“靜電場”單元教學設計

廖軍玲　陳忠

摘 要：本文以學習進階為工具，圍繞“物質觀”“運動和相互作用觀”和“能量觀”整合電場教學內容，在分析實際學情基礎上規劃了單元學習過程.教學過程注重大情境的創設，以層層遞進的問題設計引領學生自主思考和交流，促進學生形成解決電場相關問題的大思路，發展了學生的物理學科核心素養.

關鍵詞：單元教學設計;電場;學習進階;大概念

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）01-0017-05

作者簡介：廖軍玲（1977-），女，湖南耒陽人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理學科教學;

陳忠（1969-），女，北京順義人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理學科教學.

1 單元教學設計指導思想

2017年版《普通高中物理課程標準》指出，物理課程的總目標是提高全體學生的物理學科核心素養，具體包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面.只有把課程目標的理念和要求、教學內容以及所體現的教學方法，轉化為符合學生認知規律的教學設計，才能有效地達成課程目標[1].

圍繞大概念組織教學內容，把教學內容按照一定的邏輯線索組織成由淺入深、由簡單到復雜、帶有層級的結構化教學素材，從整體上對單元教學進行有序設計，可以擺脫課時教學設計的局限性，從而有效地落實學科核心素養和課程目標[2].

2 單元教學內容分析

2.1 整合單元教學內容，梳理圍繞核心概念的進階圖

本單元圍繞電場這個核心概念，從物質角度理解電場，從相互作用角度用電場強度、電場線描述電場，從能量角度用電勢、等勢面描述電場，從而建立起與電場相關的物質觀、運動及相互作用觀和能量觀.

“電場強度”和“電勢”是本單元的兩個重要概念.這兩個概念的建立順利與否，直接影響到學生對于“電場”這一核心概念的理解.

以學習進階為工具對本單元教學內容進行梳理，將單元教學內容規劃為五個逐步上升的層級，力圖使學生對物質存在的形態認知從“實物”擴展到“場”，并通過電場強度和電勢兩個重要概念及其相關概念的學習，逐步豐富與完善學生對電場的認知.本單元具體內容進階關系如圖1所示.

2.2 挖掘隱性知識，規劃學生思維發展的大思路

在圍繞大概念組織教學內容時，更為重要的是逐漸形成解決問題的大思路（這里的大思路與學科核心素養中強調的科學思維和科學探究相對應）.因此，除了重視知識的內在邏輯和顯性知識以外，還要重視挖掘出顯性知識中隱含的物理學認知方式、思想方法、跨學科概念等隱性知識以及知識學習的素養發展價值.本單元知識蘊含的科學認知方式見表1.

3 學生學習情況分析

3.1 學生原有的認知基礎分析

學生對于力和相互作用、能量概念初步理解，有樸素的物質觀（實物粒子觀）;學生對重力、重力勢能的理解是幫助學生掌握好電場強度和電勢能概念的基礎.在初中，已經學習了磁場，對“場”這種物質有一定的感性認識.

學生對電荷和電流等概念比較熟悉，但對其微觀認知方式不熟悉.對比值定義法有一定思維基礎.

學生具有一定的科學推理和科學論證能力，了解科學探究的基本思路，但探究方法比較單一，探究時的思維深度較淺.

3.2 學習困難分析

（1）學生對于電場這一概念缺乏感性認識.在前面的重力和萬有引力學習中，不強調場的觀念，學生對場的認識只是局限于“磁場”的名稱，對場沒有具體形象的認識.因此，電場實際是學生到高中后正式接觸的“場”的概念，學生缺乏完整的認知基礎.

（2）學生思維能力和有限的教學設備及手段造成困難.本單元內容抽象，在教學中，幫助認識電場的形象化手段很少，學生很難直接在頭腦中建立合理的物理圖景.

（3）學生對于事物的因果解釋缺乏耐心，關注表象和結論，不關注過程，對機理的深入理解缺乏耐心.

（4）學生學習知識缺乏“縱橫”意識和能力.例如，對于電場強度是表征電場“力的特征”和電勢表征電場“能的特征”這兩個重要概念，如果不充分借助于前面重力場中概念的對比，學生常會只記住公式，并不理解本質.

4 單元教學目標

在分析知識內容層級的前提下，基于學習內容和學情的分析，制訂單元教學目標如下：

（1）通過實驗，認識各種靜電現象;借助原子結構模型，了解電荷守恒定律;建構點電荷這一理想模型;探究真空中點電荷間相互作用力遵循的規律，體會探究庫侖定律過程中的科學方法.

（2）知道電場是一種特殊物質，通過實驗了解電場的基本性質是對放入其中的電荷有力的作用;從力的角度出發，建構并理解電場強度的定義式，體會比值定義法，理解電場線的提出是為了形象描述電場;能從電場強度的定義式推導點電荷的場強公式.

（3）從功能關系出發，建立電勢能、電勢、電勢差的概念，通過對電勢的定義，進一步了解比值定義法.理解電勢能和電勢在描述電場“能的性質”時的區別.

（4）從功能關系的角度理解勻強電場中電勢差和電場強度的關系.通過類比理解電場強度反映了電勢變化快慢.

（5）綜合運用電場的概念，理解并掌握靜電感應現象及其解釋、帶電粒子在電場中的運動、電容器等知識內容.

5 單元學習過程設計

單元學習過程包括：創設問題情景、知識內容安排、學科核心素養發展規劃和學習方式指導等內容.單元學習過程前承教學目標，后接教學活動設計與策略選擇，是單元教學設計的重要環節.本單元學習過程設計和策略選擇見表2.

6 主要教學活動設計舉例

本章的特點是概念多且抽象，為此，教學活動應從學生的認知基礎出發，借助一系列問題，幫助學生經歷概念的得出過程，真正理解概念建立的意義.下面以靜電場中電場強度概念為例，展示教學活動的設計，思維流程如圖8所示.

情境創設：如圖9，場源電荷為點電荷，電荷量為+Q，在場中任意取兩點A、B，它們距離場源電荷的距離分別為r1和r2，且r1

（1）試探電荷在A、B兩點受到的電場力相同嗎？

（2）能用檢驗電荷在電場中受到的電場力大小來表示電場中不同位置場的強弱的不同嗎？為什么？

（3）如何引入新的物理量來描述場的強弱呢？

（4）空間電場不僅有強弱的不同，還存在方向，如何確定某點場強的方向呢？

（5）能否有更形象直觀的方法來描述電場的強弱和方向呢？

（6）真空中有電荷量為 +Q的點電荷，求距離場源電荷r處該點的電場強度.

（7）真空中有電荷量分別為 +Q和 -Q 的兩個點電荷，兩者相距為r，試求兩點電荷連線中點處的電場強度的大小.

（8）在兩點電荷連線中點處分別放置試探電荷+q1和-q1，兩電荷受到的電場力相同嗎？

7 單元學習效果反饋性評價

高中物理學業質量分為五級水平，既是指導學生自主學習和評價的依據，也是教師進行教學設計和學習效果評價的重要依據.其中水平4指出：能恰當使用證據證明物理結論;能對已有結論提出有依據的質疑，采用不同方式分析解決物理問題.本單元教學的重點在于學生從物質觀、相互作用觀、能量觀等多角度全方位認識電場，因此在研究問題中采用什么方式解決問題是學生的困惑，解決該困惑的過程也有助于學生進一步理解靜電場中各相關概念之間的區別與聯系.因此可以通過一些典型問題對學生進行診斷性評價.例如，在靜電場中存在普適結論：沿電場線方向電勢降低;讓學生可以通過多種方式加以證明.

如圖10所示，AB為電場中的一條電場線上的兩點，電場方向由A指向B，證明：φA>φB.

方法1：由電勢的定義φ=εq出發，將試探電荷+q由A移至B，則電場力對試探電荷做正功.根據電場力做功與電勢能變化的關系可得：電場力做正功，電勢能減小，所以εA>εB，代入電勢定義式有φA>φB.

方法2：比較兩點電勢的高低，可通過比較兩點電勢差的正負判斷，由電勢差定義式UAB=WABq，將試探電荷+q由A移至B，則電場力對試探電荷做正功，所以UAB>0，UAB=φA-φB >0，則φA>φB.

通過不同方法的推導證明，對于學生靈活運用本單元所學核心概念解決問題進行了檢測與反饋，有助于學生對電場力做功與電勢能變化的關系、電場力做功與電勢差的關系、電勢與電勢能的關系等建構起概念聯系網絡圖，理清各相近概念間的區別與聯系.

8 單元教學設計反思

靜電場部分的特點是相近概念多且抽象，從而造成學生學習困難較大.通過單元教學設計清晰地呈現了單元學習層級，伴隨認知發展的素養發展規劃，使得單元教學能按照一定的邏輯線索展開，在認知的水平上注意了由淺入深、由簡單到復雜的特點，這樣的單元教學不僅具有知識上的層級，而且具有一定的認知層級，有助于教師在教學中做到“心有全局”，改變了以往教學中碎片化的知識內容教學的現狀.物理學科核心概念的形成不是一蹴而就的，而是通過大量具體概念的學習而逐漸深入的，因此單元教學設計也有助于學習過程中大概念、大思路的形成，有利于促進學生全面發展.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]張玉峰.以大概念、大思路、大情景、和大問題統領物理單元教學設計[J].中學物理，2020，38（05）：02-07 .

[3]張玉峰.基于學習進階的單元學習過程設計[J].課程·教材·教法，2020（03）：50.

[4]張玉峰，玉林.基于核心素養的高中物理教學重難點突破[M].北京：北京師范大學出版社，2019.

[5]李春密.核心素養導向的高中物理教學設計[M].北京：北京師范大學出版社，2019.

（收稿日期：2020-10-20）