基于ISLE的物理課程單元設(shè)計(jì)賞析

溫利平

摘 要：在ISLE中，學(xué)生的概念理解能力、問題解決能力以及科學(xué)能力的應(yīng)用得到鼓勵(lì)和重視。ISLE通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、建立模型、使用多重表述、配套評估等方法幫助學(xué)生獲得科學(xué)家的科研能力。

關(guān)鍵詞：電場;定性概念;單元設(shè)計(jì);測試推理

ISLE（Investigative Science Learning Environment）是一種互動(dòng)教學(xué)方法，當(dāng)學(xué)生建構(gòu)和應(yīng)用知識(shí)時(shí)，它幫助學(xué)生通過參與類似于物理學(xué)家的活動(dòng)過程來學(xué)習(xí)物理。這些過程包括觀察、發(fā)現(xiàn)模式，建構(gòu)和測試模式的解釋，用多種表述來推論物理現(xiàn)象。ISLE是一個(gè)綜合性的學(xué)習(xí)體制。總之，相比于其他的課程體系，ISLE更能適應(yīng)21世紀(jì)的科學(xué)教育教學(xué)。

下面以電場為例，[1]展示ISLE的課程設(shè)計(jì)魅力。

一、定性概念的建立與測試

（一）表述和理由

假設(shè)有兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量分別為m1和m2，分別帶電q1，q2，根據(jù)所給條件完成下列表格，并分析物體的萬有引力和靜電力。

（二）思考

討論引力作用和靜電力作用的相似點(diǎn)和不同點(diǎn)。思考一下在沒有直接接觸的物體之間，引力和靜電力產(chǎn)生的機(jī)制。

（三）觀察和解釋

組裝一個(gè)不帶電的驗(yàn)電器;一個(gè)泡沫管，毛皮，一個(gè)小的干凈的玻璃燒杯（或者塑料杯）;一個(gè)小金屬杯。通過以上器材完成下表中的實(shí)驗(yàn)并用電場的概念解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（四）設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)

用一些你有的儀器設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)茏屇阌^察到兩個(gè)物體間的靜電作用力產(chǎn)生和消失，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并記錄結(jié)果。

二、概念推理

（一）描繪和原因

（1）對下列表格中的每張圖片，在給定的黑點(diǎn)上作出施力物體施加給受力物體的引力和場源電荷施加給試驗(yàn)電荷的電場力。填寫下列表格。

文字描述

在給出的點(diǎn)上，用矢量箭頭描繪出地球（原質(zhì)量）作用在小物體（測試質(zhì)量）上的引力。畫箭頭時(shí)用正確的相對長度。

在給出的點(diǎn)上，用矢量箭頭畫出一個(gè)大的負(fù)電荷（場源電荷）施加給小的正電荷（測試電荷）上的電場力。

在給出的點(diǎn)上，用矢量箭頭畫出一個(gè)大的正電荷（場源電荷）施加給小的負(fù)電荷（測試電荷）上的電場力。

圖片描述

（2）用場去解釋源物體怎樣在不直接接觸測試物體的前提下把力施加給測試物體的。討論這些力的大小是如何依賴引力場的大小的，如何依賴引力場中測試物體質(zhì)量大小的，如何依賴電場大小的，如何依賴電場中測試電荷大小的？

（3）討論源物體或者源電荷的存在是怎樣改變空間的。你認(rèn)為這種改變能延伸多遠(yuǎn)？

（4）討論是否由地球和測試物體組成的系統(tǒng)主宰著引力勢能。討論是否由場源電荷和測試電荷組成的系統(tǒng)主宰著電勢能。引力勢能是由源物質(zhì)決定還是測試物質(zhì)決定？電勢能是由場源電荷決定還是測試電荷決定？

（二）描繪和原因

判斷下圖中A、B、C三個(gè)位置電場的大小和方向。

（三）描繪和原因

畫出下列表格中所描述的帶電體的電場線，標(biāo)清楚電場線的切線。

a.一個(gè)正點(diǎn)電荷

b.一個(gè)兩倍于a電量的正點(diǎn)電荷

c.一個(gè)負(fù)點(diǎn)電荷

d.一個(gè)兩倍于c電量的負(fù)點(diǎn)電荷

〗

e.兩個(gè)相距s的等量正點(diǎn)電荷

f.兩個(gè)相聚s的等量負(fù)點(diǎn)電荷

g.一個(gè)小的正帶電體和一個(gè)小的負(fù)帶電體，二者相距s

h.一個(gè)小的正帶電體和一個(gè)小的負(fù)帶電體，電量均為g中的兩倍，且二者相距s

（四）描繪和推論

假設(shè)一個(gè)很小的帶正電的物體在紙面上沿著圖示方向進(jìn)入下圖電場線所描述的電場。

（1）畫出物體在該電場中的運(yùn)動(dòng)軌跡，標(biāo)注出該粒子進(jìn)入電場時(shí)初速度的方向。

（2）討論電場線是否帶電粒子進(jìn)入電場的軌跡。

（五）描繪和推論

下圖是放在勻強(qiáng)電場中的中空金屬盒的某一時(shí)刻（金屬盒對外部電場的影響沒有顯示出來）。

（1）表明由于外電場的存在而產(chǎn)生在金屬盒上的電荷的分布。

注意：如果電子從金屬盒的一部分移動(dòng)到另一部分，那么金屬盒上缺少電子的那部分自然帶正電，有過量電子的部分自然帶負(fù)電。

（2）畫出分布在金屬表面的感應(yīng)電荷的電場線，并討論盒子內(nèi)部合電場的大小。

（3）討論如何用你在a和b中得出的結(jié)論來解釋雷雨天你坐在轎車?yán)锸前踩摹?/p>

（4）畫出盒子外部新的電場線分布圖。盒子內(nèi)部電子的重新分布如何影響外部電場？

（六）推論

完成下列表格：

正場源電荷激發(fā)的電場中由A、B、C三點(diǎn)，比較它們的電勢，電勢最處是哪一點(diǎn)？找出至少一處與A點(diǎn)電勢相等的地方。

負(fù)場源電荷激發(fā)的電場中由D、E、F三點(diǎn)，比較它們的電勢，電勢最大處是哪一點(diǎn)？（注意：一個(gè)大的負(fù)數(shù)比一個(gè)小的負(fù)數(shù)要?。┱页鲋辽僖惶幣cE點(diǎn)電勢相等的地方。

（七）描繪和理由

在下列表格中，畫出地球的等勢線，地球是引力勢的源物質(zhì)。想一想你怎樣才能寫出地球引力勢的表達(dá)式，地球的引力勢與電勢類似。

遠(yuǎn)離地球表面，此時(shí)地球可以被當(dāng)成一個(gè)球體

在地球表面附近，此時(shí)地球可以被當(dāng)成水平面

（八）表述和原因

參考上列7中的a.d場源電荷和所畫的電場線，畫出等勢面，在電場線的方向和電勢變化之間找到一個(gè)模式（判斷電場線的方向是沿著電勢降低的方向還是電勢升高的方向）。

（九）解釋

有時(shí)候物理學(xué)家把電場中的等勢線和地形學(xué)上的等高線進(jìn)行類比。

（1）解釋怎樣進(jìn)行類比，并解釋類比的有用之處。

（2）描述等高線與山體的陡峭程度如何緊密聯(lián)系。

（3）用這種類比法畫出下列電場的電場線并解釋，電場的等勢面如下圖已經(jīng)給出。

（十）推論

（1）畫出無限大金屬板的等勢面和電場線，已知該金屬板帶負(fù)電。完成下列表格的各項(xiàng)任務(wù)以尋求幫助。

畫出帶電板的草圖，如下圖所示

畫出等勢線，標(biāo)清電勢最高點(diǎn)

畫出電場線

（2）解釋為什么電場線與帶電金屬板表面和等勢面垂直。

（3）兩條電場線之間是不是同等間隔，兩個(gè)等勢面之間是不是也是同等間隔？解釋。

（4）檢查電場線的位置和等勢面的位置。討論你得到的模式并解釋。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚建民.以“學(xué)科+”的形式進(jìn)行指向核心素養(yǎng)的物理學(xué)科課程設(shè)計(jì)——在單元設(shè)計(jì)視域下.物理教師，2018（6）：36-39.

[2]褚珈寧.陶行知教育思想在教育中的應(yīng)用——對物理科目教學(xué)的啟發(fā).科學(xué)咨詢（科技·管理），2020，（11）：176.