电场强度教学设计范式比较研究

2023-08-10陶扬邢红军

物理教学探讨 2023年7期

陶扬邢红军

摘要：电场强度是学生定量认识场的首个概念。通过梳理电场强度的教学逻辑，透视教学设计背后的研究思路，发现其教学设计范式主要分为三类：总结式教学设计范式、类比式教学设计范式和显化科学方法的教学设计范式。通过分析不同教学设计范式的优点与缺点，为电场强度概念的教学提供有益启示。

关键词：教学设计；电场强度；科学方法

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2023）7-0031-5

长期以来，电场强度概念一直是高中物理教学的重点与难点，其原因不仅在于电场强度是高中电学的重要概念，也是学生定量认识场的首个概念。因此，教师们不断探索如何帮助学生科学地构建电场强度概念，并逐步形成了不同的教学设计范式。哪种教学设计范式更为接近电场强度概念教学的本质？更符合物理教学逻辑？到目前为止，中学物理教学界并没有达成共识。

本文立足于科学方法教育理论，系统梳理了现有电场强度教学设计范式，分析了不同教学设计范式的思维脉络，管窥了范式特点，以期为后续电场强度教学研究与实践提供借鉴，从而促进物理学科核心素养的落实。

1 电场强度教学设计范式的比较

为了研究电场强度教学设计的不同范式，对中国知网2001—2021年有关电场强度教学设计的文章进行梳理，总结主要范式，梳理其深层教学逻辑，以期对教师进行电场强度的教学设计有所启示。

2001—2021年，电场强度相关教学设计的文章共73篇，年度发文如图 1所示。采用内容分析法，在通读文献摘要和浏览全文的基础上发现，大多数文章并未真正触及电场强度概念教学的核心与本质，却仍然形成了不同风格的教学设计范式，值得展开深入研究。

1.1 总结式教学设计范式

教师进行教学设计的首选参考物是教材。换句话说，教师的教学设计通常是在教材编写的基础上展开的。研究发现，知网上有关电场强度教学设计的文章，大约有78%是基于教材编排逻辑设计的。此类教学设计范式主要是在对教材编写思路理解的基础上，掺入个人教学实践经验撰写，本质上就是教材编写思路的再现，称为总结式教学设计，包括以下两类。

第一类教学设计：导入环节，教师主要通过演示实验让学生初步感知电场的作用以及电场有强弱之分，或者从物理学史的角度引入场的性质及电场的概念。而后利用范式起电机的金属球作为场源电荷，以及用丝线悬挂的固定于细铜环中的泡泡球作为试探电荷开展演示实验，并设置两种不同的场景：一是同一试探电荷放入电场中的不同点，二是不同试探电荷放入电场中同一点。对比观察实验现象，进而分析放入电场中电荷的受力情况。考虑到“数无形时少直觉，形少数时难入微”，部分教学设计引入了电场力图表（F-q）进行分析，引导学生在观察实验的同时，完成图像（F-q）制作，基于猜想验证用电场力F与电荷量q的比值来描述电场的强弱。

第一类教学设计范式存在的最根本问题在于：为什么在定义电场强度时要采用电场力与试探电荷的电荷量相比的方式？不回答这个问题，就会导致学生在学习完电场强度后，只是记住了电场强度的表达式，却不明白电场强度定义中的物理学研究思路。而电场强度定义中的物理学研究思路，才是整个电场强度教学中最具有思维价值的部分。

第二类教学设计引导学生在变化量中寻找不变量，即提出问题：“在某个固定的位置放上不同试探电荷，所受的电场力不同，哪个量是不变的？”学生作答：“电场力与试探电荷电荷量的比值是不变的”，从而引出该比值的含义为电场强度的概念。第二类教学设计范式看似避免了直接提出采用电场力与试探电荷的电荷量相比的方式，引导学生进行科学探究或者进行猜想，但寻找不变量仍然是一种预设，或者说是一种虚假的探究。因为在没有进行探究之前，是无法确定在电场强度的定义中一定存在着不变量。假如不存在不变量，最后探究的结果将会如何？显然，第二类电场强度教学设计范式存在逻辑问题。

综上所述，总结式教学设计范式整体上遵循教材编写的逻辑，但并未阐述清楚如何寻找实验中的不变量，为何“作比”以及得出比值为常量这一结论的逻辑依据。

1.2 类比式教学设计范式

类比在认知科学中起着重要的作用，表现之一就是概念的转变［1］。通过类比，一个概念转化为另一个概念，这种转化可以帮助人们解释新的现象或事物［2］。类比式教学设计范式主要采用类比策略，利用两类事物或两个域在某些方面具有共通性，推理在其他方面也可能具有共通性。采用知识类比和迁移策略激发学生的求知欲，形成探索自然的内在动力和科学精神。以两类教学设计分析类比式教学设计范式特点。

第一类电场强度的教学设计范式通过引力场与重力场的类比引入电场强度。阐述引力场和静电场的相似之处：一是引力场和静电场都具有物质性；二是两者对放入其中的物体都有力的作用；三是引力和静电力的表达形式相似，万有引力（F=），静电力（F=）；故可通过重力场中的引力强度类比引入电场强度概念（表1）。

第二类教学设计通过类比生活中常见现象辅助学生理解电场强度。例如，让学生测量空气中某点风速的大小（图 2），学生可借助纸片测量风速大小。风速的大小是风的性质，和纸片受到的風力大小、纸片的受力面积无关，进而类比到电场强度概念上。

采用类比策略引入电场强度的教学设计范式的初衷，是欲使电场强度的教学设计具体化、形象化，希望有助于学生直观地理解电场强度的概念。但类比策略本身存在一定的局限性，其运用前提是，只有在学生对已知被类比对象熟悉的基础上，才能顺利类比出未知对象。在第一类教学设计中，由于引力场强度并不是高一物理教学的内容，因此，采用引力场强度去类比建立电场强度，是违背类比原则的，同时也存在逻辑上的问题。

在第二类教学设计中，类比就是由两个对象的某些相同或相似的性质，推断出在其他性质上也有可能相同或相似的一种推理形式。因此，两个类比对象具有某些相同或相似的性质，是类比推理能够成立的前提。由于风速与电场强度在本质上属于不同性质的物理量，两者缺乏相同或相似的性质，将两个不同性质的物理量进行类比，也是违背类比原则的。

1.3 显化科学方法的教学设计范式

显化科学方法的教学设计范式是指电场强度概念的导入基于比值定义法的步骤而展开，具有创新的意义。

以电场强度高端备课为例，教学设计步骤如下：（1）首先，设置与学生常规认知相冲突的假设，在电场中距离场源电荷远近不同的A，B两点分别放置不同电荷量的试探电荷，通过直接比较试探电荷所受静电力大小来表征电场中不同位置电场的强弱，结果发现：距离场源电荷近的A点试探电荷所受静电力小，而距离场源电荷远的B点试探电荷所受静电力大；（2）由于直接用试探电荷所受静电力大小来表征电场的强弱出现了异常现象，就需要统一试探电荷的电荷量这一标准，再继续比较电场中不同位置试探电荷所受静电力大小，结果发现：距离场源电荷近的位置静电力与电荷量的比值大，而距离场源电荷远的位置静电力与电荷量的比值小，但比值的物理意义尚不清楚；（3）为了进一步解决静电力与电荷量比值的物理意义问题，就需要在A，B两点分别放置不同电荷量的试探电荷，然后比较静电力与电荷量的比值，结果发现：静电力与电荷量的比值为常量，因此，以试探电荷所受静电力大小来表征电场中某一位置电场强弱的研究思路就不再成立；（4）由于静电力与电荷量的比值为常量，反映了电场的固有属性，从而定义比值为电场强度［5］。如表2所示。

显化科学方法的电场强度教学设计范式是从假设出发，即假设直接用电场力的大小来表征电场的强弱。由于电场的抽象性，人们只能通过试探电荷在电场中的受力大小来描述电场的强弱，而不是违反教学逻辑地将静电力F与电荷量q进行比较，因此，该假设是自然合理的。当发现假设的结果异常后，再借助“除法”数学工具，把静电力F与电荷量q相除，使得电荷量统一为单位电荷后再进行比较，从而顺理成章地解决为何要将静电力F与电荷量q进行比较的问题［6］。进一步，选取不同电荷量的试探电荷进行比较，从而发现了比值（■）是一个常量的结论，并最终得出了电场强度的表达式。

正如赖格卢斯所说，教学设计应着力于教学过程的改进，最终找到能够达成最优给定目标的科学方法［7］。电场强度抽象概念的导入与其定义式的推导，正是由于将科学方法作为整个教学设计的核心，有目的、有意义、有步骤地向学生展现了比值定义法的步骤［8］，从而使得整个教学设计过程自然、顺畅、合理。

2 研究启示

在电场强度概念的导出过程中，不同的教学设计采用了不同的研究范式，并体现出各自的特点。通过深入分析与研究，得到如下启示：

2.1 教学设计要关顾教学逻辑

教学逻辑是指教学活动的因果关系及其展开顺序，包括逻辑起点、逻辑路线与逻辑终点。逻辑起点的遴选包括两个方面：一是要与学生的经验常识相冲突，二是与学生已有知识相冲突。其次，逻辑路线的选取应当符合有意义学习的原理。奥苏贝尔认为，有意义学习的心理机制是同化，同化的结果是新知识被掌握（理解与保持），而原有认知结构发生变化［9］。最后，逻辑终点的遴选应紧扣教学目标。根据冲突的情境和学生已有认知水平，会产生很多问题，但选择教学逻辑终点时教师应围绕教学目标，通过体现教学内容本质的问题展开教学，并使之成为贯穿教学过程的主线。

在电场强度的教学设计中，显化科学方法的教学设计范式正是围绕着“比较力”这一贯穿教学过程的主线而展开。不仅展现了教学设计的逻辑起点，而且展现了教学逻辑的路线。从直接比较到选取标准比较，再到发现不能比较电场力，淋漓尽致地展现了教学逻辑的曲折过程［10］。教学逻辑的终点也具有水落石出的特点。因为比值（）是一个常量，与F无关，反映了电场的属性，所以把比值（）定义为电场强度。

2.2 教学设计要显化科学方法

依据物理学知识-能力结构图［8，10］不难发现，物理知识必须经由科学方法才能得到。因此，教材的编写就需要重视科学方法，显化科学方法的名称及其应用过程。在电场强度教学设计时，需要显化“比值定义法”，按照比值定义法的逻辑顺序展开设计：（1）选取比较的对象；（2）确定比较的标准；（3）诠释比值的意义；（4）得出比较的结论［11］。进行显化科学方法的教学设计关键在于通过搭建合理的脚手架，让学生清晰地理解“为什么要比”以及“如何比”，不仅体现了“授之以鱼”的教学设计思路，更彰显了“授之以渔”的物理教育思想。

与之相反，目前各版本高中物理教材在电场强度概念的编写中，均未明确阐述为何要将静电力F与试探电荷的电荷量q进行比较，容易造成学生处于“知其然而不知其所以然”的境地。而显化科学方法的教学设计范式则表明，直接比较电场力会得出错误结论，所以转而强调比较需要选取相同标准的思想，进而给出了将静电力F与试探电荷的电荷量q进行比较的思路，从而彰显了“比值定义法”的内涵及展开步骤，完美诠释了电场强度教学设计的应有之义［12］。

2.3 教学设计要注重教学反思

教学反思是对教学活动本身的深入思考，进而使得教师能够有意识地、谨慎地、经常地将研究结果和教育理论应用于教学实践［13］。教学反思作为教师专业成长的重要途径，是个体认知循环往复、螺旋式上升的过程。在这个意义上，本研究就是对电场强度教学设计的反思。

长期以来，我国传统的物理教学设计主要强调对教材的感知和把握，强调对过往教学经验的继承。教材编写过程中尽管力争完备，但也会偶有疏忽，不能做到尽善尽美。因此，物理教育教学工作者应当怀有批判意识，基于严密的推理进行教学设计，要善于质疑辨析，积极吸取、采纳优秀教学设计范式的优点，摒弃不合理的教学设计范式，要站在巨人的肩膀上反思以往（下转第39页）（上接第34页）教学设计的成败得失。事实上，物理教育工作者只有勇于超越经验，善于质疑，善于反思，才能在对物理教材编写与物理教学经验的否定之否定中，达成对物理教学设计认识的螺旋式上升，并最终实现物理教育与教学的可持续发展。

参考文献：

［１］Ｈｅｓｓ，Ｍ．ＭｏｄｅｌｓａｎｄＡｎａｌｏｇｉｅｓｉｎＳｃｉｅｎｃｅ［Ｍ］．Ｎｏｔｒｅ

ＤａｍｅＵｎｉ．Ｐｒｅｓｓ，１９６６．

［２］马玉蕾，房红梅．类比和隐喻［Ｊ］．外语学刊，２００５，２８（５）：７5－８0．

［３］张建军．基于逻辑学浅谈电场强度概念引入方法［Ｊ］．湖南中学物理，２０１７，３２（４）：４４－４５．

［４］杨锦悦，任新成．基于逆向教学设计的科学思维能力培养研究——以“静电场”中部分概念教学为例［Ｊ］．物理教师，２０１９，４０（５）：２－５．

［５］宗先汉，邢红军，姚丽鹏．高端备课视角下的电场强度教学设计［Ｊ］．课程教学研究，２０１５（９）：６３－６５．

［６］邢红军．按照比值定义法的本质改进高中物理概念的编写［Ｊ］．物理教师，２００４，２５（４）：５－７．

［７］赖格卢斯．教学设计的理论与模型：教学理论的新范式（第２卷）［Ｍ］．裴新宁，郑太年，赵健，译．北京：教育科学出版社，２０１１．

［８］石尧，邢红军．以科学方法为中心实施因材施教的物理教学途径研究［Ｊ］．课程·教材·教法，２０１６，３６（３）：９８－１０２．

［９］施良方．學习论［Ｍ］．北京：人民教育出版社，１９９４：２２３．

［１０］邢红军．物理教学论［Ｍ］．北京：北京大学出版社，２０１５.