电场学习中的困难成因及解决策略探讨

林晓坤

摘   要：电场是高中物理的重要观念，因其自身特点难以定义、难以获得感性认识，同时因类比法运用中的问题，最终导致教师感觉难教、学生感觉难学，形成学习困难现象。分析导致该现象的原因，并提出解决策略。

关键词：电场;类比;困难;策略

电场是高中物理学科的重要知识。作为客观存在的一种特殊物质，电场与由原子构成的实物不同，对电场的认识方式也与实物不同。在初学阶段，学生对电场没有正确的认识、没有找到与之相适应的学法，使学习过程呈现概念掌握困难、知识迁移困难、容易遗忘等特点。正视这些困难，分析成因，才能找到解决问题的策略，促进学生科学思维能力的发展。

1  电场概念建立困难及解决策略

电场没有颜色、形状等可感知的外在特征，只能通过电荷才能检验其存在与否。自然界中有天然磁体，却少有天然的自由电荷，这导致学习者在日常生活中对电场的感性认识极度缺乏，又无法从教科书中获得严密的定义，在电场概念的建立过程中遇到极大的困难。

1.1  认识的发展导致电场定义困难

电场和磁场相互联系，统称电磁场。静电场是静止电荷产生的电场。但什么是电场，在各教科书中却没有明确的定义。查阅现有的资料，电场的表述，有的是“电荷的周围存在着由它产生的电场”[ 1 ]，有的是“电荷的相互作用不可能超越距离，是通过场传递的，这种场称为电场”[ 2 ]，百度百科词条释义是“电场是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质。”这些解释或说明电场的来源，或归于“物质”这一更加抽象的概念，学生并不能依据这些定义进行有效的判断，可操作性不强。

导致上述现象的原因是人们对电场所属的电磁场及其上位概念——场的认识还处于不断深入的过程。早期，亚里士多德认为力作用只有通过接触才能实现，推理出传递力的介质肯定存在。笛卡尔为此提出“以太”概念。法拉第应用“以太”概念对电磁现象进行研究，他设想在带电体和磁体周围充满某种由电和磁产生的物质以太，以太传递电力和磁力，并第一次把这种介质以太命名为“场”，作为发生电磁作用的场所而存在。麦克斯韦依据法拉第的“场”概念，完成了电磁场的数学理论工作。之后，迈克尔逊实验没有观察到“以太漂移”，庞加莱认为以太可能并不存在，对“场”的认识深化为场是与实物不同的一种物质。在普朗克对黑体辐射的研究和爱因斯坦对光电效应解释过程中，量子给场的连续概念带来了致命的打击。在狄拉克的量子场论中，人们认识到场与粒子的转变，看到了物质形态间断与连续间的转化，认识到粒子与场的物质统一性。直到现在，统一场论和终极理论还在不断发展[ 3 ]。显然，仅凭初学阶段的一些性质就对电场进行严密定义是不适当的。

1.2  感性认识不足导致电场理解困难

因电场无法给出明确的定义，导致后续逻辑程序（逐步详细讲解关键词语的含义、让学生理解接受从而掌握概念等）无法进行，电场必须依靠归纳特征来建立物理概念。根据归纳特征而组织的物理概念教学过程要经历感知活动、思维加工、得出定义、巩固发展几个阶段。在感知活动阶段，教师引导学生从教材、生活经验、观察实验等途径，获得感性知识，为概念形成打下基础 [ 4 ]。

虽然电场是客观存在的物质，但正是因为无法直观感知，学生在初学阶段往往对其存疑，将电场視为附属于电荷的概念，将电场力视为库仑力的另一表述方式，电场作为物质的观念并未真正形成。此外，在南方气候湿润的地方，由于湿度较大，很多静电实验不易成功，教师在教学时只能通过逻辑推演或借助多媒体展示，学生缺乏感性认识，使问题更加严重。物理是实验的科学，“分析实验现象→总结规律→建立新的概念”是必然的认识发展过程。要感知电场，必须得有实验。在教学实践中发现，使用辉光球（如图1）进行实验可以较好地体现场的客观性，对帮助学生理解电场有一定作用。打开辉光球开关，出现辐射状辉光，告诉学生这不是电场。将测电笔（如图2）靠近辉光球，会发现测电笔中的氖泡发光;将测电笔远离辉光球，会发现测电笔中的氖泡不再发光。很明显，是辉光球周围的场使氖泡发光，越靠近辉光球氖泡越亮表明离辉光球越近场越强。虽然这个场是辉光球中高频电压形成的电磁场，并不是电场，但该电磁场与点电荷的场强特点高度相似，有助于点电荷的场强的学习。此外，若将泡沫塑料颗粒等轻小物体洒在辉光球的玻璃泡上时不会被吸附，这说明玻璃泡上并没有电荷，场是独立于电荷的客观物质，不是电荷的附属物。与用磁场类比电场或用电流场类比电场相比，该模拟实验更能说明问题。

通过该模拟实验，学生发现原有认知结构无法同化提供的信息，从而引起的认知结构的重组与改造，即以顺应的方式初步建立电场概念。

2  电场知识迁移困难及解决策略

上述模拟实验只反映电场的客观性。为了将学生头脑中初步建立的电场从抽象概念上升到具体概念，课本安排了电场力、电场力做功等内容，并引入电势能、场强、电势和电势差等概念，以说明电场力的性质和能的性质。围绕这些知识的教学，一线教师和学者开展了大量的研究，形成了用类比法进行教学的普遍共识。将学生熟悉的知识或经验称作类比物，把要学习的新知识称作目标物，如果类比物和目标物具有一些相同或相似的属性，在它们间建立映射关系，这就是类比。类比可以使得陌生概念具体化、形象化，从而促进学生形成对这些概念的理解[ 5 ]。若类比不规范或不完整，也会引起学习困难。

2.1  学法不当导致电场知识迁移困难

应该注意到，类比物和目标物间只是可能相似而非必然相似。在使用类比法授课时，教师既要引导学生发现二者的相似之处，又要适当指出二者的区别。

以重力势能和电势能的类比为例，如表1所示。

可以发现，类比物和目标物之间具有结构上的相似性，都是通过场力做功定义势能。但二者又有所区别：重力方向是确定的，当始末位置和质量确定，功即确定，重力势能也随之确定;电场力方向与场强和电荷的电性有关，电场力做功并不由始末位置唯一确定，电势能也是如此。

如图3，当一个质量为m的物体位于参考平面的下方B点时，求物体在该处的重力势能有两种方法：

方法1：把这个物体从B点移动参考平面，求出重力做功WBO=GsBOcos180°=-mgh2，所以B点的重力势能EPB=WBO=-mgh2 。

方法2：选定参考平面→确定物体高度和质量→代入公式EPB=mghB=-mgh2。

除了确定参考平面外，方法1有计算重力功和以重力功定义重力势能两个步骤，方法2只需要代入数据一个步骤。学生常认为方法2可操作性强、更易掌握，但这种方法导致学生认为只要高度确定了重力势能就确定，而忽视了重力做功对重力势能的决定关系。当学习电势能时，若用方法2，会发现在电场中的同一点的放入正、负电荷时电势能不同，电势能并不由位置唯一确定;若用方法1，电势能由电场力做功决定这点不变，仅需要根据电场力与位移的方向计算电场力的功即可。

这也说明，对概念的形成过程掌握越规范，越能发现类比物和目标物间的相似性，越能避免因类比不一致导致的学习困难，实现知识的迁移。

2.2  知识网络不完善导致迁移困难

场强E=F/q、电势φ=Ep/q、电势差U=W/q都是用比值定义法获得的物理量，看似仅三个量组成的比例关系，内容不多，但却涉及到场量描述的两种范式，即“力”的描述范式与“能量”的描述范式。这两种描述范式对于“场”的描述是等效的，而且彼此关联[ 6 ]。为帮助学生理解并掌握这些描述范式，进行适当的习题训练是必要的。在初学阶段，学生并未理解这些物理量间的关系，部分学生出现翻开书对照公式可以解决简单题目、合上书便忘记、遇上综合题便无从下手的现象，知识迁移极为困难。教师作为先行者和引导者，要善于利用学生这种茫然进而急于求知的心态，让学生在习题的研学活动中理解、整合新内容，增加知识信息量，形成各种物理观念、循序渐进完善知识的系统性，发挥出习题的求知功能。

例如，将带电物体放入电场会受到电场力的作用，若物体不带电则没有电场力，但电场仍存在、电场对电荷产生力的本领仍然存在，电场强度E从力的角度描述了电场的性质。以此类比，电势φ从能的角度描述了电场的性质，电势差U从功的角度描述了电场的性质。则从力和功能的关系，可以引导学生构建如图4的知识网络。

从场强E、电势差U、电势φ分别反映了电场的力的性质、功的性质、能的性质出发，还可以发现：功与力的关系W=Fd类比功的性质与力的性质间的关系U=Ed、功与能的关系WAB=EpA-EpB类比功的性质与能的性质间的关系UAB=φA-φB、力的矢量性类比场强的矢量性、功和能的标量性类比电势差和电势的标量性、力的合成类比场强的叠加原理等。这样，学生就可以把电场中的新知识及其相互关系与熟悉的知识及其关系相对应，从掌握的基础知识和基本技能中产生新的知识迁移，把电场问题转化为力和功能的问题进行处理。比如，W=Fd适用于恒力情境迁移出U=Ed适用于匀强电场情境，动能定理W合=Ek2-Ek1可应用于变力情境迁移出该式可应用于非匀强电场情境等。

综上所述，在高中电场教学中，教师在物理观念方面，要通过实验展示场的客观性，建立电场的物质观念;在科学思维方面，要引导学生通过规范地抽象概括过程理解概念，把握电场的内在规律，要通过建立合理的知识网络培养迁移能力，从而有效克服电场学习中的困难，提升物理核心素养。

参考文献：

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1[M].北京：人民教育出版社，2017.

[2]中学物理教材编写组.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1[M].山东：山东科学技术出版社，2019.

[3] 邓人忠.物理学基本概念探讨[M].北京：气象出版社，2010.

[4] 叶建柱，蔡志凌.物理教学中的逻辑[M].北京：科學出版社，2013.

[5] 温斯琼，潘苏东.物理教科书中类比策略的分析——以新人教版高中物理教科书为例[J].中学物理，2021，39（9）：25-29.

[6] 赵玉萍，邢红军，瞿彦芳.论“电势差与电场强度关系”教学设计[J].中学物理，2021，39（5）：50-53.