基于學生核心素養提升的教學實踐
——以“靜電現象應用”為例

孫鑫軍

(浙江省諸暨中學 浙江 紹興 311800)

1 設計思想

以靜電屏蔽對比實驗引入新課，引發認知上的沖突，激起學生探究欲望，通過構建物理模型[1]，猜想靜電平衡狀態下導體的特點，并進一步通過實驗驗證猜想，在學生形成物理觀念的過程中，同時培養了他們的科學探究和科學思維能力.在整個教學過程中滲透物理來源與生活，又應用于生活的理念，培養學生的科學態度和責任[2].

2 教學目標

教學目標如表1所示.

表1 教學目標

3 教學流程

教學設計流程圖如圖1所示.

圖1 教學設計流程圖

4 圍繞物理學科核心素養設計課堂教學過程

(1)演示實驗引入新課

演示實驗1：隔空點燈.

制作一個黑箱，里面放入輝光球，老師拿著日光燈管靠近，觀察實驗現象，并讓學生上臺體驗.

學生：看到燈管發光，好奇心被激發.

教師引導：燈管為什么會被點亮，輝光球有什么樣的魔力呢？能不能從物理學角度進行解釋？

結論：輝光球周圍產生電場.

演示實驗2：把日光燈管放入金屬網罩中，再次靠近黑箱，發現日光燈管不再發光了.

教師引導：為什么日光燈管不發光了呢？誰想來研究一下這個網罩的特殊之處呢？

學生：網罩是金屬的.

設計思路：情景感知和學生體驗在物理概念形成的過程中有著重要的作用，通過對比實驗，引發認知上的沖突，能夠激起學生的學習欲望.

過渡：看來金屬網罩在這個問題中有著關鍵的作用，我們可以構建這樣一個簡單的物理模型，金屬網罩用一塊不帶電的金屬板代替，輝光球產生的非勻強電場用勻強電場代替，即金屬導體置于勻強電場中，我們來思考一下會發生什么現象？

(2)建立模型尋源探究

建立模型：即金屬導體置于勻強電場中，如圖2所示.

圖2 勻強電場中的導體

問題引導1：

①金屬為什么能夠導電？

②電子在電場中如何運動？(從受力角度出發考慮)，電荷會出現怎樣的分布？

③金屬導體內部的自由電子會一直運動下去嗎？

④最終會出現怎樣的現象？

⑤如何證明“靜電平衡狀態下的導體內部電場處處為零”

結論：最終導體內的電子不再定向移動(這里要清楚電子還是在做無規則熱運動)，我們把這種狀態叫做靜電平衡狀態.

過渡：靜電平衡狀態下的導體內部電場處處為零，還有其他特點嗎？我們來研究以下幾個問題.

問題引導2：

①那么任意兩點間還會有電勢差嗎？

②嘗試畫出導體表面附近的電場線？

③凈電荷是如何分布的？(如何證明)

結論：處于靜電平衡狀態下的導體，內部場強處處為零，整個導體是個等勢體.導體外表面附近任何一點的場強方向必定與這點所在的表面垂直.導體內部沒有多余的凈電荷，電荷分布在導體外表面上,如圖3所示.

圖3 靜電平衡狀態下的導體

設計思路：以問題為導向，分層設置問題，追尋靜電感應的動態變化過程，最終引導學生得到導體的靜電平衡狀態.利用反證、推理等科學思維得到靜電平衡狀態下導體的特點.在形成概念的過程中，培養學生的邏輯思維能力和綜合分析問題的能力，提高學生的學科核心素養.

(3)回扣實驗規律應用

過渡：如果現在在圖4的導體中沿著虛線挖去一部分導體，空腔導體還處于靜電平衡狀態嗎？空腔處存在電場嗎？

圖4 導體空腔處于靜電平衡狀態

學生：仍舊處于平衡狀態，導體空腔內的電場強度為零.

教師引導：現在同學們可以嘗試著解釋剛才做過的實驗嗎？(演示實驗2中日光燈管不再發光)

教師引導學生回答引出靜電屏蔽概念.

過渡：金屬網(殼)對外電場的屏蔽作用叫做靜電屏蔽.這種作用可以屏蔽外電場對設備的影響，用一個金屬網罩可以屏蔽很多日光燈管嗎？有什么好的辦法？

學生：可以將輝光球罩起來.

教師：那我們通過實驗來看一下.

演示實驗3:檢驗猜想

老師拿著日光燈管，靠近如圖5(a)所示的輝光球.學生觀察到的現象與猜想矛盾.

(a)日光燈管靠近輝光球時發光

建模分析：建立如圖5(b)所示的模型，把輝光球產生的電場看成點電荷產生的電場，金屬網罩用空腔導體代替.

結論：導體外表面上仍有電荷分布，產生的電場使日光燈管發光.

教師引導:有沒有辦法導走外表面的電荷？

學生：接地.

演示實驗4：讓學生用手接觸金屬網罩，如圖6(a)，教師手拿日光燈管接近，發現燈管沒有發光.

(a) (b)

教師引導：在前模型的基礎上引導學生建立圖6(b)所示模型，解釋實驗現象.

(a)日光燈管靠近輝光球時不發光

結論：金屬網(導體腔)對外電場起屏蔽作用，接地的金屬網(導體腔)還可以屏蔽內電場.

展示生活生產中靜電現象應用和防護實例，如圖7所示.

設計思路：利用靜電平衡條件分析實際問題(靜電屏蔽現象)，通過靜電屏蔽對比實驗再次激起學生探究激情.

(4)合作探究完善結論

過渡：前面我們研究了不帶電的金屬導體在電場中達到靜電平衡時的特點，那么,一個孤立帶電金屬導體，能不能到達靜電平衡狀態？它的電荷又是如何分布的呢？

教師引導學生用剛才分析處在勻強電場下金屬導體的方法去分析并得出孤立導體在自身激發電場的作用下也會達到靜電平衡狀態.

學生實驗：探究孤立帶電導體電荷分布,實驗裝置如圖8所示，實驗器材有感應起電機、鋁箔紙、金屬盒、導線、膠帶等.

圖8 探究孤立帶電導體電荷分布實驗裝置

實驗現象：金屬盒內金屬箔不張開,金屬盒外張開.學生交流討論以上實驗現象，得出結論.

結論：帶電導體凈電荷只分布在其外表面上，內部沒有凈電荷分布，此結果與不帶電導體在電場中達到靜電平衡狀態時一致，進一步證明了孤立導體在自身激發電場的作用下也會達到靜電平衡狀態.

教師引導：那么外表面電荷分布有沒有什么規律呢？

引導猜想：一枚縫衣針，帶電后，電荷如何分布？均勻帶電導體球電荷如何分布？

(5)實驗證明尖端放電

演示實驗5:避雷針對比實驗.

如圖9所示，通過高壓感應起電機使上極金屬板帶負電，用來模擬云層，下極板模擬大地，左邊金屬管道上放上均勻金屬球，右邊插入尖狀的金屬導體.

圖9 尖端放電實驗演示裝置

學生觀察到插入尖狀的金屬導體的一側先放電，如圖9所示.

歸納總結：導體尖端電荷分布多，產生的電場強，周圍空氣中的帶電粒子在該強電場作用下加速，獲得較大速度，會撞擊空氣分子致其電離，電離產生的正電荷奔向尖端與其中和，相當于尖端把負電荷釋放到空氣中，我們把這種現象叫做尖端放電.

多媒體展示，如圖10所示

圖10 尖端放電現象的應用和防護

(6)收集資料，分享交流

學生課后收集靜電的應用和防護的資料，課上與同學分享交流.

設計思路：讓學生體會到靜電現象給生活帶來方便的同時，也有危害的一面，引起學生對科學、技術、環境與社會協調發展關系的思考.培養學生的社會責任感.

5 實踐反思

本課以演示實驗-建模分析-猜想論證-實驗驗證這樣的教學程序，打造“自主學習，合作探究，精講釋疑” 為特點的高效課堂.通過師生之間、生生之間的平等合作和交流溝通，落實了《新課標》的要求，充分體現教師為主導、學生為主體的新教學理念，在課堂上盡量發揮學生的主觀能動性，讓他們不斷嘗到成就感，教師起到導的作用.學生作為學習主體，以及建構知識的主體地位，從而能夠較好的達到了本節課的教學目標，在教學實際中踐行高效課堂的教育理念.本節課多次展示自制的“低成本演示實驗器材”，解決了學生對抽象的電場理解的障礙和以往對靜電現象應用的空談，體現了物理教育理論聯系實際，培養學生“發現精神”的設計理念.進一步提高學生的創新思維和創造能力，塑造勇于創新，善于創造的人格，培養高素質人才.

由于實驗條件所限，在分組實驗中沒有實現學生以學習小組為單位制作探究帶電導體電荷分布的裝置，分組供電完整完成觀察現象得到結論的過程.由于時間限制，對于靜電現象在生產和生活中的廣泛應用也沒有充分地展示或帶領學生實地觀摩，確實留有遺憾.