从“天上的闪电”到“地上的静电”

2021-09-08虞俊

江苏教育·中学教学版 2021年8期

【关键词】高中物理核心素养;教学设计;电荷

【中图分类号】G633.7 【文献标志码】A 【文章编号】1005-6009（2021）54-0149-04

【作者简介】虞俊，江苏省常州高级中学（江苏常州，213003）教师，高级教师，常州市学科带头人，江苏省物理奥林匹克竞赛高级教练。

随着新课程改革的推进，培养学生的核心素养成为课程目标。教师要研究新教材，体悟新教材编写的意图，同时又要超越新教材，拓展学习资源，根据新课程的理念，设计合适的教学活动，促进学生学科素养的提升。下面笔者以新人教版物理教材必修三第九章第一节“电荷”为例，谈一谈新课程的教学设计。

新课程特别强调真实情境下物理观念的形成，本节教材的引入部分相比旧教材增添了真实的“雷电”的照片。新课程也特别强调科学思维，相比旧教材，本节教材增加了“金属的微观结构模型”的图片，这两点是新教材最直观的变化。学生在初中阶段已经知道了自然界中有两类电荷，但是电荷看不见也摸不着，对于学生来说是很抽象的概念。本节课的第一个重要任务，就是要帮助学生形成电荷的概念，理解电荷的本质。第二个重要任务是探究电荷的产生、轉移和守恒的规律，这需要学生有对物质微观结构的科学认识，并基于此寻找电荷运动的规律。为了培养学生的核心素养，本节课教学设计的基本思路是：通过观察静电现象增加学生的体验;通过回顾人类研究电现象的历史，再现并研究经典的静电实验，探究电荷产生和运动的规律（特别是感应起电的规律）。通过理论分析和实验探究，帮助学生理解电荷的本质、掌握起电的方法、并建立起电荷守恒的观念。

一、丰富体验：观察神奇的闪电现象

活动1：在闪电霹雳中感受“天上的电”。

毫无悬念，人类对于电的观察始于闪电。因此在教学的引入阶段，教师带领学生回归原始人类对于“天上的电”——闪电的观察。通过播放视频观看各种各样的闪电，有摩天大楼顶端的闪电，有山谷、大海上的闪电，这些闪电形状各异，有树形的，有球形的，有的强光刺眼摄人心魄，有的威力巨大击坏建筑……

【设计意图】创造真实的情境，让学生在闪电霹雳中感受“电”，激发学生对闪电形成原因的探究欲。在视频播放的过程中，学生看到了平日里看不到的各种闪电。在课堂观察中教师可以看到，学生被深深吸引，很热切地进入了沉浸式的学习状态。

二、体悟观念：感受电荷观念的形成

活动2：讨论中西方原始文明中，古人对闪电的理解。

在原始文明中，古人对闪电的认识有哪些呢？在师生交流中不难发现：在中国古代神话中“雷公”和“电母”是司掌雷电的神仙;而在古希腊神话中，闪电是最高神宙斯的化身和武器。这引起了大家的深度思考，为什么中西方文明，不约而同地将闪电和天神联系在一起呢？

【设计意图】通过比较分析，激发学生的好奇心：古人的观念居然出奇的一致。古人关于闪电的神秘而朴素观念，反映了当时人们科学知识的不足。学生在讨论中能够体会到古人对于未知事物，特别是天上的闪电的敬畏;体会到古代朴素观念和现代科学观念之间的不同;认识到要形成科学观念，需要有科学思维和长期的实践探索。

活动3：讨论“天上的电”和“地上的电”是否是一回事。

天上的闪电和地面上摩擦产生的电火花放电十分相似，那么它们是否是一回事呢？能有什么方法来进行比较呢？这是过去的研究者曾经思考的问题，请同学们也来思考这个问题。很多学生联想到了著名的富兰克林“风筝实验”。大部分学生都了解该实验的做法，他们既能意识到该实验思想的巧妙性，又能感受到实验的风险，认识到该实验的伟大意义。

【设计意图】“天上的电”和“地上的电”在外在现象上看有很大相似性，从联系的观点出发，思考这二者的本质是否相同，体现了思维深入的过程。从现象比较到本质讨论，学生的思维得到发展，科学态度得到发展。

三、探寻规律：寻找电荷产生和运动的规律

活动4：在摩擦中探究“地上的电”。

人类对“电”的研究始于摩擦产生的“静电”。首先教师介绍物理学历史上的摩擦起电现象，古希腊的泰勒斯发现了琥珀带电现象——摩擦过的琥珀能吸引羽毛，中国古代有玳瑁壳吸引轻小物体的记载，德国的盖里克发明了最早的摩擦起电机，等等。

接着教师演示摩擦起电现象：摩擦气球后，气球吸到墙壁上。说明了带电体可以吸引轻小物体，带电轻小物体也可以被不带电物体吸引。在此基础上让学生进行分组实验，研究摩擦过的各种材料的物品，是否能够在摩擦中产生静电，并讨论其产生电荷的原因。实验材料：气球、塑料尺、泡沫板、钢尺、其他（学生自己的各种物品）。学生十分积极地用各种物品进行摩擦，用验电器进行检验是否带电;活动中既有物理学历史实践的介绍，也有现实世界的学生亲身操作体验。物质带电过程无法直接观察，学生通过现象的总结归纳、利用原子模型，建立起摩擦起电的原理。

【设计意图】通过摩擦起电实验，让学生归纳、总结、分析得出绝缘体和导体的不同，建立起“不是所有的物体都能够摩擦起电”的观念。同时由这个现象出发，深入探究摩擦起电的原理，引导学生从原子结构的微观模型上去思考问题，形成科学思维，意识到物质得失电子是带电的根本原因，同时也为电荷守恒的研究埋下伏笔。研究摩擦起电的活动，从历史回顾到实验探究再到理论分析，整个过程由浅入深，逐步形成学生对于电荷运动规律的科学认识。

四、迁移应用：感应起电规律的研究

活动5：探究没有被外界接触和摩擦的导体能否带电。

教师介绍历史上有趣的静电表演，带领学生在课堂上模拟表演。（见图1）

教师引导学生进行观察讨论，B与C未接触，但是从验电羽张开，可以发现C同学也带电了，而且在C同学逐渐靠近B同学的过程中这一现象越来越明显。学生在做实验的过程中，由于A、B高压带电头发全部张开，B、C手里的验电羽也全部张开，所有学生的状态处于紧张和全神贯注的状态，达到了预期的效果，实现了高投入的学习。

【设计意图】在紧张欢乐的活动中体验感应起电，探寻感应起电的规律。不接触也能带电，这个现象超出了学生的认知范围。通过制造戏剧性的实验情境，让学生获得强烈的体验，全身心地投入到观察研究活动中去，找寻起电的规律。引导学生从电子分布的改变来说明感应起电的原因。

五、提升思维：深化对电荷守恒的规律的理解

活动6：由正负电子对发生湮灭讨论电荷守恒定律。

讨论：电荷既不会创生，也不会消灭，它只会从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分。在转移过程中，电荷的总量不变，这个规律叫作电荷守恒定律。正负电子对湮灭成一对光子，那还能说电荷守恒吗？

【设计意图】通过电子湮灭问题的讨论，实现学生对自然界中最重要的观点“守恒”的深度理解。对于“守恒”的观念，不能机械地认为是电荷不变，对于一个和外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变是电荷守恒定律更普遍的表述。这里既有观念的改变，更有思维水平的提升。

六、创造发展：在实验室里制造闪电

活动7：尝试在实验室里制作一个闪电发生器。

“天上的电”和“地上的电”既然是统一的，并且通过本节课的学习，学生已经掌握了接触起电、摩擦起电和感应起电的方法，请学生在课后尝试制作一个闪电发生器。