基于学生核心素养提升的教学实践——以“静电现象应用”为例

孙鑫军

(浙江省诸暨中学 浙江 绍兴 311800)

1 设计思想

以静电屏蔽对比实验引入新课，引发认知上的冲突，激起学生探究欲望，通过构建物理模型[1]，猜想静电平衡状态下导体的特点，并进一步通过实验验证猜想，在学生形成物理观念的过程中，同时培养了他们的科学探究和科学思维能力.在整个教学过程中渗透物理来源与生活，又应用于生活的理念，培养学生的科学态度和责任[2].

2 教学目标

教学目标如表1所示.

表1 教学目标

3 教学流程

教学设计流程图如图1所示.

图1 教学设计流程图

4 围绕物理学科核心素养设计课堂教学过程

(1)演示实验引入新课

演示实验1：隔空点灯.

制作一个黑箱，里面放入辉光球，老师拿着日光灯管靠近，观察实验现象，并让学生上台体验.

学生：看到灯管发光，好奇心被激发.

教师引导：灯管为什么会被点亮，辉光球有什么样的魔力呢？能不能从物理学角度进行解释？

结论：辉光球周围产生电场.

演示实验2：把日光灯管放入金属网罩中，再次靠近黑箱，发现日光灯管不再发光了.

教师引导：为什么日光灯管不发光了呢？谁想来研究一下这个网罩的特殊之处呢？

学生：网罩是金属的.

设计思路：情景感知和学生体验在物理概念形成的过程中有着重要的作用，通过对比实验，引发认知上的冲突，能够激起学生的学习欲望.

过渡：看来金属网罩在这个问题中有着关键的作用，我们可以构建这样一个简单的物理模型，金属网罩用一块不带电的金属板代替，辉光球产生的非匀强电场用匀强电场代替，即金属导体置于匀强电场中，我们来思考一下会发生什么现象？

(2)建立模型寻源探究

建立模型：即金属导体置于匀强电场中，如图2所示.

图2 匀强电场中的导体

问题引导1：

①金属为什么能够导电？

②电子在电场中如何运动？(从受力角度出发考虑)，电荷会出现怎样的分布？

③金属导体内部的自由电子会一直运动下去吗？

④最终会出现怎样的现象？

⑤如何证明“静电平衡状态下的导体内部电场处处为零”

结论：最终导体内的电子不再定向移动(这里要清楚电子还是在做无规则热运动)，我们把这种状态叫做静电平衡状态.

过渡：静电平衡状态下的导体内部电场处处为零，还有其他特点吗？我们来研究以下几个问题.

问题引导2：

①那么任意两点间还会有电势差吗？

②尝试画出导体表面附近的电场线？

③净电荷是如何分布的？(如何证明)

结论：处于静电平衡状态下的导体，内部场强处处为零，整个导体是个等势体.导体外表面附近任何一点的场强方向必定与这点所在的表面垂直.导体内部没有多余的净电荷，电荷分布在导体外表面上,如图3所示.

图3 静电平衡状态下的导体

设计思路：以问题为导向，分层设置问题，追寻静电感应的动态变化过程，最终引导学生得到导体的静电平衡状态.利用反证、推理等科学思维得到静电平衡状态下导体的特点.在形成概念的过程中，培养学生的逻辑思维能力和综合分析问题的能力，提高学生的学科核心素养.

(3)回扣实验规律应用

过渡：如果现在在图4的导体中沿着虚线挖去一部分导体，空腔导体还处于静电平衡状态吗？空腔处存在电场吗？

图4 导体空腔处于静电平衡状态

学生：仍旧处于平衡状态，导体空腔内的电场强度为零.

教师引导：现在同学们可以尝试着解释刚才做过的实验吗？(演示实验2中日光灯管不再发光)

教师引导学生回答引出静电屏蔽概念.

过渡：金属网(壳)对外电场的屏蔽作用叫做静电屏蔽.这种作用可以屏蔽外电场对设备的影响，用一个金属网罩可以屏蔽很多日光灯管吗？有什么好的办法？

学生：可以将辉光球罩起来.

教师：那我们通过实验来看一下.

演示实验3:检验猜想

老师拿着日光灯管，靠近如图5(a)所示的辉光球.学生观察到的现象与猜想矛盾.

(a)日光灯管靠近辉光球时发光

建模分析：建立如图5(b)所示的模型，把辉光球产生的电场看成点电荷产生的电场，金属网罩用空腔导体代替.

结论：导体外表面上仍有电荷分布，产生的电场使日光灯管发光.

教师引导:有没有办法导走外表面的电荷？

学生：接地.

演示实验4：让学生用手接触金属网罩，如图6(a)，教师手拿日光灯管接近，发现灯管没有发光.

(a) (b)

教师引导：在前模型的基础上引导学生建立图6(b)所示模型，解释实验现象.

(a)日光灯管靠近辉光球时不发光

结论：金属网(导体腔)对外电场起屏蔽作用，接地的金属网(导体腔)还可以屏蔽内电场.

展示生活生产中静电现象应用和防护实例，如图7所示.

设计思路：利用静电平衡条件分析实际问题(静电屏蔽现象)，通过静电屏蔽对比实验再次激起学生探究激情.

(4)合作探究完善结论

过渡：前面我们研究了不带电的金属导体在电场中达到静电平衡时的特点，那么,一个孤立带电金属导体，能不能到达静电平衡状态？它的电荷又是如何分布的呢？

教师引导学生用刚才分析处在匀强电场下金属导体的方法去分析并得出孤立导体在自身激发电场的作用下也会达到静电平衡状态.

学生实验：探究孤立带电导体电荷分布,实验装置如图8所示，实验器材有感应起电机、铝箔纸、金属盒、导线、胶带等.

图8 探究孤立带电导体电荷分布实验装置

实验现象：金属盒内金属箔不张开,金属盒外张开.学生交流讨论以上实验现象，得出结论.

结论：带电导体净电荷只分布在其外表面上，内部没有净电荷分布，此结果与不带电导体在电场中达到静电平衡状态时一致，进一步证明了孤立导体在自身激发电场的作用下也会达到静电平衡状态.

教师引导：那么外表面电荷分布有没有什么规律呢？

引导猜想：一枚缝衣针，带电后，电荷如何分布？均匀带电导体球电荷如何分布？

(5)实验证明尖端放电

演示实验5:避雷针对比实验.

如图9所示，通过高压感应起电机使上极金属板带负电，用来模拟云层，下极板模拟大地，左边金属管道上放上均匀金属球，右边插入尖状的金属导体.

图9 尖端放电实验演示装置

学生观察到插入尖状的金属导体的一侧先放电，如图9所示.

归纳总结：导体尖端电荷分布多，产生的电场强，周围空气中的带电粒子在该强电场作用下加速，获得较大速度，会撞击空气分子致其电离，电离产生的正电荷奔向尖端与其中和，相当于尖端把负电荷释放到空气中，我们把这种现象叫做尖端放电.

多媒体展示，如图10所示

图10 尖端放电现象的应用和防护

(6)收集资料，分享交流

学生课后收集静电的应用和防护的资料，课上与同学分享交流.

设计思路：让学生体会到静电现象给生活带来方便的同时，也有危害的一面，引起学生对科学、技术、环境与社会协调发展关系的思考.培养学生的社会责任感.

5 实践反思

本课以演示实验-建模分析-猜想论证-实验验证这样的教学程序，打造“自主学习，合作探究，精讲释疑” 为特点的高效课堂.通过师生之间、生生之间的平等合作和交流沟通，落实了《新课标》的要求，充分体现教师为主导、学生为主体的新教学理念，在课堂上尽量发挥学生的主观能动性，让他们不断尝到成就感，教师起到导的作用.学生作为学习主体，以及建构知识的主体地位，从而能够较好的达到了本节课的教学目标，在教学实际中践行高效课堂的教育理念.本节课多次展示自制的“低成本演示实验器材”，解决了学生对抽象的电场理解的障碍和以往对静电现象应用的空谈，体现了物理教育理论联系实际，培养学生“发现精神”的设计理念.进一步提高学生的创新思维和创造能力，塑造勇于创新，善于创造的人格，培养高素质人才.

由于实验条件所限，在分组实验中没有实现学生以学习小组为单位制作探究带电导体电荷分布的装置，分组供电完整完成观察现象得到结论的过程.由于时间限制，对于静电现象在生产和生活中的广泛应用也没有充分地展示或带领学生实地观摩，确实留有遗憾.