基于核心素养下物理概念建立的案例研究

徐 学

基于核心素养下物理概念建立的案例研究

徐 学

（苏州中学园区校，江苏苏州 215021）

现今我国的教育掀起新的一轮教育改革的浪潮，在知识与技能，过程与方法和情感态度价值观的基础上进一步提出了培养学生的核心素养．本文就是在基于培养学生核心素养的理念下着重介绍了电场，电势能，电场强度3个物理概念的建立的案例．3个物理量分别采用比喻、类比、表格3种教学方式，突出了在教师引导下学生的主体活动，在教学的过程中培养学生积极思考与探究，从而培养学生的物理核心素养．

物理核心素养；物理概念；案例研究

2014年3月，在教育部的《关于全面深化课程改革，落实立德树人的根本任务的意见》中提出了核心素养的概念，明确了培养学生的核心素养是育人的重要目标，是推进课程改革，深化发展的关键环节．落实到我们物理教学中就是要培养学生的物理核心素养．物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，是学生物理核心素养的关键成分，主要由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”等4个方面的要素构成．其中“物理观念”主要指高中物理中重要的观点、概念规律，主要包括物质观、运动观、能量观、相互作用观等，侧重知识与技能方面；“科学思维”主要指高中物理中重要的思维方法，包括建模的思想、理想化方法、分析综合、抽象概括、批判性思维、推理论证等思维与方法；“科学探究”主要指高中物理中通过理论或实验发现物理规律的方法，包括发现问题、合理猜测、设计实验探究方案和获取证据、分析论证、合作与交流、评估和反思等；“科学态度与责任”主要指 对待科学的态度与价值观，包括能正确认识科学的本质，具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，能主动与他人合作，实事求是，不迷信权威，具有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感等．［1］本文试着通过展示几个物理概念建立的可操作案例，以作为培养学生物理核心素养案例，供各位同行参考．

1 巧用比喻方法，更新相互作用观

静电场是高中学生第一次遇到的要求研究的有关“场”的问题．由于场的概念比较抽象，不能用感官直接感受，加上电场是分布在空间的矢量场，所以需要较强的抽象思维能力和空间想象能力，才能形成正确的物理图景．电场的概念及其特性的描述一直是教学的难点．下面介绍笔者在课堂上采用的教学策略．

教学片断1：构建电场的概念．

演示1：手推动小车在木板上运动，如图1所示．

演示2：磁铁靠近小磁针，使小磁针在磁铁的作用下发生运动，如图1所示．

演示3：开启范氏起电机，使轻质小球带电后在起电机球形导体的电场力作用下发生一定角度的偏转，如图1所示．

图1

思考1：这几个实验中小车、小磁针或小球是否受力？产生的力的施力物与受力物是否相互接触？

学生回答：3个实验中，小车，小磁针与带电小球都受到了力的作用．实验1中小车受的力是手与车直接接触；实验2，3中受力物与施力物两物体并没有相互接触．

思考2：实验2中磁铁没有与小车直接接触，磁铁与小磁针之间的相互作用是怎样产生的呢？实验3中，起电机球形导体对带电小球产生的力是怎样产生的呢？

学生回答：实验2通过磁场，实验3很有可能是通过电场．

教师引导：果真如此吗？历史上科学家持有怎样的观点呢？

PPT展示：安培认为，两个点电荷之间的库仑力是一种不需要媒介，也不需要经历时间，而是超越空间与时间直接发生的作用力．就像万有引力一样——超距作用．

法拉第认为，电荷的周围存在着一种由它产生的电场，处在电场中的其他电荷受到的作用力就是这个电场给予的．

教师比喻：这两种观点如何来正确理解呢？我们来打个比方：（见图2）我们看到蚊子受到蜘蛛力的作用而运动，超距作用者认为蜘蛛没有通过任何媒介直接给蚊子施加力的作用；而法拉第则认为蜘蛛把蛛网织好以后待在那儿，蚊子飞到蛛网上时被蛛网粘住而受到了力的作用，是蜘蛛织好的蛛网对蚊子产生力的作用，而不是蜘蛛直接给蚊子施加力的作用的．

图2

思考3：如果把蜘蛛换成电荷A，蚊子换成电荷B，现在请同学们来思考这样的问题：电荷B不存在时，电荷A周围有没有电场？有没有力存在？

学生回答：有电场存在，就像蜘蛛周围存在着蛛网一样，因为没有蚊子，所以没有力存在．

思考4：当我们放入电荷B后，电荷B有没有受到力的作用，产生力的施力物是A电荷还是A电荷产生的电场？

学生回答：电荷B受到了力的作用，施力物是A电荷产生的电场．

思考5：如果在电荷B的位置放的不是电荷，而是一块木头，木头会受力吗？

学生回答：不会受力．

教师总结：电场的性质之一是对放入其中的电荷产生力的作用．电荷A对B的作用力是电荷A产生的电场对B产生了力的作用．电荷B对A的作用力是B电荷产生的电场对A产生了力的作用．

点评：通过把点电荷A比喻成蜘蛛，点电荷B比喻成蚊子，而点电荷A产生的电场比喻成蜘蛛网．把电场这种无形的物质化为蜘蛛网这种有形的物质，给学生插上了想象的翅膀，一方面使学生明白作用于电荷B的力不是电荷A直接给予的，而是电荷A产生的电场间接给予的．就像蚊子受到的力是蛛网施加的而不是蜘蛛直接产生的．另一方面，学生明白当试探电荷B不存在时，电荷A产生的电场仍旧存在，就像蚊子不存在时蜘蛛网仍旧存在一样．

2 巧用类比方法，催生认知结构

现今的人教版教科书是按照电势能－电势－电势差的逻辑关系设计知识结构的，目的是为了突出通过做功研究能量变化的思想．因此电势能概念建立是否清晰直接影响到电势与电势差概念的建立．同时电势能的概念较为抽象不容易建立，在电场中的同一位置相同电荷量不同电性的电荷电势能也不相同，电势能的理解相比于重力势能更为困难．但重力势能与电势能又存在着很多相似之处，因此在教学实践中笔者利用重力势能与电势能在做功的特点，做功与势能变化的关系以及电势能的定义与含义方面的相似性，采用类比的方法，同时以问题链的方式建立电势能的概念，起到了良好的教学效果．

教学片断2：电势能概念的建立．

2．1 创设情景，引入电势能

实验1：利用仿真物理实验室把小球a从A点静止释放，观察小球做加速运动．

实验2：利用仿真物理实验室把带电小球b放置在方向竖直向下的匀强电场中静止释放，观察小球做加速运动．（不计重力）（见图3）

图3

思考：① 小球a为什么能由静止开始运动的？② 小球a的动能如何变化？③ 小球a的动能由何种形式的能转化而来？④ 带电小球b在不受重力的情况下为何由静止开始运动？⑤ 小球b的动能如何变化？⑥ 小球b的动能由何种形式的能转化而来的？

学生讨论探究：小球a由于重力而发生运动，动能增大，动能的增大是由重力势能转化而来的，小球b的运动是由于受到电场力的作用，动能的增大可能是某种势能转化而来的，由于电荷是在电场中的，这种势能可能是“电势能”．

2．2 静电力做功与重力做功类比

设疑：学生们知道功是能量转化的量度，对应于重力做功，引入了重力势能的概念，那么对于摩擦力，为什么没有引入摩擦势能的概念呢？如果存在“电势能”，则静电力做功有何特点呢？

图3是偏位角θ=100°时，滑动轴承轴瓦开槽与轴瓦无槽时油膜承载力的变化曲线。当宽径比相同，轴瓦开槽比无槽时油膜承载力有所下降，且随着偏心率的增大，降幅不断增大。这是由于此时油槽处于油膜收敛区，槽内部油膜厚度远大于其他位置，使得槽内部流体动压润滑效果不明显，且随着偏心率增大，收敛楔形间隙在不断增大，油槽对油压峰值区影响程度也越大。

学生思考讨论：重力做功与物体所经过的路径无关，只与起点与终点有关．而摩擦力做功是与物体运动路径有关系的．因此不能引入摩擦势能．如果假定存在着“电势能”，则静电力做功与电荷运动的路径无关．

建模：如图4所示，质量为m的小球从A点沿直线运动到B点，在这个过程中重力做功为多少？电荷量为＋q的带电体（不计重力）沿直线从A运动到B点时电场力所做的功？如果电荷沿任意路径ANB运动，则静电力所做的功为多大？

图4

学生思考讨论：在恒力的作用下功等于力与力的方向上位移的乘积，重力从A到B所做的功WG＝mg·｜AM｜．类似的静电力从A沿直线运动到B所做的功W＝qE·｜AM｜．若要求带电小球沿任意曲线ANB从A移动到B过程中静电力所做的功时可以类比求小球沿任意曲线ANB从A运动到B重力做功的方法．我们用“微元法”把整个路径分成若干小段，如图5（a）所示，AA1，A1A2，A2A3…每一小段可以看成一条倾斜的直线，从A移动到B的整个过程中，重力所做功的

WG＝mgΔh1＋mgΔh2＋mgΔh3＋…＝

mg（Δh1＋Δh2＋Δh3＋…）＝mgh．

图5

同样也可以用“微元法”解决沿任意曲线ANB的静电力做功，即把任意曲线ANB分割为许多很小的间隔如图5（b）所示，则静电力做功为W＝qE·｜AM｜．［2］

2．3 做功与势能变化量的关系的类比

思考1：小球a从A点由静止释放在重力的作用下运动到B点，则重力做功与重力势能的关系是怎样的？（见图3）

学生思考回答：小球a受的重力做正功，由动能定理，重力做功等于动能的增量，同时小球的重力势能减少，重力势能的减小量等于动能的增加量，所以重力所做的功等于小球重力势能的减小量，表达式为WG＝－ΔEp＝EpA－EpB．

学生思考回答：带正电小球受的电场力做正功，由动能定理，电场力做功等于动能的增量，同时带电小球的电势能减少，电势能的减小量等于动能的增加量，所以电场力所做的功等于带电小球电势能的减小量，表达式为WAB＝－ΔEp＝EpA－EpB．

思考3：如果带电小球带负电，以一定的初速度从A运动到B，则静电力做功与电势能变化的关系如何？

学生思考回答：小球受的电场力做负功，由动能定理，电场力做负功等于动能的减少，同时带电小球的电势能增大，电势能的增加量等于动能的减少量，所以电场力所做的负功等于带电小球电势能的增加量，表达式仍为WAB＝－ΔEp＝EpA－EpB．

教师对比引导总结：静电力做功与电势能变化的关系类似于重力做功与重力势能的变化．（见表1）2．4 重力势能与电势能定义与含义的类比

表1

思考1：同学们回忆一下如何来确定图3中A点的重力势能呢？

学生回答：如果在图中我们规定B点的重力势能为零，则由WG＝EpA－EpB可以得到WG＝EpA，也就是说物体在某点的重力势能等于把物体从该点移到重力势能为零处重力所做的功．

思考2：学生们现在已经知道电场中存在着电势能，并且知道电场中两点电势能的差值由电场力做功决定，那如何确定电场中A点的电势能的值呢？能否从重力势能的定义出发得到一些启发呢？

学生讨论回答：可以规定B点的电势能为0，然后由WAB＝EpA－EpB可以得到WAB＝EpA，也就是说电荷在某点的电势能等于将电荷从该点移到电势能为零处电场力所做的功．

思考3：重力势能的值是绝对的还是相对的？在起点与终点确定的两点中移动同一物体重力势能的变化是绝对的还是相对的？电势能的值是绝对的还是相对的？在起点与终点确定的两点中移动同一个电荷电势能的变化是绝对的还是相对的？

学生讨论回答：由于重力势能的零点可以任意规定，所以重力势能是相对的，是相对于重力势能零点而言的．但起点与终点确定后，重力做功是确定的值，所以重力势能的变化量是绝对的．同理，电势能是相对的，电势能的变化量是绝对的．

点评：本教学环节通过重力做功与电场力做功，重力做功与重力势能变化的关系与静电力做功与电势能变化的关系及重力势能的定义及含义与电势能定义与含义的3个方面的类比，把抽象的电势能概念清晰地建立起来了，并且与学生的重力势能的认知结构全方面地建立起了联系，使得电势能概念有了结实的生长点，学生既易于理解而且易于记忆．

3 巧用表格具象，建立物理概念

在物理概念建立的过程中，如果能够巧妙地应用表格，利用表格的直观可视，对于概念的建立是相当有利的，特别是对于通过比值法定义的物理量，如电场强度、磁感应强度、压强、速度、加速度这些物理量尤其有效．下面笔者介绍电场强度概念建立的案例．

教学片断3：构建电场强度概念．

思考：如图6所示，图中＋Q为场源电荷，A与B两点是离场源电荷＋Q不同距离的空间两点．能否用试探电荷q在A与B两点所受力F的大小作为描述电场强弱的物理量呢？

图6

学生回答：不能，因为如果在A、B两点的试探电荷的电荷量不同，如果在A点的试探电荷的电荷量较大，则在A点试探电荷的受力可能大于在B点试探电荷所受的力，而很明显B点离场源电荷近，电场较强．因此不能用力F来表示电场的强弱．

教师引导：不能用现有的物理量来描述电场的强弱，我们必须来探究新的物理量．

情景设置：已知真空中点电荷Q的电场中，距离场源电荷为2r与r处有A、B两点（见图6）．将同一试探电荷q，放在电场中的A、B．设它在A点所受的电场力为F，则在B点所受的电场力为多少？

应用表格处理分析分以下几步．

① 列出第一行第一列q和第二列F，教师示范应用库仑定律计算出B点的受力为4F．

②教师在表格中列出试探电荷为2q，3q，nq．要求学生计算出相应在A点与B点受的库仑力．

③ 要求学生观察表格2，得出相应的结论（见表2）．

表2

学生思考与讨论：（1）电场中的同一点，不同电荷所受力不同，比值F／q是一定的．（2）电场中不同的点，同一电荷所受力也不同，比值F／q是不同的．（3）比值越大，该点的电场越强．

教师引导：你是否已找到描述电场强弱的物理量呢？

学生回答：可以用检验电荷所受静电力与电荷量的比值，作为描述电场强弱的物理量．

师生共同讨论：电场强度的物理意义、表达式、单位等．

点评：对于比值定义法来定义物理量有一个共通的要点是要有一个比较的 标准，如要比较两个物体运动的快慢，我们选取的标准是相同的时间，比较两个物体在相同的时间通过的位移的大小来比较快慢．比较压力的作用效果，我们要取相同的受力面积，比较两个物体在相同的受力面积上压力的大小来比较压强．压强和速度等这些力学概念由于与日常生活联系紧密而相对容易建立．但是对于电场强度与磁感应强度这些物理量，由于电场与磁场看不见摸不着而不容易建立，这时可以借助于上述表格的方法把抽象的事物进行具象，特别是得出表格中的数据后，一定要给学生充足的时间思考与讨论，自己得出结论．学生体会到由于在同一点不同的电荷受力是不同的，不能用电荷的受力表示电场的强弱，要取一个相同的标准，如果选取的标准为单位电荷，并且通过表格能很好地得出在同一点单位电荷受力是一定的，在不同点单位电荷受力往往是不同的，单位电荷受力是能表示某点电场性质的物理量，而且单位电荷受力越大，某点的电场越强，最终可以利用单位电荷受力表示电场的强弱．

教育家叶圣陶曾指出，“给指点，给讲说，却随时准备少指点，少讲说，最后做到不指点，不讲说，这好比牵着孩子的手教他学走路，却随时准备放手．”［3］也就是说在教学过程中教师主要起引导作用，不能包办代替，通过学生主动的动手与动脑，培养学生的核心素养，学生的核心素养形成之时也就是教师放手之时．本文3个案例中教师通过设计问题链，仅起到穿针引线的作用，主要是学生主动的探究与思考．笔者希望通过案例的介绍能为同行们进行物理核心素养的培养提供一些参考．

1 彭前程．积极探索基于核心素养理念下的物理教学［J］．中学物理，2016（2）：1－2．

2 陈野．“问题链·导学”教学模式的实践与思考［J］．中学物理教学参考，2014（11）：7－10．

3 叶圣陶．如果我当教师：杨斌选编［M］．北京：教育科学出版社，2012：75．

2016－09－02）