基于物理觀念形成和發展的教學設計
——以“電勢差與電場強度的關系”為例

唐維四 張菊香 周棟梁

(1. 江蘇省灌南縣惠澤高級中學,江蘇 連云港 222500;2. 江蘇省灌南高級中學,江蘇 連云港 222500)

1 引言

物理觀念是物理概念、規律等在頭腦中的提煉與升華。[1]隨著時間的推移,物理知識或許會逐漸地被學生遺忘,但物理觀念卻是根深蒂固。當認識從物理知識上升到物理觀念層面時,學生對于知識的處理便能從“生搬硬套”上升到“觸類旁通”的更高層級。有了這些物理觀念,學生便能更好地從物理學視角去解釋自然現象和解決遇到的實際問題。

在人教版高中物理必修第三冊 《靜電場中的能量》一章中“電勢差與電場強度的關系”一節所呈現的內容不太多,思維難度也不大,在實際教學中不少教師往往只重視電勢差和電場強度關系的結論及其應用,卻忽視了本節內容放在此處的特殊用途,即在引入電場強度描述“電場力的性質”和引入電勢描述“電場能的性質”之后,教材試圖幫助學生建立電場“力”與“能”之間的關聯,讓學生從整體的角度認識電場。若教師能基于大單元的視角,搭建電場“力”與“能”兩者之間的關聯,則在幫助學生深度理解電場的同時,促進他們運動與相互作用觀念和能量觀念的形成和發展。

研讀人教社2019年版高中物理教材,其內容組織的邏輯層次結構如圖1所示。[2]

圖1

這種內容編排方式符合學生的認知邏輯,但在實際教學中,教師往往把教學的重點放在后三個環節,這樣的教學設計沒有體現編者的意圖,不利于學生核心素養的培養。針對第一個環節,筆者在教學實踐中做了如下的設計。

2 電場強度和電勢表征方式的分類

通過師生一起復習、回顧,構建相關知識結構(圖2),即從“數”的層面定義電場強度和電勢,從“形”的層面、直觀地表征電場強度和電勢。

圖2

3 構建電場強度和電勢的定性關系

通過師生一起復習、回顧電場強度和電勢之間的關系,可以得出結論：沿著電場線的方向電勢逐漸降低;電場線與等勢面垂直,并且由電勢高的等勢面指向電勢低的等勢面;等勢面越密處電場線也越密集,即等勢面越密處電場強度越大。從結構化考慮,它們間的對應關系如圖3所示。[3]

圖3

顯然,基于學生已有的知識結構,電場強度與電勢在“數”方面的關系還有待探究。

4 構建電場強度E和電勢差U的定量關系

首先呈現圖4,甲、乙、丙為三種不同電場的電場線分布,引導學生分別判斷電場中A、B、C三點的電勢高低和場強強弱。

圖4

學生通過探討發現：雖然電場強度和電勢都是表征電場屬性的物理量,但二者大小之間并無直接關系,在此基礎上教師再次引導學生思考：電勢能變化是通過電場力做功實現的,電場力做功多少與電場強度大小有關,而電勢能變化也與電勢差相關。據此,你認為在“數”的層面上電場強度和電勢差之間有何關系?從而讓學生在知識結構化的過程中,確立本節課題：電勢差與電場強度的關系。

如此引入本節課題,不僅可以較好地達成傳統的教學目標,而且可把隱含在教學內容和教學過程中的“教育因素”得以充分發掘和利用,更好地促進學生物理觀念的形成和發展,進而提升他們的核心素養。

在完成以上三個環節的教學之后,為了幫助學生從單元教學的角度更加全面地認識靜電場,并形成比較完整的知識結構,可以試探電荷為載體,幫助學生構建“力”和“能”的封閉知識鏈(圖5)。

圖5

在師生一起構建靜電場這一大單元“知識鏈”的過程中,學生更容易理解物理量之間的關系,對其靈活運用物理知識解決實際問題具有重要意義。同時在構建電場強度和電勢差的定量關系的過程中,也蘊藏著豐富的與物理觀念、科學思維、科學探究相關的活動,可以較好地提高學生的核心素養。

5 結語

教師在設計教學時,必須以課程標準為依據,分析學情和教材,除了關注知識內容的呈現外,更要關注相關內容的呈現過程和方式,把教學設計置于單元教學層面進行學習內容規劃、學習活動設計,以更好地促進學生物理觀念的形成和發展、科學思維的穩步提升,進而提高他們的核心素養。