創設物理情境提高科學思維能力的探究

摘 要：本文以“電場強度”教學為例，通過創設物理情境，強化問題導向的教學方法，旨在激發學生的認知沖突，進而引導他們自主思考、自主探究。在這一過程中，教師應促進學生以情境引問題、以問題導探究、以探究促真知，從而有效培養學生的科學思維能力，并促進學生核心素養的全面發展。

關鍵詞：科學思維；創設情境；電場強度

1 引言

科學思維是物理學科核心素養之一，主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。^［1］科學思維的培養是物理教育的核心，也是物理教學的難點。創設適合學生發展科學思維的學習情境，為學生展示自身物理學科核心素養搭建平臺，是《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》對教師物理教學的基本要求。^［2］

學生在情境中產生疑難、在疑難中產生問題。這一過程能夠激發學生的認知沖突，促使他們積極思考，這對于培養學生的核心素養至關重要。

情境的創設應循序漸進，這要求教師在學生的最近發展區設計多樣化的情境。本文以“電場強度”教學為例，嘗試通過創設物理情境的方法，培養學生的科學思維能力。

2 創設情境提高科學思維能力的策略研究

2.1 模型建構，啟發思維

情境1：“場源電荷”“檢驗電荷”模型的建立。

師：我們先使一個金屬球帶電，金屬球的周圍形成了電場，金屬球上的電荷是電場的來源。

因此，我們把金屬球所帶的電荷稱為場源電荷。接下來，我們需要檢驗金屬球周圍電場的強弱與方向。

我們該如何研究？

生：放一個電荷在這個場源電荷附近，看受力情況。

師：為了更好地研究這個金屬球周圍的電場強弱及方向，能否再找個電荷量較大的電荷放在附近？

生：不行，電荷量較大的電荷可能會影響金屬球的電荷分布。

師：是的，確實會有影響。通常，我們把放在場源電荷附近且電荷量和體積都很小的電荷叫作試探電荷，或者檢驗電荷。

設計意圖：

通過建構模型，教師能夠幫助學生抓住事物的關鍵要素，加深學生對物理概念的理解。教師通過做實驗來幫助學生創設物理情境，把復雜問題抽象成物理模型來分析，為接下來的科學推理搭建平臺，打開學生思考的大門，啟發學生的思維。^［3］

2.2 科學推理，拓展思維

情境2：電場概念的建立。

師：頭發和風扇未直接接觸，是什么使頭發感受到風扇的作用？

生：轉動的風扇通過空氣這個媒介對頭發產生了作用。

師：磁體和磁針未直接接觸，是什么使磁針感受到了磁體的作用？

生：磁體通過磁場這個媒介對小磁針產生了作用。

師：用抹布摩擦過的PVC管能讓易拉罐轉動，還能讓燒杯中的火柴棒轉動起來，是什么

推動了易拉罐和火柴棒的運動？

生：帶電體通過電場這個媒介對其他帶電體產生了作用。

師：電場是存在于帶電體周圍的一種特殊物質，它看不見、摸不著，但是確實存在。近代物理學史上，庫侖認為“電力、磁力與引力一樣是一種超距作用，這種力的傳遞不需要任何介質……”而法拉第于19世紀30年代提出了“場”的觀點，他認為與“磁體周圍存在磁場”一樣，電荷周圍也存在著電場。這兩位誰的觀點對呢？這種力是超距作用，還是需要通過“場”做媒介發揮作用呢？

教師進行展示實驗：用輝光球代替場源電荷，將日光燈管靠近輝光球。

師：同學們，發現了什么？

生：手移動到哪里，日光燈管就亮到哪里。

師：這個日光燈管發光的原理和家用日光燈發光的原理是不同的。

家用日光燈發光是因為在閉合回路中，通過開關控制電流通過燈管，從而使其發光。

而這個實驗中，輝光球內的電極產生強電場，該電場令日光燈管中的惰性氣體和汞原子電離，從而輻射出白光。

當日光燈管通過人體接地，且手接近輝光球時，由于電場的作用，二者之間的日光燈管便會亮起。

如果日光燈管和輝光球之間的作用機制是超距作用，即不需要任何介質就能發生作用，那么理論上日光燈管和輝光球之間放置任何東西都不會影響日光燈管的亮暗狀態。請同學們拿本書放中間試試。

一位學生用一本物理書擋在日光燈管和輝光球之間，發現這個行為不會影響日光燈管的亮暗狀態。

師：有沒有人拿老師的物理書放中間試一試呢？

另一位學生把教師的物理書放兩者中間，發現日光燈管不亮了。

師：這是為什么呢？難道老師的書被施了魔法嗎？

生：要求翻開老師的書，里面可能有東西。

教師翻開書后，學生發現里面有一張錫箔紙。

師：難道這張錫箔紙被施了“魔法”嗎？

生：可能任何導體放在日光燈管和輝光球之間都會使日光燈管不亮。

幾位學生將手和鐵皮材質的文具盒放在日光燈管和輝光球之間，都發現日光燈管不亮。

師：請問電場力是超距作用嗎？

生：不是。

設計意圖：在該教學情境中，教師通過學生已有的認知創設魔術實驗情境，引導學生把電場的概念一步步地推理出來。而對于電場這個看不見、摸不著的物質，教師通過“輝光球點亮日光燈管”的小實驗去創設情境，讓學生感受電場的存在。通過將書放在日光燈管和輝光球之間，教師一步步創設實驗情境，引導學生理解——電場力不是超距作用。教師不僅介紹了輝光球的原理，還介紹了其與家用日光燈管發光的機制的不同之處，從而拓展了學生的思維。在此基礎上，教師鼓勵學生活學活用，通過創設認知沖突情境來激發學生的探索欲，進一步引發學生對問題深入研究的興趣。這一系列教學活動使得課堂教學更加生動有趣，呈現出多維立體的特點，并有效促進學生科學推理思維能力的提升。

2.3 科學論證，發展思維

情境3：分析電場強弱及用比值法定義電場強度。

師：如果空間存在電場，我們通過什么辦法可以知道呢？

生：在電場中放置電荷，通過觀察電荷所受的力，我們可以推斷出電場的存在。

師：如何更加形象地表示電場力的存在呢？現在有克拉秤、帶電的錫箔小球、范氏起電機，你能設計實驗嗎？

生：可以將帶電的錫箔小球放在克拉秤上，先進行校零操作。當帶電的錫箔小球靠近范氏起電機的金屬球時，克拉秤上會出現示數變化。

師：同一帶電小球，電荷量保持不變，怎么判斷不同位置的電場強弱？

生：當將克拉秤從范氏起電機的金屬球附近逐漸遠離時，觀察到克拉秤的示數逐漸變小。

這一現象表明，在電荷量不變的情況下，同一帶電小球在不同位置受到的電場力大小不等，從而反映出電場的強弱也不同。

師：根據前面學過的庫侖定律知識，我們可以對電場的強弱進行進一步論證。在距離場源電荷r處，放置電荷量分別是q、2q、3q的電荷，以及在距離場源電荷2r處，放置電荷量分別是q、2q、3q的電荷，求出相應的庫侖力。

師：請分析，電場中的同一點，不同電荷受力，以及力與電荷的比值有什么特點？

生：通過計算可推理出，電場中的同一點，不同電荷受力不同，但比值Fq是相同的。

設計意圖：科學論證是一種以科學知識為媒介，積極面對問題，對所獲得的數據資料進行解釋說明，提出個人論點，同時能有反駁他人觀點的高級思維能力。在這段情境教學中，教師巧妙地運用了范氏起電機和克拉秤等工具來創設情境，使學生能夠直觀地感受電場強弱的變化。隨后，通過控制變量法，學生被引導記錄并分析實驗數據，從而自主推理論證相關科學觀點。這一過程基本實現了科學論證的初步實踐，有效促進了學生思維能力的發展。

2.4 質疑創新，升華思維

情境4：電場強度的矢量性。

實驗演示：首先，用銅線將發光二極管正負極引腳依次連接，并將連接好的二極管放入吸管內部從而固定二極管；接著，接通范氏起電機的電源，將二極管靠近范氏起電機。當二極管與金屬球殼保持一定距離時，可以發現二極管距離范氏起電機越近，其發光亮度越大；然而，在同一位置，當改變二極管方向時，發現二極管不發光。

師：電場強度是標量還是矢量？

生：矢量。

師：為什么？

生：二極管具有單向導電性。在強電場的作用下，電子做定向移動，形成電流，使得二極管發光。保持二極管在電路中同一個位置，改變二極管方向，由于二極管反向電阻非常大，因此二極管不發光。這一現象說明電場具有方向性，且在同一位置，電場的方向保持不變。

情境5：電場強度E與試探電荷q的有無、正負、電量多少均無關。

師：同學們學完了電場強度的概念和表達式。請語文課代表朗讀場源電荷對試探電荷的深情“表白”。

生：你見或不見，我就在這里，不悲不喜；你在或不在，場就在我左右，不增不減；你是正或是負，場就在我身旁，不左不右。

師：請同學們根據這個“表白”總結一下電場強度E與試探電荷q的關系。

生：電場強度E與試探電荷q的有無、正負、電量多少均無關。

設計意圖：質疑創新的核心在于激發學生的科學創造力。在教學情境中，教師先進行了一個實驗，并隨即向學生提出一個頗具挑戰性的問題——電場強度是矢量還是標量？為了解答這一問題，學生需要不斷深入研究電場強度的特性，并將這些新知識與他們之前所學的二極管的單向導電性知識聯系起來。同時，學生還需要回顧之前進行過的關于輝光球點亮日光燈管的實驗。通過綜合這些知識和經驗，學生可以進一步想象和理解二極管發光的內在原理。

這個過程可以讓學生根據已有的知識經驗引發思考，質疑創新。

情境6：電場強度知識在生活中的應用。

師：下了幾分鐘的小雨，位于沙漠高處的游客突然頭發豎起來了，為什么會這樣？

學生們都一臉茫然。教師拿了一把塑料的梳子，給一個頭發較干的女生梳頭發。在這個過程中，學生們發現女生的頭發總是容易翹起來。

生：頭發可能帶靜電，游客周圍存在強電場。

師：這個電場哪來的？周圍沒有帶電體啊？這個電場對人體有沒有危害？游客會不會被雷擊？請同學們討論一下。

生：可能是云層中積聚了大量的電荷，而沙漠高處上會感應異種電荷。那里場強比較大，也比較危險。游客有可能被雷擊。

師：非常好。當我們后面學習尖端放電的原理后，就能徹底明白這一點。

在遭遇雷電等危險情況下，游客最好能躲進車里。因為車體能有效屏蔽電場，從而保證自身的安全。游客應該盡可能降低身體高度并減少身體與地面的接觸面積。如果身處沙漠高處來不及離開，游客就應趕緊就地蹲下，雙腳盡量并攏，雙手避免觸地，抱頭藏于膝間，以減少受雷擊的風險。

此外，游客在計劃去沙漠游玩時，一定要提前查看天氣預報，避免雷雨天氣前往。

設計意圖：在該情境中，教師針對“沙漠空曠，游客身邊沒有帶電體”的情境提出疑問，激發學生的想象力，讓他們思考帶電的幾種方式——即可以接觸帶電，還可以感應起電。學生經過激烈地討論，最終找到答案。教師巧妙地創設生活中的情境，引導學生運用所學知識去解決問題。這一做法不僅進一步提高了學生學習知識的熱情，還豐富了學生的生活經驗，使得學生的思維得到了更深更廣的拓展。

3 結語

在教學過程中，如果教師直接把知識灌輸給學生，雖然短期內看似高效便捷，但長此以往，“填鴨式”教學模式無疑對學生科學思維的培養是不利的。因此，在教學過程中，教師要不斷地設計教學活動以培養學生的問題意識，幫助學生建立已有知識和未知知識之間的橋梁，同時，挖掘物理概念、規律中的隱性知識和思維方法，從而培養學生科學思維的意識和能力。電場是電荷周圍客觀存在的一種物質，它“看不見、摸不著”。

為了讓學生真切地感知電場的存在并理解其特性，教師需要精心設計多樣化的教學情境。在這些情境中，教師通過引導學生觀察、實驗、推理和討論，逐步提升學生的科學思維能力，幫助他們深入理解和把握電場的本質。

參考文獻

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］. 北京：人民教育出版社，2020：4-5．

［2］ 李安發.基于科學思維培育的物理情境創設研究［J］.物理之友， 2022，38（7）：40-42．

［3］ 尚振玉，劉杭州，宋書婷.構建思維型課堂 促進科學思維發展——以“一維彈性碰撞”教學為例［J］.物理之友，2023，39（1）：38-39，49．