基于遞進式問題鏈和科學探究的物理概念教學
——以魯科版新教材“電場與電場強度”教學為例

2023-01-29 01:24:40蘇媛媛

物理教學探討 2022年12期

蘇媛媛

龍巖第一中學，福建龍巖 364000

隨著新課改的不斷推進，《普通高中物理課程標準（2017年版）》提出以學生發展為本，培養學生物理學科核心素養的要求。物理是一門以物理概念為基礎，以物理定律為主干，各概念與公式定律間又共同構成一個嚴密邏輯體系的學科［1］。概念教學是培養學生科學素養的重要途徑之一。傳統的概念教學通常以教師講授為主，大多只停于表面，學生參與度不高，效率低下。

如何以學生發展為本呢？1969年加拿大麥克馬斯特大學的Barrows教授首創以問題為導向的教學方法 PBL（Problem Based Learning），即以學生為中心的教育方式，強調以學生的主動學習為主，而不是以教師講授為主。PBL將學習與問題掛鉤，使學習者投入于問題中，在問題的探究中掌握隱含的科學知識。問題導向教學法的精髓在于發揮問題對學習過程的指導作用，而遞進式問題鏈是根據事物之間的內在聯系提出一系列由淺入深的問題［2］。本文即以魯科版新教材“電場與電場強度”教學為例，設計基于遞進式問題鏈和科學探究的教學過程。

1 教材分析與教學策略

靜電場是整個高中物理電磁學的基礎，“電場與電場強度”是魯科版高中物理必修三第一章第3節的內容。本節內容是在學生學習了“庫侖定律”的基礎上提出“電場”的概念，從電荷在電場中受力的角度研究靜電場力的基本性質，場強是描述電場力的性質的物理量，用比值法定義場強對后續電勢、電容和磁感應強度等概念的學習有著重要的意義。

學生通過前面的學習，從初中物理的定性分析上升到高中物理的定量討論，從形象思維上升到抽象思維，具備一定的觀察和分析能力。但是，利用所學知識創造新概念，通過現象分析得出理論的能力還有待進一步提高。因此，本堂課利用演示實驗引導探究，通過設置問題鏈促進學生深層次思考，體驗概念的建立過程，圓滿完成學習任務。

2 教學設計與實施

2.1 創設活動情境，引出前人探索的歷程

活動1：給你兩根吸管、細線、掛鉤、鐵架臺，如何讓吸管轉起來？（要求：兩吸管不能直接接觸，不能用嘴吹氣）

學生活動：細線的一端固定在鐵架臺上，另一端拴在掛鉤上。兩根吸管與頭發摩擦后，將其中一根吸管置于掛鉤上，用另一根吸管靠近時，掛鉤上的吸管被排斥而轉起來。

問題1：仔細觀察同學的操作，結合前面學習的內容，解釋他是如何做到的？

活動1和問題1設置的目的是通過課前游戲，激發學習興趣，讓學生直觀認識到有些力的產生不需要直接接觸，引導思考“非接觸力是如何傳遞的”，進而介紹相關物理學史，了解人類認識物理規律的歷程，感受科學家們對真理的探究精神，體現“從生活走向物理”的理念。

2.2 創設實驗情境，體驗科學探究過程

探究一感受電場的存在

活動2：給金屬球通電。

問題2：金屬球周圍是否有電場？

問題2.1：電場看不見、摸不著，如何知道它是存在的呢？

問題2.2：例如，我們坐在教室里，知道外面起風了，你是怎么知道的呢？

問題2.3：這給我們提供了一種什么樣的研究方法？為了證明電場的存在，我們可以怎么做？依據是什么？

問題2.4：對放入電場中的試探電荷有什么要求？

問題2及其子問題的目的：

①引導學生認識：對于無形的物質，我們可以借助外物間接研究。教學中用學生熟知的無形的風進行類比，給學生充分的想象空間，便于學生理解抽象的物理概念（電場）。

②按照學生的認知規律，通過層層追問，結合實物，讓學生理解并掌握電場的基本性質以及場源電荷、試探電荷等概念，促進學生建立并理解抽象的物理模型，提升其思維品質。

活動3：讓泡沫小球帶上電荷，用絕緣細線拴住泡沫小球放入電場。

問題3：仔細觀察并解釋現象。

問題3.1：將泡沫小球（試探電荷）放在金屬球周圍，你觀察到什么現象？得出什么結論？

問題3.2：將泡沫小球（試探電荷）放在金屬球不同距離處，你觀察到什么現象？得出什么結論？

問題3.3：是不是說明試探電荷受電場力越大，對應位置的電場就越強？

實驗是物理學科的特點，該部分內容采用教師演示、學生觀察的方法，引導學生思考問題3、問題 3.1和問題 3.2，旨在引導學生認真觀察，培養他們通過現象分析問題的能力，使他們認識到：①金屬球周圍有電場，細線偏角方向不同（試探電荷受力方向不同），即電場有方向（矢量性）；②試探電荷在不同距離處細線偏角不同，受力大小不同，即電場有強弱。問題3.3的出現引發學生認知沖突，觸發進一步思考，提升其思維品質，也為下一階段的實驗探究埋下伏筆。

活動4：利用現有的器材，設計實驗方案，探究電場強弱與電場力的關系。

問題4：你們組的觀點是什么？如何進行實驗？（學生分組討論，匯報成果）

“科學探究”是物理核心素養的重要組成部分，它注重過程和體驗，能夠培養學生勤于探究、樂于思考的意識和習慣，能夠有效幫助學生建構物理概念和規律［3］。該部分內容采用學生分組討論，小組代表上臺闡述并進行實驗操作的方式，學生設計的實驗方案如表1所示。旨在引導學生樹立實驗目的的意識，培養實驗設計的能力；小組討論的方式大大提高了課堂效率，培養學生合作互助的意識；小組間交流意見，鼓勵組內代表闡述自己的觀點，提高語言表達能力，在互助合作中提升科學探究能力；小組代表上臺實驗操作，教師根據表述情況及時提出問題（例如，如何獲取不同的試探電荷？——接觸法，分走部分電荷；如何控制電場中的同一點？——用筷子記錄電場位置等），引導學生正確操作，鍛煉動手實驗能力的同時，培養分析問題的能力和嚴謹的科學態度。活動4及其探究過程引發學生深層次的思維沖突，推進下一階段的理論探究。

表1 實驗方案設計

問題5：試探電荷受到的電場力能不能反映該處電場的強弱呢？我們從理論上進一步推導。

問題5.1：如圖1所示，已知真空中點電荷Q的電場中，距離場源為2r和r處有A、B兩點。①將試探電荷q放在電場中不同點（A點和B點），設它在A點所受電場力為F，則它在B點受到的電場力是多少？②試探電荷電量分別為2q，3q，4q時，在A點受到的電場力是多少？③B點處放入不同的試探電荷時的受力分別是多少？

圖1 理論推導模型

學生分析，得到結論，如表2所示。

表2 分析結論

問題5.2：結合表1、表2，你能得到什么結論？

引導學生得到如下結論：

①結合實驗1，縱向分析表格，說明同一試探電荷放在電場中的不同點受力不同，受力大，對應的電場強（同一試探電荷受力不同，是電場本身強弱引起的）——離場源電荷越近，電場越強。

②結合實驗2，橫向分析表格，電場中同一點，不同試探電荷受到的電場力是不同的（某點的電場強弱是確定的，試探電荷受力不同是帶電量不同導致的）。

問題5.3：如何消除試探電荷帶電量的影響？

問題5的設置是在學生充分了解現象的基礎上進行的理論推導（首先進行庫侖定律的簡單應用，然后通過層層設問引導學生學會分析數據，通過數據看到隱藏其中的物理規律，從而得到結論：這一比值反映的是電場自身的屬性，其大小反映電場的強弱，與引入的試探電荷無關）。在實驗探究的基礎上進行更高級的理論探究，設置問題層層遞進，教學過程中傳遞了豐富的科學思想和方法，逐漸建構出“場強”這一概念，概念、定義式等的得出水到渠成，便于學生理解和接受，從而實現本堂教學目標的達成。

問題6：我們還學過哪些物理量是用比值法定義的？

問題6.1：某同學由場強定義式得出“場強的大小與試探電荷所受的電場力大小成正比，與其電荷量成反比”，這個觀點對嗎？

用比值定義物理量是物理學中常用的一種方法（比如密度、場強、速度、比熱容等），就是用兩個基本物理量的“比”來定義一個新的物理量，其特點是該比值反映的是自身的屬性，它不隨所用物理量的大小取舍而改變（比如，電場中某點的場強不隨試探電荷q及其受力F而改變）。該部分設置意在加強學生對比值法的理解，尋找此種方法定義的物理量的共性，開展類比，促進學生思維提升和知識的遷移，在類比中加深理解。

問題7：有同學認為，場強方向就是試探電荷受力的方向，你覺得對嗎？

問題7.1：場源電荷＋Q，電場中A點處放入正的試探電荷（圖2），判斷試探電荷受力方向。

問題7.2：場源電荷＋Q，電場中A點處放入負的試探電荷（圖2），判斷試探電荷受力方向。

圖2 試探電荷受力方向判斷

問題 7.3：場源電荷＋Q（圖 3），判斷電場中 A點的場強方向。

問題 7.4：場源電荷-Q（圖 3），判斷電場中 A點的場強方向。

圖3 場強方向判斷

問題7.1、問題7.2讓學生在應用所學知識的基礎上發現問題，從而明確為什么要對場強方向進行規定，說明場強與試探電荷電性、電量無關；問題 7.3、問題 7.4加強學生對“場強反映自身屬性”這一特性的理解。

問題8：如圖4所示，真空中A點處有一點電荷Q，距此點距離為r的B點處放入試探電荷q？已知靜電力常量k，求：

圖4 例題圖示

（1）試探電荷受到的電場力；

（2）B 點處的場強 EB。

適時呈現例題，讓學生體驗物理規律的應用，及時發現其中存在的問題，要求學生作答規范，提高解題能力；通過此題，學生根據所學知識（庫侖定律和場強的定義式）推導出點電荷場強的決定式，知道公式的來龍去脈，明確其適用范圍，提高理論與實踐相結合的意識，培養其嚴謹的科學思維和推論能力。

問題9：以點電荷＋Q為中心作一個球面，球面上各點場強相同？

通過概念辨析，加強理解，明確不同公式的適用范圍及相關物理量的意義，提高學生反思的能力，加強對物理規律及意義的深刻理解和掌握，對學生學習物理規律的內在建構過程和認知有重大意義。

3 結語