核心素養(yǎng)協(xié)同發(fā)展教學(xué)模型的教學(xué)案例

以物理“電勢”一節(jié)為例,根據(jù)關(guān)鍵能力與學(xué)科核心素養(yǎng)協(xié)同發(fā)展的教學(xué)模型設(shè)計的教學(xué)案例如下．

4.1 學(xué)情分析與設(shè)計思路

從物質(zhì)觀念角度,學(xué)生在理性上似乎對物質(zhì)的兩種存在形態(tài)(實物粒子與場)已經(jīng)接受,但對其物理依據(jù)(具有的共同屬性)并不清楚．因此本節(jié)將在反映出電場對實物粒子的相互作用表現(xiàn)為力的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步闡明電場對實物粒子的相互作用還表現(xiàn)為能量．從場的力學(xué)屬性到能量屬性看,這是場概念的又一次重大進(jìn)階;并同步涉及到物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用以及能量3個物理觀念．

由于學(xué)生對處在地球引力場中的物體只有重力勢能而沒有重力勢的概念,故難于使用類比組織電勢教學(xué)，強(qiáng)行類比還容易誘發(fā)學(xué)生由“物體的重力勢能”而誤認(rèn)為電勢能就屬于電荷,進(jìn)而累及電勢自然也屬于電荷．如何使學(xué)生理解電勢是電場的屬性而與電荷無關(guān),以及電勢能是電場與電荷雙方相互作用的產(chǎn)物,乃是本節(jié)課的兩個難點(diǎn);同時也給學(xué)生綜合感受科學(xué)思維與科學(xué)探究對物理學(xué)的價值提供了機(jī)會．從場概念的這一重大進(jìn)階到對電勢歸屬的辨析,都是學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的過程,探究方案的設(shè)計與實踐也給學(xué)生提供了創(chuàng)新與合作的機(jī)會．因此本節(jié)課具備體現(xiàn)物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究的交叉滲透與發(fā)展學(xué)生認(rèn)知能力、合作能力與創(chuàng)新能力的基本條件．

4.2 教學(xué)目標(biāo)(相關(guān)部分)

(1) 通過實驗和討論,從能量觀念的角度認(rèn)知電勢概念,同時滲透物質(zhì)觀念與相互作用觀念在物理觀念中的絕對性．(2) 通過討論、思辨、實驗、分析、推證使學(xué)生初步建立電勢概念,認(rèn)知電勢的物理意義及其與電勢能的關(guān)系與差異．(3) 通過上兩過程中的科學(xué)思維活動培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知能力、合作能力、創(chuàng)新意識與科學(xué)探究精神,同時誘發(fā)學(xué)生感受物理科學(xué)的概念體系之簡潔與嚴(yán)謹(jǐn),體驗物理學(xué)對同一個數(shù)學(xué)式的不同物理語言表述可能意味著不同的物理深度與方法論意義,熏陶和豐富物理學(xué)科素養(yǎng)．

4.3 部分教學(xué)過程(簡錄)

下文中A、B、C、D表示該部分內(nèi)容與4個關(guān)鍵能力(綜合能力)以及物理學(xué)科核心素養(yǎng)兩類教學(xué)目標(biāo)間的聯(lián)系．具體說，A部分落實認(rèn)知能力與物質(zhì)觀念、相互作用觀念及科學(xué)思維;B部分落實認(rèn)知能力、合作能力與物質(zhì)觀念、能量觀念及科學(xué)思維;C部分突出在合作基礎(chǔ)上的認(rèn)知(即合作能力、認(rèn)知能力)與能量觀念、相互作用觀念及科學(xué)思維;D部分在于體現(xiàn)創(chuàng)新能力與科學(xué)探究．

A. 師:大家已接觸過永磁場,電流的磁場,電磁感應(yīng)中的電磁場,還有最近學(xué)的靜電場．你們覺得場與實物都有哪些不同,哪個是最根本的不同?(可以討論)

生:…

師:這么多不同,為什么還說場和實物一樣都是物質(zhì)?

生:客觀存在.

師:這是從哲學(xué)角度,從物理學(xué)角度呢?

投影照片(圖2-圖5),回憶實驗,分析意義.

圖2 永磁體間的相互作用

圖3 電流磁場與永磁體間相互作用

圖4 靜電場間的相互作用

圖5 變化的磁場與變化的電場之間的相互作用

觀看錄像,分析意義.

師:線圈中磁場突然增加、減少;平行板電容接上交流電．

師:投影問題,生討論.

生：根據(jù)以上可歸納出場與實物有一個什么相同點(diǎn)?(物質(zhì),相互作用)

已學(xué)的電場強(qiáng)度,是從哪個角度表明電場和實物一樣?(力或相互作用)

B. 師：試猜想還可能從什么角度說明電場和實物一樣?(從運(yùn)動和能量)

建立電勢能概念.

師:(視情況)啟發(fā):一個物體的位置相對一個標(biāo)準(zhǔn)物體的位置(如地面)發(fā)生改變,物體的什么量將隨之發(fā)生改變?

演示建立電勢能概念的實驗(定性).

實驗器材:兩個相同的輕質(zhì)絕緣盒,兩個等質(zhì)空腔金屬球,電子起電機(jī)一臺,氣墊導(dǎo)軌,導(dǎo)軌滑塊2塊,膠帶．

實驗步驟:

(1) 用膠帶將兩個絕緣盒分別與兩個滑塊固定在一起,再將其中一個固定在氣墊導(dǎo)軌左側(cè)．

(2) 調(diào)平氣墊導(dǎo)軌,接通氣泵電源．將另一個帶有絕緣盒的滑塊放到導(dǎo)軌的右側(cè),再將兩個不帶電的空腔金屬球A、B分別置于左、右兩側(cè)的輕質(zhì)絕緣盒中(圖6)．

(3) 使B球隨滑塊向A盒做勻速運(yùn)動．觀察現(xiàn)象．

(4) 用感應(yīng)起電機(jī)將兩個金屬球帶上同種電荷,重復(fù)第(2)步,觀察現(xiàn)象．

實驗現(xiàn)象:當(dāng)兩金屬球不帶電時,勻速運(yùn)動的B球與靜止的A球(盒)發(fā)生碰撞后做反向運(yùn)動．當(dāng)兩金屬球帶同種電荷時,B球接近A球時速度減小,未與靜止A球碰撞就改做反向運(yùn)動．

師:投影問題,生討論.

生：如何從能量角度分析B球的能量變化和B球的能量性質(zhì)?靜止的A球若不帶電,B球有勢能與勢能的變化嗎?

師小結(jié):處在外電場中的電荷具有電勢能ε.電荷一旦進(jìn)入外電場,電荷即刻具有電勢能，這是電場一種能量屬性．

投影問題,生討論.

思考:B球的電勢能,從本源上說怎么變化的?(兩個電場之間的相互作用導(dǎo)致了B球的電勢能的變化)

思辨:電勢能屬與電荷的,電場的,還是雙方的?怎么證明你的思辨結(jié)果．(反例實驗:A球或B球周圍空間只有一個有電場,或A、B各自空間都沒有電場,B球都不可能有電勢能)

師小結(jié):電勢能屬于電場與處于電場中的電荷雙方的，即屬于系統(tǒng)的．

建立電勢概念.

師提問、追問：加深學(xué)生對相關(guān)概念物理意義,內(nèi)涵與功能界限的認(rèn)知．

電場有使進(jìn)入電場的電荷立即具有電勢能的屬性,那怎么區(qū)分不同電場這種屬性的強(qiáng)弱呢?

怎么判斷一個電場中的不同空間點(diǎn)的這種能量屬性有沒有變化呢,像剛才實驗中A球附近的點(diǎn)與稍遠(yuǎn)的或再遠(yuǎn)的點(diǎn)?用E行不行?ε行不行?Q呢?為什么不行?

師生討論交流:……

生:老師,是否要引入新的物理量?

師:在已有的物理知識確實都不能解決新問題的時候,物理學(xué)才考慮引入新的物理量．為描述電場能量屬性而引入的物理量叫電勢U,也就是說電勢是描述電場能量屬性的物理量——這就是電勢的物理意義．

C: 好,那么怎么定義?

啟發(fā):描述電場力學(xué)屬性時,引入了電場強(qiáng)度,它是如何建立的?

生:把帶不同電荷量的球分別放進(jìn)不同電場,看單位電荷量的電勢能誰大．

師:把“帶不同電荷量”的球分別放進(jìn)“不同電場”?

生:不是,是把帶不同電荷量的球分別放進(jìn)同一電場,還得是同一個點(diǎn),看單位電荷量的電勢能誰大．

師:把帶電球放進(jìn)電場,由于相互作用的必然存在,會不會加大或減弱原電場的能量屬性．

生:使用檢驗電荷．

師:對,因為檢驗電荷是理想模型．那么,電勢U的數(shù)學(xué)表述,單位?

生:U=ε/Q．

師:對U=ε/Q這一數(shù)學(xué)關(guān)系的文字描述有兩種:單位電荷量的電勢能與電勢能與電荷量之比．哪種說法才切合電勢的物理意義——描述電場能量屬性?

回答這個問題,先讓我們回到B球在氣熱導(dǎo)軌上向A球運(yùn)動的實驗．我們知道A球電場的場強(qiáng)E是離A越遠(yuǎn)越弱,設(shè)想B球為檢驗電荷,它進(jìn)入A球電場之前的動能為Ek0,那么隨后B球的能量是怎么變化的,變化的值是用什么量度的?

生:B球:Ekb≠0，Ekb減小，同時ε增大直至Ekb=0,ε最大;B球反向運(yùn)動,ε減小，同時Ekb增大．

電勢能和動能之間的轉(zhuǎn)化是用A電場的電場力做功來量度的．

師:由此分析,可有幾點(diǎn)結(jié)論?

生:A場中不同點(diǎn)的電勢U不一樣;因為B球的電荷量沒變但電勢能ε一直在變．而U好像和Q沒關(guān)系,只與A電場中的空間位置有關(guān)．

師:好,回到前面的問題，對U=ε/Q的文字描述,單位電荷量的電勢能與電勢能與電荷量之比,哪種說法更切合電勢?

生:“比”那種．因為U與電荷無關(guān);若把U定義表述為單位電荷的電勢能,那U從定義上就離不開電荷．

師:請大家把這一小段學(xué)習(xí)內(nèi)容做個小結(jié).

小結(jié):電勢U是描述電場能量性質(zhì)的物理量,屬于電場而不屬于場與電荷這一系統(tǒng)．檢驗電荷是理想模型．電勢U的值等于電場中的電荷的電勢能與所帶電荷量之比，

U=ε/Q．

師:在明確對U=ε/Q這個數(shù)學(xué)式的語言表述需要采取“比”的方式之后,我們還需要明白,其實將這類數(shù)學(xué)式子表述為“取單位量”和“之比”體現(xiàn)了兩種科學(xué)方法．取單位量,反映出科學(xué)比較的基本要求:要比較先定標(biāo);而兩個量之比,反映出在變中尋找(發(fā)現(xiàn))不變,即兩變量都在變的過程中什么量卻保持不變．這種不變源于事物本身的屬性,不會隨度量他的量而改變．就像質(zhì)量分布均勻的一塊物體,掰下一塊的ρ不會隨m與V變小而改變．

D: 師:投影提出問題和要求.

圖7 勻強(qiáng)電場中的電勢

思辨、推證,探究實驗: 如圖7所示．若電勢與電荷有關(guān):當(dāng)將q1、q2先后放到A點(diǎn)時,以及將q1先后放在A點(diǎn)和B點(diǎn)時,UA與UB分別呈現(xiàn)什么關(guān)系?若電勢只與電場有關(guān)而與電荷無關(guān)；當(dāng)將q1、q2先

后放到A點(diǎn)時,以及當(dāng)將q1先后放在A點(diǎn)和B點(diǎn)時,UA與UB分別呈現(xiàn)什么關(guān)系?

探究實驗:從上述“思辨”中選取一個假設(shè)與推論,課下進(jìn)行實驗設(shè)計．