學習進階視域下高中物理概念類比優化策略探討
——以“電場強度 電勢”的教學為例

余科鵬 袁令民

(1. 四川省成都市實驗外國語學校(西區)，四川 成都 610213；2. 四川師范大學物理與電子工程學院，四川 成都 610100)

近年來，學習進階已成為科學教育界研究的熱點。北京師大郭玉英教授團隊提出的學習進階層級模型，對中學物理教學改革提出了指導性建議。《普通高中物理課程標準(2017年版)》明確指出：教師在教學過程中要讓學生體會建構物理概念模型的思維方法，教師引導學生經歷物理概念建構過程和物理規律形成過程，是發展科學思維的重要途徑。科學概念的學習進階模型描述了學生在不同復雜度等級上的認知水平，作為科學教育的研究范式指導著教學改革。基于學習進階層級模型，物理概念教學設計與實踐對促進學生科學思維能力的發展具有極其重要的作用，現以“電場強度 電勢”的教學為例，運用學習進階層級模型，探討電場強度、電勢概念的建構策略，促進學生科學思維能力的提升。

1 學情分析

在“電場強度 電勢”的教學中，教師多采用類比法，將場強E、電勢φ分別與重力場中重力加速度g、高度h相類比，進而讓學生掌握電場中場強、電勢的分布規律。學生在類比過程中未能思考并解決以下問題：為什么能夠類比？如何類比？因此，這樣的教學并沒有讓學生經歷概念建構的思維過程，不利于學生科學思維能力的培養，導致學生對場強與電勢兩概念之間的關系認識不清，存在以下錯誤認識：電勢為0的地方場強也為0；場強為0的地方電勢也為0；場強相同的地方電勢也相同；電勢相等的地方場強也相同。

利用學習進階層級模型可以幫助學生更好地建構場強、電勢概念，理解兩者之間的聯系，避免學生對場強和電勢概念的片面理解，有效避免上述錯誤認識的產生。

2 學習進階層級模型

學習進階是對學生在一個時間跨度內學習和探究某一主題時依次進階、逐級深化的思維方式的描述，是隨著教學的深入，學生對某一學習主題的思考和認識不斷豐富、深入的過程。在學習進階模型中，科學概念理解的發展層級為：事實經驗、映射、關聯、系統、整合。

基于學習進階層級模型，筆者設計了場強與電勢概念建構的具體教學流程(圖1)。

圖1

3 進階步驟

在學習進階層級模型中，電場強度與電勢兩概念的建構通過5個步驟依次進階。

(1) 以事實經驗作為進階根基，分別從力的角度和能量角度認識場，場強與電勢兩概念描述了靜電場的不同特征，說明兩物理量之間存在一定聯系；

(2) 運用學生熟悉的重力場的物理量類比靜電場的物理量，體現兩種場的物理特征的相似性；

(3) 以重力做功與重力勢能變化為媒介，類比電場力做功與電勢能變化，建立電場強度與電勢能的聯系；

(4) 建構電勢概念，探討電勢差與電場力做功的關系，探討電勢差與電場強度的關系三個階段，最終建立電場強度與電勢兩物理量間的聯系；

(5) 在前面概念建構的基礎上，將重力場與靜電場進一步作類比，總結重力場與靜電場同屬“場物質”這一大概念下的相似特征。

3.1 事實經驗——認識場

場概念是物理學的一個重要概念，是自然界除實物以外物質存在的另一種形式，雖看不見、摸不著，但卻真實存在，可從以下兩個角度對電場概念進行建構。

(1) 力的角度

由于處于電場中的電荷會受到靜電力，所以可從力的角度進行研究。研究方法是：① 研究同一電荷在電場中不同位置的受力情況；② 研究不同電荷在電場中同一位置的受力情況。③ 研究上述兩種情況中電荷在電場中所受的靜電力特征，進而引入對應電場力性質的物理量——電場強度，它表示場中某位置對單位正電荷的作用力大小和方向。

(2) 能量角度

在研究靜電力做功特點的過程中，發現做功的多少與電荷運動的路徑無關，僅與電荷在電場中的始、末位置有關，從而引入電勢能的概念。電勢能是反映電荷在電場中所具有的能量，表征了電場的能的性質，可類比電場強度建構電勢的概念。

從對電場的描述可以發現，場的概念建構如圖2所示。場強和電勢分別描述場物質的力的屬性和能的屬性，它們之間是否存在聯系？

圖2

3.2 映射——引力場映射靜電場

物體之間由于相互作用而存在的物質稱作引力場。由于場是自然界中的一類物質，引力場與靜電場特征相似，因此，可將靜電場與引力場各物理概念作類比(表1)。

表1

3.3 關聯——重力場做功關聯靜電場做功

地球重力場是在地球周圍分布的一種場物質，所以在認識重力場后，依據功是能量轉化的量度，可找到將場強(力的角度)與勢能(能量角度)相聯系的媒介——做功。在重力場中，當物體的高度發生變化時，重力做功，重力勢能發生變化：物體被舉高時，重力做負功，重力勢能增大；物體下降時，重力做正功，重力勢能減小。因此重力勢能與重力做功密切相關，認識重力勢能不應脫離對重力做功的研究。

如圖3甲所示，設一個質量為m的物體從與地面高度為h1的位置A,豎直向下運動到高度為h2的位置B，重力做功WG=mgΔh=mgh1-mgh2；再看另一種情況，質量為m的物體沿著斜面向下運動到B′(圖3乙)，高度由h1降為h2，沿斜面下滑距離L，在這個過程中，重力做功WG=(mgcosθ)l=mgΔh=mgh1-mgh2。研究表明：物體運動時，重力對它做的功只跟它的起點和終點位置有關，而跟物體運動的路徑無關。

圖3

類比重力做功，在靜電場中，電勢能與電場力做功也與之類似，認識電勢能也不應脫離對電場力做功的研究。如圖4甲所示，設在電場強度為E的勻強電場中任取A、B兩點，把試探電荷q沿兩條不同路徑從A點移動到B點，計算兩種情況下靜電力對電荷所做的功。

首先把q從A點移動到B點，此過程q受到的靜電力F與位移夾角始終為θ，靜電力對q做功WAB=FcosθsAB=qEcosθsAB=qEsAM，再把q沿折線AMB從A移到B，在位移AM方向上，靜電力對q做功WAB=qEsAM，在位移MB方向上，由于移動方向跟靜電力方向垂直，靜電力不做功，則WMB=0，故在q沿折線AMB移動的過程中，靜電力對q所做的功WAMB=WAM+WMB=qEsAM,所以靜電力對q在以上兩種不同路徑上的做功相同。另外，還可以使q沿任意曲線從A移動到B(圖4乙)，這時可把曲線分解成無數小段，各小段沿垂直電場方向靜電力不做功，各小段沿電場方向移動的距離之和為sAM，因此q沿任意曲線從A移到B靜電力做功也是WAB=qEsAM，可見不論q經由何路徑從A移到B，靜電力做功相等，因此，電荷在勻強電場中移動時，靜電力所做的功與電荷起始位置和終止位置有關，與路徑無關，可以做功為媒介將電場強度與電勢能建立關系。

圖4

3.4 系統——建立電場強度與電勢的聯系

(1) 建立電勢概念

通過對靜電力做功的研究，認識了電場強度和電勢能之間的關系。現在通過對電勢能的研究認識另一個物理量——電勢，它同樣是表征電場性質的重要物理量。

圖5

(2) 建立電勢差與電場力做功的聯系

(3) 建立電勢差與電場強度的聯系

通常用電場線和等勢線分別描述電場強度和電勢，電場線和等勢線的疏密存在對應關系，表明電場強度與電勢之間存在一定的聯系。以勻強電場為例討論它們之間的關系。如圖6所示，在電場強度為E的勻強電場中，電荷q從A移動到B，根據靜電力做功W與A、B兩點的電勢差UAB的關系，得：W=qUAB。

圖6

3.5 整合——重力場與電場的類比

由電場中電場強度、電勢的關系，可對重力場與勻強電場中各物理量進行類比(表2)，幫助學生進一步加深對重力場和電場的理解。

表2

4 結語

在學習進階層級模型視域下，將電場強度與電勢兩概念通過五個步驟依次進階，使學生逐步形成靜電場的物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念。基于經驗事實建構物理概念，可幫助學生將抽象的場形象化，促進學生核心素養的提升。