优化电场教学设计 提高学生思维能力

骆文洲

[摘   要]思维能力是学习能力的核心，已成为物理教师及相关教育工作者的共识，在课堂教学中，物理任课教师应设法让知识课堂成为培育核心素养的思维课堂。文章通过列举几个优化静电场教学的片段，阐述如何提高学生的思维能力。

[关键词]教学设计;思维能力;问题情境;学习途径

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2018）35-0039-03

在工作、学习、生活中，遇到问题时总要“想一想”，这就是思维。恩格斯为什么会说“思维是世界上最美丽的花朵”呢？这是因为思维能力包括比较和判断能力、分析和综合能力、推理和论证能力、概括和抽象能力等;它参与、支配着一切智力活动，可以说是整个智慧的核心，也可以说是学习能力的核心。对照物理学科核心素养，“科学思维”便是其四大维度之一。因此，切实优化物理教学设计，充分发挥物理学科特色，真正提高学生的思维能力，是高中物理教师义不容辞的责任。下面结合人教版选修3-1第一章《静电场》的教学，浅谈物理教学中学生思维能力的提升。

一、优化问题情境，拓展思维广度

华东师范大学钟启泉教授曾说过：真正的“学习”，不能只停留于单纯的“知识记忆”，而应当是学生主动参与的“知识建构”……，最大限度地拓展学习空间，使每个学生都能学会学习，成为学习的主人。那么，如何最大限度地拓展学习空间呢？这就要求我们的课堂教学是将知识问题化的、问题情境化的。课堂教学应当是通过优化的问题情境，拓展学生思维的广度，给学生的思维有一个可以尽情遨游的机会。

以电场强度为例，教材中通过研究“悬挂起来的带电小球受到带电金属球的静电力作用”这一实验，得出带电金属球周围存在电场，且电场强度与位置有关，而与试探电荷无关……显然，这样的问题情境虽然体现了以实验为基础的学科特色，但由于电场的高度抽象性导致学生的思维广度不够。对此，教师该如何优化问题情境呢？教学中，我们可在前面已学知识的基础上，引入实际情景进行类比，帮助学生理解，设计如下。

师：（实验）将台式电扇置于讲台上并启动它（不扭头旋转）。不同的地方，风的强弱一样吗？

生：不一样。（实验）把小纸条放在不同的地方，离风扇越远，纸条偏转的角度越小，在教室后方，纸条几乎就没有偏转了。

师：不同的地方，风的方向一样吗？

生：不一样。（实验）把小纸条放在不同的地方，纸条偏转的方向有同有异。

师：没有小纸条，风还在吗？

生：在的。小纸条的偏转情况只是反映了风的强弱和方向，但风存在与否，与小纸条无关。

师：这个小实验中，电风扇、风、小纸条的特性与今天课堂教学中“誰”的特性很相像啊？……

通过电风扇与场源电荷、风与电场、小纸条与试探电荷的类比，以电场和风的相似性为基点，让抽象陌生与形象熟知的事物类比，通过熟知事物的特征类比理解陌生事物。显然这种生活化的类比极大地拓展了学生思维的广度，为随后电场强度概念的引出铺平了道路。教学中，还有许多类似的地方值得我们进一步关注，如重力做功与电场力做功、重力势能与电势能、等高线与等势面、高度与电势等。

以2018年高考北京理科综合卷第24题为例：静电场可以用电场线和等势面来形象描述。（1）请根据电场强度的定义和库仑定律推导出点电荷Q的场强表达式;点电荷的电场线和等势面分布如图1所示，等势面S1、S2到点电荷的距离分别为r1、r2。我们知道，电场线的疏密反映了空间区域电场强度的大小。请计算S1、S2上单位面积通过的电场线条数之比N1/N2。（2）观测宇宙中辐射电磁波的天体，距离越远单位面积接收的电磁波功率越小，观测越困难。为了收集足够强的来自天体的电磁波，增大望远镜口径是提高天文观测能力的一条重要路径。2016年9月25日，世界上最大的单口径球面射电望远镜FAST在我国贵州落成启用，被誉为“中国天眼”。FAST直径为500 m，有效提高了人类观测宇宙的精度和范围。设直径为100 m的望远镜能够接收到的来自某天体的电磁波功率为P1，计算FAST能够接收到的来自该天体的电磁波功率P2;在宇宙大尺度上，天体的空间分布是均匀的，仅以辐射功率为P的同类天体为观测对象，设直径为100 m望远镜能够观测到的此类天体数目是N0，计算FAST能够观测到的此类天体数目N。

对该试题，若把“电场线”类比成更熟悉的“磁感线”和“磁通量”，并求解单位面积上的电场线条数之比，把“电磁波”类比成更熟悉的“太阳辐射的光线”，进而求解功率、天体数目等问题。

对小题（1），根据库仑定律、电场强度的定义式可得E=kQ/r2，而穿过两等势面单位面积上的电场线条数之比N1/N2=r22/r21。

对小题（2），同一天体到达望远镜单位面积上的功率（即接收的功率）应该相同，故P2=5002P1/1002=25P1。若直径为100 m望远镜和FAST能观测到的最远距离分别为L0和L，则π（500/2）2·（P/4πL2）=π（100/2）2·（P/4πL02），得L=5L0，N=L3N0/L03=125N0。

二、开放学习途径，加深思维深度

思维广度就是人们能想到的广度，比如提起重力，能想到弹力、摩擦力……;而思维深度是指人们考虑的深度，比如重力是怎样产生的、大小和方向是怎样的……因此，教学中思维广度需要适度拓展，而思维深度更需适度加深。具体可以通过开放更多的学习途径创设不同的学习机会，提高学生的思维能力。

以匀强电场的电场线为例，传统教学一般是利用粘有验电羽的圆形金属平板进行演示，然后得出匀强电场的电场线。这样的教学节奏很快，而从提高思维能力的角度来看，似乎意义不大。根据高中生现有的知识水平，如果把教学过程改为理论上先定性探究、再用实验进行验证，也许对提高学生的思维能力有更大的作用。设计如下。

师：有一块无限大的、均匀带正电的薄板，如图2所示，它的电场线分布是什么形状呢？

生：由于无限大的均匀带正电薄板可以看作无限个正点电荷组成，所以板上点电荷在该点的场强是垂直板向外的;其次，板上点总可以在“对称”的位置找到一点，使得在任取的这点的场强还是垂直板面向外的。

师：既然任意一点的场强方向都是垂直薄板向外的，那么电场线也就一定是垂直薄板向外了;但是电场线为什么是疏密均匀的直线？

生：带电均匀。

师：如果是带负电的薄板呢？

生：只要改变电场线的方向即可。

师：如果把刚才的两块平板放在一起，叠加后的电场如何分布呢？

生：利用电场叠加原理，叠加后的电场线仅在两板间，且是等距的平行直线……

显然，在教师的引导下，适度加深了学生的思维深度。学生通过对称法、叠加法等方法可以定性推得匀强电场电场线的图像，了解了匀强电场电场线的来龙去脉和基本特性，相比实验模拟得出图像显然更能提高学生的思维能力。这也非常符合苏霍姆林斯基曾经说过的一句话：“教师在教学中应把独立发现的道路让学生自己走，要把独立解决问题作为学生脑力劳动的基本形式……”

其实，这样的教学改进与目前的高考要求也是不谋而合的。

以2015年安徽省理科综合卷中第20题为例：已知均匀带电的无穷大平面在真空中激发电场的场强大小为σ/2?0，其中σ为平面上单位面积所带的电荷量，?0为常量。如图3所示的平行板电容器，极板正对面积为S，其间为真空，带电量为Q，不计边缘效应时，极板可看作无穷大导体板，则极板间的电场强度大小和两极板间相互的静电引力大小分别为（）。

A.Q/?0S和Q2/?0S

B.Q/2?0S和Q2/?0S

C.Q/2?0S和Q2/2?0S

D.Q/?0S和Q2/2?0S

本题考查的主要是电场“力的特性”，對探究过平行板电容器电场的学生来说较为容易。由题意知，通过电荷的“面密度σ”求得“一板场强”的大小为Q/2?0S。接下来，一方面通过电场的“叠加原理”，求得“合场强E”的大小为Q/?0S;另一方面通过电场的“定义式”E=F/q，求得“静电引力”的大小为Q2/2?0S，故选项D正确。

三、精准设计问题，把握思维梯度

学生思维的深刻性、灵活性、创造性、批判性、敏捷性、系统性等是不尽相同的，如若系统性不够，将导致综合能力欠缺;灵活性不足，将常受思维定式的困扰。因此，教学设计不能无限地拓展思维广度、加深思维深度，否则离学生的最近发展区越来越远。这样的教学将导致教学任务难以完成，也不利于学生思维能力的提高;应该根据学生的实际情况精准设计问题，在学生的最近发展区内形成科学有序的思维梯度，从而切实提高学生的思维能力。

以带电粒子的加速为例，教学中我们不能用动能定理直接快速地得出末速度，这样的教学会使学生对知识的理解极不深刻，更谈不上培养学生的思维能力。当然，我们可以设计一系列有价值的问题，形成思维梯度，降低思维难度，但不失思维的广度、深度，设计如下。

[序号 问题 说明 1 什么是带电粒子？（展示示波器或示波管实物、直线加速器视频后再提问） 比较各力大小，辨别粒子颗粒。 2 上述器件是如何利用电场加速带电粒子的？ 学生设计方案，共同交流评价，得出可行方案。 3 我们通过控制什么物理量就可以改变带电粒子末速度大小？ 学生求解分析，得出极板电压。 4 上述求解方法不同，但结果均同，各种解法都正确吗？ 动能定理：简捷又都适用;

牛顿第二定律：仅适匀强电场。 5 如需获得更大的速度，该如何改进方案呢？ 采用多级加速，不断提升速度。 6 能评价一下多级直线加速器吗？ 多级加速虽好，但是器件很长。 7 课后请查资料，了解科学家们是如何改进的。 了解回旋加速，初步比较优劣。 ]

亚里士多德曾经说过：“思维是从对问题的惊讶开始的”。教学中，教师精准设计问题，并使问题梯度化，则学生的思维也随之梯度化。梯度化的思维，促使学生提升了思维的广度，如粒子加速的方案设计;也提高了学生思维的深度，如为什么一般不采用牛顿第二定律计算？如何获得更大的速度？等等。

以2018年11月浙江物理选考第23题为例：小明受回旋加速器的启发，设计了如图4所示的“回旋变速装置”。两相距为d的平行金属栅极板M、N，板M位于x轴上，板N在它的正下方。两板间加上如图5所示的幅值为U0的交变电压，周期T0=2πm/qB。板M上方和板N下方有磁感应强度大小均为B、方向相反的匀强磁场。粒子探测器位于y轴处，仅能探测到垂直射入的带电粒子。有一沿x轴可移动、粒子出射初动能可调节的粒子发射源，沿y轴正方向射出质量为m、电荷量为q（q>0）的粒子。t=0时刻，发射源在（x，0）位置发射一带电粒子。忽略粒子的重力和其他阻力，粒子在电场中运动的时间不计。（1）若粒子只经磁场偏转并在y=y0处被探测到，求发射源的位置和粒子的初动能;（2）若粒子两次进出电场区域后被探测到，求粒子发射源的位置x与被探测到的位置y之间的关系。

本题看似带电粒子在磁场中运动的问题，实为带电粒子在电场中运动的问题。一般而言，带电粒子在电场中的偏转问题较难，需利用“先分解、后合成”的方法求解位移、速度等问题。本题只涉及带电粒子在电场中加速或减速，但是由于“粒子两次进出电场区域后被探测到”的限制，该题目就变得较难了。那么我们该如何搭建思维台阶，引导学生思考求解呢？首先，分析出每过半个周期，粒子进入电场区域时电场强度的方向，即研究清楚受力特点;其次，由于初动能各异，加速进入、减速进入的结果会如何，即研究清楚力和运动的关系;再者，根据题设条件，确定分三类讨论：如图6，若初动能大于2qU0，两次减速;若初动能小于2qU0，但大于qU0，一次减速、一次往返;若初动能小于qU0，一次往返、一次加速。解略。

总之，教学中，教师只有从整体上把握好思维的广度、深度、梯度这三者间的关系，才能使物理课堂走向以思维为核心的课堂，才能使学生的思维能力得到切实提高。

（责任编辑   易志毅）