基于核心素养的高三物理复习课设计

2023-05-30王纯曹冬梅

物理教学探讨 2023年3期

王纯　曹冬梅

摘要：以“口罩防疫中的物理”为例设计高中物理复习课：从分析口罩的防疫原理、计算合格口罩的电荷标准以及使用口罩的注意事项等方面创设教学情境，综合应用物理知识探究口罩防疫背后的科学本质，引导学生对“静电场”知识进行复习，培养学生提取关键信息的能力，增强学生的防疫意识和社会责任感，从而加强对学生物理核心素养的培养。

关键词：物理核心素养；口罩防疫；静电吸附；库仑力；复习课

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2023）3-0027-5

复习课作为高中物理教学的常见课型，可以增强学生对知识的理解，对知识点间联系的把控，对知识的综合运用。2018年初教育部颁布的《普通高中物理课程标准（2017年版）》明确指出：学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习逐步形成的价值观念、必备品格和关键能力［1］。物理学科核心素养包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个方面［1］。本文以“口罩防疫中的物理”为例，提出了培养学生核心素养的复习课教学设计。

1 教学设计思想及学情

本教学设计从疫情防控入手，打破传统复习课千篇一律强调重点、考点，盲目“题海战术”的弊端。借助当下热点话题，为物理教学提供真实情境，激发学生的好奇心和求知欲。将口罩防疫中涉及的静电场、压强和质点等知识进行整合梳理，并以此为素材设计物理复习课，让学生体会格物致知、知行合一，感悟物理和生活实际紧密联系，从而培养学生的物理核心素养。

学习者是进行物理总复习的学生，他们对“静电场”有一定的知识基础，具备较好的综合分析与推理论证的能力；对以社会热点为背景的课堂素材有较浓的兴趣，能从真实情境中识别出物理学科内容。但这群学习者综合运用物理知识解决实际问题的能力还有待提升，从物理学角度审视社会现象的“科学态度与责任”素养仍有待加强。

2 教学内容与教学重难点

（1）教学内容：静电感应、静电吸附、库仑定律、静电场知识的综合运用。

（2）教学重点：帮助学生系统复习静电感应、静电吸附、受力分析、库仑力计算等知识，提升学生综合运用物理知识分析、解决问题的能力。

（3）教学难点：在真实情境中，识别出物理学科的知识点，精准联系静电场知识进行分析、推导与解释，并能迁移到相似的静电现象应用实例。

3 教学目标

（1）物理观念

电场对其中的带电体有力的作用，深化相互作用观。

（2）科学思维

综合运用静电学和压强的知识，建立质点模型。进行受力分析，推导出合格口罩经驻极处理后应带的电荷量，发展科学推理能力。

（3）科学探究

观看极化到静电吸附的演示动画，分组合作探究静电感应的过程和静电吸附的原理。

（４）科学态度与责任

深刻体会静电学原理在口罩防疫中的应用价值，进一步将所学理论应用于实际，增强探索自然的内动力和社会责任感，理解科学与社会、环境的关系。

4 教学流程设计

教学流程设计遵循从定性认识到定量分析的规律，创设真实情境，综合静电学和力学知识，设计知识拓展环节，如图1所示。

5 教学过程

从物理学角度探究口罩防疫的原理，引导学生快速识别和定位到“静电场”中的相关知识点。

5.1 分析口罩防疫的原理

环节一：创设真实情境

教师向学生展示疫情期间与生活密不可分的医用口罩（图2）。

教师提问：为何戴上医用口罩能预防病毒？是否所有口罩都能预防病毒？

学生猜想：因为口罩能减少口鼻与病毒的直接接触；包含病毒的飞沫可以被口罩遮挡；医用口罩中的某种特殊材料能起到防护作用；并不是所有的口罩都能预防病毒……

教师演示：将用过的一次性医用口罩剪开，让学生仔细观察其内部结构，并用多媒体将其剖面图展示给学生（图3）。

学生观察口罩的内部结构以及剖面图上的文字注释，对医用口罩的结构有了基本的认识。

教师讲解：如图3所示，我们常用的医用口罩分为里、中、外三層，中间一层为隔离过滤层，是起到防护效果的关键层，使用的材料是超细聚丙烯熔喷布（简称熔喷布）。在生产过程中，熔喷布通常需要驻极处理，从而利用静电作用吸附病毒及含病毒的颗粒，达到防护效果［3］。其实，口罩防疫中渗透着许多物理学知识，今天我们就一起来探究“口罩防疫中的物理”。

设计意图：从社会热点导入，增加物理复习课的趣味性，体现物理的实用性；让学生直接观察口罩的内部结构，引发学生的好奇心和求知欲；介绍口罩中驻极体知识，让学生迅速回顾“静电场”中的相关知识点，锻炼学生提取学科知识的能力。

环节二：基于静电感应与静电吸附，分析口罩防疫的原理

教师展示：用多媒体动画演示含病毒的不带电颗粒被极化后吸附到熔喷布上的过程（图4）。

教师提问：仔细观看并思考含病毒颗粒经历“不带电—带电—被吸附”过程的原因。

学生观看并思考。

教师提示：分析颗粒从不带电到带电的过程，可回顾静电感应部分的知识，而从带电状态到被吸附，显然是受到了力的作用，请思考是受到了什么力的作用？

学生分组合作、交流讨论。

学生阐述：经过驻极处理的熔喷布带正电，当不带电的含病毒颗粒进入熔喷布范围内时，颗粒自身会由于静电感应在靠近熔喷布的一侧感应出负电，从而在库仑力（静电吸附力）的作用下朝熔喷布运动，直至被吸附在熔喷布上。

教师小结：颗粒从不带电到带电是由于静电感应，而颗粒从带电状态到被吸附到熔喷布上则是由于受到库仑力的作用。

设计意图：通过多媒体动画演示，将抽象的吸附过程进行直观形象的展示，更易于理解，帮助学生快速建构极化和吸附的物理图景，便于建立清晰的分析物理问题的科学思维。

5.2 计算合格口罩的电荷数

环节三：基于库仑定律和受力分析，计算合格口罩的电荷数

以上述口罩防疫原理为背景，创设如下题干：受新冠疫情影响，出入相对密闭公共场所都要求佩戴口罩。若携带病毒的飞沫或粉尘的颗粒直径在0.3 μm左右［4-5］，此时很难仅通过机械作用将其过滤掉，大部分要靠口罩中间层的静电吸附来阻挡。而中间过滤层采用聚丙烯材料，通过熔喷法制得随机方向层叠的纤维膜，纤维直径约0.5 μm～10 μm［6］（此处我们取纤维直径为1 μm）。研究表明，口罩出色的过滤性能主要源于其核心材料驻极体熔喷布捕获电荷的能力。当熔喷布表面的电荷减少时，其静电吸附作用将不明显［3］。因此，合格医用口罩的标准之一为熔喷布上需有一定数量的电荷。

已知通常人在呼吸过程中，口鼻的气压与大气压较为接近。吸气的时候小于大气压，呼气的时候高于大气压。呼吸的气压大约为500 Pa。假设在吸附颗粒时，带电粒子和口罩纤维上的电荷数相同，请结合以上素材中的数据并参考示意图（图5）来分析和计算合格口罩的电荷数。

请学生结合以上素材进行数据整理，将相关数据整理填入表1。

学生分析：求电荷数，应利用库仑力与电荷间的关系来求解。

教师提示：可建构点电荷模型，再对带电颗粒进行受力分析。

学生进行受力分析（图6）。

教师引导：要计算合格口罩上应带的电荷数，即要使病毒颗粒被完全吸附，则其所受两力的大小关系应如何？

学生回答：应使库仑力大于气压力，才能保证病毒颗粒被牢牢吸附住。

教师点评：分析思路非常正确！大家要注意体会这种逆向思维。

学生推导与计算：

（1）气压力大小

设计意图：对题干素材数据的整理，可以锻炼学生归纳总结和提取关键信息的能力；教师引导从设问出发，能提升学生的逆向思维能力；建立理想模型，进行受力分析，能增强学生的抽象思维和逻辑推理能力；以口罩防疫背景创设题干素材，为物理知识的建构提供了真实场景，符合高考命题贴近社会生活的趋势，让学生体会STSE理念，能有效培养学生的学科核心素养。

5.3 使用口罩的注意事项

环节四：拓展迁移，综合运用物理知识对使用口罩的注意事项进行解释

（1）解释不能使用过期口罩的原因

教师提问：在上面的分析中，我们了解到口罩的熔喷布带电是因为经过了驻极处理，但当前的驻极材料大多是纤维成型后的静电驻极，这种方法具有电荷量低、电荷不稳定等缺点［9］。基于该特点，请解释为什么不能使用过期口罩？

学生分析：口罩出色的过滤性能主要源于其核心材料驻极体熔喷布捕获电荷的能力。静电驻极有电荷量低、电荷不稳定等缺点，随着时间的推移，当熔喷布表面的电荷减少时，其对病毒颗粒的库仑引力也会越来越小，吸气时，完全可能出现F库

（2）评价多次重复使用口罩的做法

教师提问：现实生活中有人将口罩多次重复佩戴，试评价这种做法是否正确，并说明其原因。

学生分析：在口罩的佩戴过程中，其所吸附的带病毒颗粒会消耗一部分熔喷布上的电荷，因此口罩使用后，熔喷布上的电荷会被消耗得越来越少，如同过期的口罩一样，库仑引力变小，不能产生足够的库仑力来吸附带病毒的颗粒，因此不具备防护效果，故多次重复使用口罩的做法是不可取的。

教师小结：经过口罩防疫中物理专题课的复习，希望大家学会正确佩戴口罩，避免因使用不当而造成感染风险。

设计意图：增强学生对知识的应用与迁移能力。让学生了解佩戴口罩的注意事項，感受生活中的物理。

课后练习：综合运用物理知识尝试分析静电除尘器、静电黑板擦等生活用具的工作原理。

6 教学反思

本节课以社会热点——“口罩防疫”为复习素材，按照“导入—提出问题—分析、解释问题—拓展迁移”的教学设计思路，从定性和定量两个方面分析，深化学生对之前所学物理概念和规律的理解，有助于学科知识体系的建构。将复习课的素材从课内延伸到课外，拓宽了学生的视野，激发了学生对实际问题思考的兴趣，锻炼了学生从时政素材中识别学科知识的能力，“科学态度与责任”素养也在对实际问题的解决过程中逐步提升。通过建模、分析、推理论证以及对物理知识的综合应用来探究口罩防疫中的物理，提高了学生复习、探究与应用的综合能力，学生课堂主体性得到了很好的体现，科学思维和科学探究的能力也得到了很好的培养。

诚然，教学中也存在些许不足，如将复杂的现实情境简化成理想的物理模型是否严谨、合理，是否所有学生都能满足各方面高阶能力的要求。总而言之，本节复习课的各个环节都在不同程度上发展了学生的核心素养，体现了物理学科的育人价值和社会价值。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）［S］.北京：人民教育出版社，2018：4-5.

［2］中科院上海有机化学研究所第六研究室高分子物化

组.聚丙烯驻极体的制备及性能［J］.有机化学，1977（Z1）：9-12.

［3］侯冠一，武文杰，万海肖，等.口罩聚丙烯熔喷布的静电机理及其影响因素的研究进展［J］.高分子通报，2020（8）：1-22.

［4］沈恒根，杨磊，刘刚，等.新型医用防护口罩过滤环境气溶胶的性能［J］.第二军医大学学报，2003，24（6）：629-631．

［5］温占波，鹿建春，李劲松，等.口罩滤材对非生物颗粒气溶胶和微生物气溶胶过滤效率的评价［J］.中国消毒学杂志，2009，26（5）：487-490．

［6］陈凤翔，翟丽莎，刘可帅，等.防护口罩研究进展及其发展趋势［J］.西安工程大学学报，2020，34（2）：1-12.

［7］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，2010.

［8］刘振宇，武志强，邓雪峰，等.电荷对粉尘和病原体团聚影响的数学模型研究［J］.计算机仿真，2020，37（1）：189-193．

［9］王鹏.PSU基驻极纳米纤维空气过滤材料的可控制备及其在车载空气净化器应用研究［D］.上海：东华大学，2019.