電場學習中的困難成因及解決策略探討

林曉坤

摘 ? 要：電場是高中物理的重要觀念，因其自身特點難以定義、難以獲得感性認識，同時因類比法運用中的問題，最終導(dǎo)致教師感覺難教、學生感覺難學，形成學習困難現(xiàn)象。分析導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因，并提出解決策略。

關(guān)鍵詞：電場;類比;困難;策略

電場是高中物理學科的重要知識。作為客觀存在的一種特殊物質(zhì)，電場與由原子構(gòu)成的實物不同，對電場的認識方式也與實物不同。在初學階段，學生對電場沒有正確的認識、沒有找到與之相適應(yīng)的學法，使學習過程呈現(xiàn)概念掌握困難、知識遷移困難、容易遺忘等特點。正視這些困難，分析成因，才能找到解決問題的策略，促進學生科學思維能力的發(fā)展。

1 ?電場概念建立困難及解決策略

電場沒有顏色、形狀等可感知的外在特征，只能通過電荷才能檢驗其存在與否。自然界中有天然磁體，卻少有天然的自由電荷，這導(dǎo)致學習者在日常生活中對電場的感性認識極度缺乏，又無法從教科書中獲得嚴密的定義，在電場概念的建立過程中遇到極大的困難。

1.1 ?認識的發(fā)展導(dǎo)致電場定義困難

電場和磁場相互聯(lián)系，統(tǒng)稱電磁場。靜電場是靜止電荷產(chǎn)生的電場。但什么是電場，在各教科書中卻沒有明確的定義。查閱現(xiàn)有的資料，電場的表述，有的是“電荷的周圍存在著由它產(chǎn)生的電場”[ 1 ]，有的是“電荷的相互作用不可能超越距離，是通過場傳遞的，這種場稱為電場”[ 2 ]，百度百科詞條釋義是“電場是電荷及變化磁場周圍空間里存在的一種特殊物質(zhì)。”這些解釋或說明電場的來源，或歸于“物質(zhì)”這一更加抽象的概念，學生并不能依據(jù)這些定義進行有效的判斷，可操作性不強。

導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因是人們對電場所屬的電磁場及其上位概念——場的認識還處于不斷深入的過程。早期，亞里士多德認為力作用只有通過接觸才能實現(xiàn)，推理出傳遞力的介質(zhì)肯定存在。笛卡爾為此提出“以太”概念。法拉第應(yīng)用“以太”概念對電磁現(xiàn)象進行研究，他設(shè)想在帶電體和磁體周圍充滿某種由電和磁產(chǎn)生的物質(zhì)以太，以太傳遞電力和磁力，并第一次把這種介質(zhì)以太命名為“場”，作為發(fā)生電磁作用的場所而存在。麥克斯韋依據(jù)法拉第的“場”概念，完成了電磁場的數(shù)學理論工作。之后，邁克爾遜實驗沒有觀察到“以太漂移”，龐加萊認為以太可能并不存在，對“場”的認識深化為場是與實物不同的一種物質(zhì)。在普朗克對黑體輻射的研究和愛因斯坦對光電效應(yīng)解釋過程中，量子給場的連續(xù)概念帶來了致命的打擊。在狄拉克的量子場論中，人們認識到場與粒子的轉(zhuǎn)變，看到了物質(zhì)形態(tài)間斷與連續(xù)間的轉(zhuǎn)化，認識到粒子與場的物質(zhì)統(tǒng)一性。直到現(xiàn)在，統(tǒng)一場論和終極理論還在不斷發(fā)展[ 3 ]。顯然，僅憑初學階段的一些性質(zhì)就對電場進行嚴密定義是不適當?shù)摹?/p>

1.2 ?感性認識不足導(dǎo)致電場理解困難

因電場無法給出明確的定義，導(dǎo)致后續(xù)邏輯程序（逐步詳細講解關(guān)鍵詞語的含義、讓學生理解接受從而掌握概念等）無法進行，電場必須依靠歸納特征來建立物理概念。根據(jù)歸納特征而組織的物理概念教學過程要經(jīng)歷感知活動、思維加工、得出定義、鞏固發(fā)展幾個階段。在感知活動階段，教師引導(dǎo)學生從教材、生活經(jīng)驗、觀察實驗等途徑，獲得感性知識，為概念形成打下基礎(chǔ) [ 4 ]。

雖然電場是客觀存在的物質(zhì)，但正是因為無法直觀感知，學生在初學階段往往對其存疑，將電場視為附屬于電荷的概念，將電場力視為庫侖力的另一表述方式，電場作為物質(zhì)的觀念并未真正形成。此外，在南方氣候濕潤的地方，由于濕度較大，很多靜電實驗不易成功，教師在教學時只能通過邏輯推演或借助多媒體展示，學生缺乏感性認識，使問題更加嚴重。物理是實驗的科學，“分析實驗現(xiàn)象→總結(jié)規(guī)律→建立新的概念”是必然的認識發(fā)展過程。要感知電場，必須得有實驗。在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，使用輝光球（如圖1）進行實驗可以較好地體現(xiàn)場的客觀性，對幫助學生理解電場有一定作用。打開輝光球開關(guān)，出現(xiàn)輻射狀輝光，告訴學生這不是電場。將測電筆（如圖2）靠近輝光球，會發(fā)現(xiàn)測電筆中的氖泡發(fā)光;將測電筆遠離輝光球，會發(fā)現(xiàn)測電筆中的氖泡不再發(fā)光。很明顯，是輝光球周圍的場使氖泡發(fā)光，越靠近輝光球氖泡越亮表明離輝光球越近場越強。雖然這個場是輝光球中高頻電壓形成的電磁場，并不是電場，但該電磁場與點電荷的場強特點高度相似，有助于點電荷的場強的學習。此外，若將泡沫塑料顆粒等輕小物體灑在輝光球的玻璃泡上時不會被吸附，這說明玻璃泡上并沒有電荷，場是獨立于電荷的客觀物質(zhì)，不是電荷的附屬物。與用磁場類比電場或用電流場類比電場相比，該模擬實驗更能說明問題。

通過該模擬實驗，學生發(fā)現(xiàn)原有認知結(jié)構(gòu)無法同化提供的信息，從而引起的認知結(jié)構(gòu)的重組與改造，即以順應(yīng)的方式初步建立電場概念。

2 ?電場知識遷移困難及解決策略

上述模擬實驗只反映電場的客觀性。為了將學生頭腦中初步建立的電場從抽象概念上升到具體概念，課本安排了電場力、電場力做功等內(nèi)容，并引入電勢能、場強、電勢和電勢差等概念，以說明電場力的性質(zhì)和能的性質(zhì)。圍繞這些知識的教學，一線教師和學者開展了大量的研究，形成了用類比法進行教學的普遍共識。將學生熟悉的知識或經(jīng)驗稱作類比物，把要學習的新知識稱作目標物，如果類比物和目標物具有一些相同或相似的屬性，在它們間建立映射關(guān)系，這就是類比。類比可以使得陌生概念具體化、形象化，從而促進學生形成對這些概念的理解[ 5 ]。若類比不規(guī)范或不完整，也會引起學習困難。

2.1 ?學法不當導(dǎo)致電場知識遷移困難

應(yīng)該注意到，類比物和目標物間只是可能相似而非必然相似。在使用類比法授課時，教師既要引導(dǎo)學生發(fā)現(xiàn)二者的相似之處，又要適當指出二者的區(qū)別。

以重力勢能和電勢能的類比為例，如表1所示。

可以發(fā)現(xiàn)，類比物和目標物之間具有結(jié)構(gòu)上的相似性，都是通過場力做功定義勢能。但二者又有所區(qū)別：重力方向是確定的，當始末位置和質(zhì)量確定，功即確定，重力勢能也隨之確定;電場力方向與場強和電荷的電性有關(guān)，電場力做功并不由始末位置唯一確定，電勢能也是如此。

如圖3，當一個質(zhì)量為m的物體位于參考平面的下方B點時，求物體在該處的重力勢能有兩種方法：

方法1：把這個物體從B點移動參考平面，求出重力做功WBO=GsBOcos180°=-mgh2，所以B點的重力勢能EPB=WBO=-mgh2 。

方法2：選定參考平面→確定物體高度和質(zhì)量→代入公式EPB=mghB=-mgh2。

除了確定參考平面外，方法1有計算重力功和以重力功定義重力勢能兩個步驟，方法2只需要代入數(shù)據(jù)一個步驟。學生常認為方法2可操作性強、更易掌握，但這種方法導(dǎo)致學生認為只要高度確定了重力勢能就確定，而忽視了重力做功對重力勢能的決定關(guān)系。當學習電勢能時，若用方法2，會發(fā)現(xiàn)在電場中的同一點的放入正、負電荷時電勢能不同，電勢能并不由位置唯一確定;若用方法1，電勢能由電場力做功決定這點不變，僅需要根據(jù)電場力與位移的方向計算電場力的功即可。

這也說明，對概念的形成過程掌握越規(guī)范，越能發(fā)現(xiàn)類比物和目標物間的相似性，越能避免因類比不一致導(dǎo)致的學習困難，實現(xiàn)知識的遷移。

2.2 ?知識網(wǎng)絡(luò)不完善導(dǎo)致遷移困難

場強E=F/q、電勢φ=Ep/q、電勢差U=W/q都是用比值定義法獲得的物理量，看似僅三個量組成的比例關(guān)系，內(nèi)容不多，但卻涉及到場量描述的兩種范式，即“力”的描述范式與“能量”的描述范式。這兩種描述范式對于“場”的描述是等效的，而且彼此關(guān)聯(lián)[ 6 ]。為幫助學生理解并掌握這些描述范式，進行適當?shù)牧曨}訓練是必要的。在初學階段，學生并未理解這些物理量間的關(guān)系，部分學生出現(xiàn)翻開書對照公式可以解決簡單題目、合上書便忘記、遇上綜合題便無從下手的現(xiàn)象，知識遷移極為困難。教師作為先行者和引導(dǎo)者，要善于利用學生這種茫然進而急于求知的心態(tài)，讓學生在習題的研學活動中理解、整合新內(nèi)容，增加知識信息量，形成各種物理觀念、循序漸進完善知識的系統(tǒng)性，發(fā)揮出習題的求知功能。

例如，將帶電物體放入電場會受到電場力的作用，若物體不帶電則沒有電場力，但電場仍存在、電場對電荷產(chǎn)生力的本領(lǐng)仍然存在，電場強度E從力的角度描述了電場的性質(zhì)。以此類比，電勢φ從能的角度描述了電場的性質(zhì)，電勢差U從功的角度描述了電場的性質(zhì)。則從力和功能的關(guān)系，可以引導(dǎo)學生構(gòu)建如圖4的知識網(wǎng)絡(luò)。

從場強E、電勢差U、電勢φ分別反映了電場的力的性質(zhì)、功的性質(zhì)、能的性質(zhì)出發(fā)，還可以發(fā)現(xiàn)：功與力的關(guān)系W=Fd類比功的性質(zhì)與力的性質(zhì)間的關(guān)系U=Ed、功與能的關(guān)系WAB=EpA-EpB類比功的性質(zhì)與能的性質(zhì)間的關(guān)系UAB=φA-φB、力的矢量性類比場強的矢量性、功和能的標量性類比電勢差和電勢的標量性、力的合成類比場強的疊加原理等。這樣，學生就可以把電場中的新知識及其相互關(guān)系與熟悉的知識及其關(guān)系相對應(yīng)，從掌握的基礎(chǔ)知識和基本技能中產(chǎn)生新的知識遷移，把電場問題轉(zhuǎn)化為力和功能的問題進行處理。比如，W=Fd適用于恒力情境遷移出U=Ed適用于勻強電場情境，動能定理W合=Ek2-Ek1可應(yīng)用于變力情境遷移出該式可應(yīng)用于非勻強電場情境等。

綜上所述，在高中電場教學中，教師在物理觀念方面，要通過實驗展示場的客觀性，建立電場的物質(zhì)觀念;在科學思維方面，要引導(dǎo)學生通過規(guī)范地抽象概括過程理解概念，把握電場的內(nèi)在規(guī)律，要通過建立合理的知識網(wǎng)絡(luò)培養(yǎng)遷移能力，從而有效克服電場學習中的困難，提升物理核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1] 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-1[M].北京：人民教育出版社，2017.

[2]中學物理教材編寫組.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-1[M].山東：山東科學技術(shù)出版社，2019.

[3] 鄧人忠.物理學基本概念探討[M].北京：氣象出版社，2010.

[4] 葉建柱，蔡志凌.物理教學中的邏輯[M].北京：科學出版社，2013.

[5] 溫斯瓊，潘蘇東.物理教科書中類比策略的分析——以新人教版高中物理教科書為例[J].中學物理，2021，39（9）：25-29.

[6] 趙玉萍，邢紅軍，瞿彥芳.論“電勢差與電場強度關(guān)系”教學設(shè)計[J].中學物理，2021，39（5）：50-53.