從“天上的閃電”到“地上的靜電”

【關(guān)鍵詞】高中物理核心素養(yǎng);教學(xué)設(shè)計(jì);電荷

【中圖分類號(hào)】G633.7? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? 【文章編號(hào)】1005-6009（2021）54-0149-04

【作者簡(jiǎn)介】虞俊，江蘇省常州高級(jí)中學(xué)（江蘇常州，213003）教師，高級(jí)教師，常州市學(xué)科帶頭人，江蘇省物理奧林匹克競(jìng)賽高級(jí)教練。

隨著新課程改革的推進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)成為課程目標(biāo)。教師要研究新教材，體悟新教材編寫(xiě)的意圖，同時(shí)又要超越新教材，拓展學(xué)習(xí)資源，根據(jù)新課程的理念，設(shè)計(jì)合適的教學(xué)活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的提升。下面筆者以新人教版物理教材必修三第九章第一節(jié)“電荷”為例，談一談新課程的教學(xué)設(shè)計(jì)。

新課程特別強(qiáng)調(diào)真實(shí)情境下物理觀念的形成，本節(jié)教材的引入部分相比舊教材增添了真實(shí)的“雷電”的照片。新課程也特別強(qiáng)調(diào)科學(xué)思維，相比舊教材，本節(jié)教材增加了“金屬的微觀結(jié)構(gòu)模型”的圖片，這兩點(diǎn)是新教材最直觀的變化。學(xué)生在初中階段已經(jīng)知道了自然界中有兩類電荷，但是電荷看不見(jiàn)也摸不著，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)是很抽象的概念。本節(jié)課的第一個(gè)重要任務(wù)，就是要幫助學(xué)生形成電荷的概念，理解電荷的本質(zhì)。第二個(gè)重要任務(wù)是探究電荷的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移和守恒的規(guī)律，這需要學(xué)生有對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的科學(xué)認(rèn)識(shí)，并基于此尋找電荷運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。為了培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)的基本思路是：通過(guò)觀察靜電現(xiàn)象增加學(xué)生的體驗(yàn);通過(guò)回顧人類研究電現(xiàn)象的歷史，再現(xiàn)并研究經(jīng)典的靜電實(shí)驗(yàn)，探究電荷產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律（特別是感應(yīng)起電的規(guī)律）。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)探究，幫助學(xué)生理解電荷的本質(zhì)、掌握起電的方法、并建立起電荷守恒的觀念。

一、豐富體驗(yàn)：觀察神奇的閃電現(xiàn)象

活動(dòng)1：在閃電霹靂中感受“天上的電”。

毫無(wú)懸念，人類對(duì)于電的觀察始于閃電。因此在教學(xué)的引入階段，教師帶領(lǐng)學(xué)生回歸原始人類對(duì)于“天上的電”——閃電的觀察。通過(guò)播放視頻觀看各種各樣的閃電，有摩天大樓頂端的閃電，有山谷、大海上的閃電，這些閃電形狀各異，有樹(shù)形的，有球形的，有的強(qiáng)光刺眼攝人心魄，有的威力巨大擊壞建筑……

【設(shè)計(jì)意圖】創(chuàng)造真實(shí)的情境，讓學(xué)生在閃電霹靂中感受“電”，激發(fā)學(xué)生對(duì)閃電形成原因的探究欲。在視頻播放的過(guò)程中，學(xué)生看到了平日里看不到的各種閃電。在課堂觀察中教師可以看到，學(xué)生被深深吸引，很熱切地進(jìn)入了沉浸式的學(xué)習(xí)狀態(tài)。

二、體悟觀念：感受電荷觀念的形成

活動(dòng)2：討論中西方原始文明中，古人對(duì)閃電的理解。

在原始文明中，古人對(duì)閃電的認(rèn)識(shí)有哪些呢？在師生交流中不難發(fā)現(xiàn)：在中國(guó)古代神話中“雷公”和“電母”是司掌雷電的神仙;而在古希臘神話中，閃電是最高神宙斯的化身和武器。這引起了大家的深度思考，為什么中西方文明，不約而同地將閃電和天神聯(lián)系在一起呢？

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)比較分析，激發(fā)學(xué)生的好奇心：古人的觀念居然出奇的一致。古人關(guān)于閃電的神秘而樸素觀念，反映了當(dāng)時(shí)人們科學(xué)知識(shí)的不足。學(xué)生在討論中能夠體會(huì)到古人對(duì)于未知事物，特別是天上的閃電的敬畏;體會(huì)到古代樸素觀念和現(xiàn)代科學(xué)觀念之間的不同;認(rèn)識(shí)到要形成科學(xué)觀念，需要有科學(xué)思維和長(zhǎng)期的實(shí)踐探索。

活動(dòng)3：討論“天上的電”和“地上的電”是否是一回事。

天上的閃電和地面上摩擦產(chǎn)生的電火花放電十分相似，那么它們是否是一回事呢？能有什么方法來(lái)進(jìn)行比較呢？這是過(guò)去的研究者曾經(jīng)思考的問(wèn)題，請(qǐng)同學(xué)們也來(lái)思考這個(gè)問(wèn)題。很多學(xué)生聯(lián)想到了著名的富蘭克林“風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)”。大部分學(xué)生都了解該實(shí)驗(yàn)的做法，他們既能意識(shí)到該實(shí)驗(yàn)思想的巧妙性，又能感受到實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，認(rèn)識(shí)到該實(shí)驗(yàn)的偉大意義。

【設(shè)計(jì)意圖】“天上的電”和“地上的電”在外在現(xiàn)象上看有很大相似性，從聯(lián)系的觀點(diǎn)出發(fā)，思考這二者的本質(zhì)是否相同，體現(xiàn)了思維深入的過(guò)程。從現(xiàn)象比較到本質(zhì)討論，學(xué)生的思維得到發(fā)展，科學(xué)態(tài)度得到發(fā)展。

三、探尋規(guī)律：尋找電荷產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

活動(dòng)4：在摩擦中探究“地上的電”。

人類對(duì)“電”的研究始于摩擦產(chǎn)生的“靜電”。首先教師介紹物理學(xué)歷史上的摩擦起電現(xiàn)象，古希臘的泰勒斯發(fā)現(xiàn)了琥珀帶電現(xiàn)象——摩擦過(guò)的琥珀能吸引羽毛，中國(guó)古代有玳瑁殼吸引輕小物體的記載，德國(guó)的蓋里克發(fā)明了最早的摩擦起電機(jī)，等等。

接著教師演示摩擦起電現(xiàn)象：摩擦氣球后，氣球吸到墻壁上。說(shuō)明了帶電體可以吸引輕小物體，帶電輕小物體也可以被不帶電物體吸引。在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，研究摩擦過(guò)的各種材料的物品，是否能夠在摩擦中產(chǎn)生靜電，并討論其產(chǎn)生電荷的原因。實(shí)驗(yàn)材料：氣球、塑料尺、泡沫板、鋼尺、其他（學(xué)生自己的各種物品）。學(xué)生十分積極地用各種物品進(jìn)行摩擦，用驗(yàn)電器進(jìn)行檢驗(yàn)是否帶電;活動(dòng)中既有物理學(xué)歷史實(shí)踐的介紹，也有現(xiàn)實(shí)世界的學(xué)生親身操作體驗(yàn)。物質(zhì)帶電過(guò)程無(wú)法直接觀察，學(xué)生通過(guò)現(xiàn)象的總結(jié)歸納、利用原子模型，建立起摩擦起電的原理。

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)摩擦起電實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生歸納、總結(jié)、分析得出絕緣體和導(dǎo)體的不同，建立起“不是所有的物體都能夠摩擦起電”的觀念。同時(shí)由這個(gè)現(xiàn)象出發(fā)，深入探究摩擦起電的原理，引導(dǎo)學(xué)生從原子結(jié)構(gòu)的微觀模型上去思考問(wèn)題，形成科學(xué)思維，意識(shí)到物質(zhì)得失電子是帶電的根本原因，同時(shí)也為電荷守恒的研究埋下伏筆。研究摩擦起電的活動(dòng)，從歷史回顧到實(shí)驗(yàn)探究再到理論分析，整個(gè)過(guò)程由淺入深，逐步形成學(xué)生對(duì)于電荷運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)認(rèn)識(shí)。

四、遷移應(yīng)用：感應(yīng)起電規(guī)律的研究

活動(dòng)5：探究沒(méi)有被外界接觸和摩擦的導(dǎo)體能否帶電。

教師介紹歷史上有趣的靜電表演，帶領(lǐng)學(xué)生在課堂上模擬表演。（見(jiàn)圖1）

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察討論，B與C未接觸，但是從驗(yàn)電羽張開(kāi)，可以發(fā)現(xiàn)C同學(xué)也帶電了，而且在C同學(xué)逐漸靠近B同學(xué)的過(guò)程中這一現(xiàn)象越來(lái)越明顯。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，由于A、B高壓帶電頭發(fā)全部張開(kāi)，B、C手里的驗(yàn)電羽也全部張開(kāi)，所有學(xué)生的狀態(tài)處于緊張和全神貫注的狀態(tài)，達(dá)到了預(yù)期的效果，實(shí)現(xiàn)了高投入的學(xué)習(xí)。

【設(shè)計(jì)意圖】在緊張歡樂(lè)的活動(dòng)中體驗(yàn)感應(yīng)起電，探尋感應(yīng)起電的規(guī)律。不接觸也能帶電，這個(gè)現(xiàn)象超出了學(xué)生的認(rèn)知范圍。通過(guò)制造戲劇性的實(shí)驗(yàn)情境，讓學(xué)生獲得強(qiáng)烈的體驗(yàn)，全身心地投入到觀察研究活動(dòng)中去，找尋起電的規(guī)律。引導(dǎo)學(xué)生從電子分布的改變來(lái)說(shuō)明感應(yīng)起電的原因。

五、提升思維：深化對(duì)電荷守恒的規(guī)律的理解

活動(dòng)6：由正負(fù)電子對(duì)發(fā)生湮滅討論電荷守恒定律。

討論：電荷既不會(huì)創(chuàng)生，也不會(huì)消滅，它只會(huì)從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分。在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，電荷的總量不變，這個(gè)規(guī)律叫作電荷守恒定律。正負(fù)電子對(duì)湮滅成一對(duì)光子，那還能說(shuō)電荷守恒嗎？

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)電子湮滅問(wèn)題的討論，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)自然界中最重要的觀點(diǎn)“守恒”的深度理解。對(duì)于“守恒”的觀念，不能機(jī)械地認(rèn)為是電荷不變，對(duì)于一個(gè)和外界沒(méi)有電荷交換的系統(tǒng)，電荷的代數(shù)和保持不變是電荷守恒定律更普遍的表述。這里既有觀念的改變，更有思維水平的提升。

六、創(chuàng)造發(fā)展：在實(shí)驗(yàn)室里制造閃電

活動(dòng)7：嘗試在實(shí)驗(yàn)室里制作一個(gè)閃電發(fā)生器。

“天上的電”和“地上的電”既然是統(tǒng)一的，并且通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了接觸起電、摩擦起電和感應(yīng)起電的方法，請(qǐng)學(xué)生在課后嘗試制作一個(gè)閃電發(fā)生器。

【設(shè)計(jì)意圖】核心素養(yǎng)達(dá)成的一個(gè)指標(biāo)是對(duì)于知識(shí)的遷移和應(yīng)用。設(shè)計(jì)這個(gè)課后活動(dòng)，是促成學(xué)生從理論走向?qū)嵺`，從實(shí)踐走向更加深刻的理解。通過(guò)制作過(guò)程實(shí)現(xiàn)知識(shí)學(xué)習(xí)的拓展，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力的提升。學(xué)生的參與熱情很高，課后的設(shè)計(jì)制作，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

本節(jié)課的教學(xué)是在新課程理念指導(dǎo)下，以培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)為目標(biāo)而進(jìn)行的。教學(xué)中通過(guò)豐富的靜電實(shí)驗(yàn)促成了學(xué)生的積極參與和體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了問(wèn)題探究的深入。其中物理學(xué)歷史文化的挖掘，特別是還原物理學(xué)史精彩的實(shí)驗(yàn)情境，使學(xué)生學(xué)得扎實(shí)和投入，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生對(duì)于核心概念與規(guī)律，如“電”“電荷”“電荷守恒”的理解的深化。

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