在教學中提升學生的科學素養
——“靜電現象的應用”教學設計

喬 蘭 姚小琴

在教學中提升學生的科學素養
——“靜電現象的應用”教學設計

喬 蘭1姚小琴2

在物理課堂教學中，通過教學方式的改進，實驗器材的創新，讓學生與教師互學共進，從“科學知識”“科學方法”“科學精神與態度”“科學應用與實踐”四個方面，培養學生的科學素養。

科學素養；靜電現象的應用；高中物理

本次“杏壇杯”展評活動的主題是“人在課中央”，怎樣在這節物理課堂教學中有效地促進學生科學素養的提升，是我在進行教學設計時考慮的最核心的問題之一。經過潛心思考并查閱了大量文獻后，我體會到：旨在提高學生核心素養的物理教學，應該將物理課程的教育教學目標，定位在學生終身發展的行為習慣、規范與關鍵能力的養成等諸多方面，在教學中不斷為學生提供面對問題、分析問題和解決問題的機會，并在此過程中激發他們學習的熱情，在主動學習與探究中養成行為習慣，發展關鍵能力。

我選擇執教人教版高中物理選修3-1第1章第7節“靜電現象的應用”，這是因為在這節課之前，學生通過前6節內容的學習，已經理解了電場強度和電勢這兩個反映電場基本性質的重要物理量，可以說本章核心概念的學習任務已經完成。而第7節是前面各節內容之間知識的綜合，是核心內容的拓展和應用，目的在于提高學生綜合運用物理知識的能力，這樣的教學內容才能體現本次展評的主題，更好地展現學生的主體地位、教師的主導作用。

基于以上的思考，我對這節課做了以下的設計。

一、新課引入

我截取科學綜藝類節目——“加油！向未來”中的一段精彩的“放電”視頻，引發他們思考：為什么踩在高壓電上的演員能安然無恙？以強烈的視覺沖擊吸引學生注意力，用出乎意料的結果，激發他們學習本節課的愿望。

二、“靜電平衡狀態”探析

情境設置：將含有大量自由電子的金屬導體置于勻強電場中。用課件模擬靜電感應現象，提出問題：電子的定向運動會持續下去嗎？

通過師生間、學生間的討論，幫助學生構建本節課的重點知識——“靜電平衡狀態”的概念。

1.研究靜電平衡狀態下導體電場的特點。

（1）理論分析。

引導學生從“電場強度”和“電勢”這兩個反映電場基本性質的重要物理量的角度，對導體的電場特點進行理論研究。在建構了“靜電平衡狀態”的概念后，引導學生利用研究問題的科學思維方法，例如反證法、矢量分析法、歸納法，積極調動學生已有的知識儲備，從理論上構建模型，通過推理分析得出處于靜電平衡狀態的導體電場的特點。

（2）實驗驗證。

實驗一：驗證靜電平衡狀態下的導體內部場強為零。

實驗器材：手搖感應起電機，金屬導體，金屬籠，泡沫小球，導線，等。

（設計意圖：通過教師的介紹，讓學生分組探究處于靜電平衡狀態的導體內部場強情況。實驗過程中，學生綜合利用了之前學習的知識，根據帶電物體是否受電場力來判斷空間電場是否存在，提升了學生將理論知識應用于實踐的能力。分組實驗中，學生的合作能力、動手能力、觀察能力得到了提高。而最后的匯報環節，學生準確表述和歸納總結的能力都得到了鍛煉，體現了學生的課堂主體性。）

2.研究靜電平衡狀態下導體電荷分布的特點。

（1）理論分析。

請學生猜想：處于靜電平衡狀態的帶電導體、電荷分布在什么位置？電荷分布有什么規律？

對靜電平衡狀態下導體電荷分布的特點，我通過提問，讓學生思考電荷分布的位置及分布規律，讓學生在實驗前有個基本猜想和預判。不過由于學生理論知識儲備不足，可以嘗試引導學生用反證法給出判斷的基本依據，但此處理論分析難度較大，每個學生學情不同，不做硬性要求。學生對電荷分布特點的認識，必須通過實驗才能加深認識。

（2）實驗探究。

實驗二：探究處于靜電平衡狀態下的導體，內部和外表面的帶電情況。

實驗器材：感應起電機、金屬球（板）、金屬籠、兩款靜電傳感器等。用兩款傳感器檢測處于靜電平衡狀態的金屬籠，內部和外表面的帶電情況。

實驗三：探究帶電導體電荷分布的情況。

實驗器材：感應起電機、側面有釘子的金屬奶粉罐、驗電羽等。用自制教具探究帶電導體上電荷的分布情況。

（設計意圖：在實驗二中，通過介紹“靜電傳感器”的使用，讓學生體會到傳感器和計算機可以使許多物理實驗做得更準確、更迅速，可以把我們的手和腦從簡單的、重復性的操作中解放出來，讓我們的注意力集中于問題的科學本質。在實驗三中，借助于自制的教具，使學生直觀地觀察到導體上電荷的分布情況，深化了對電荷分布特點的理解。突破了本節課中的第一個教學難點。這個環節的教學，以生動的實驗激發學生學習物理的熱情，培養學生實事求是的科學態度，在物理課堂教學中滲透科學精神和態度的教育。）

三、靜電現象的應用

1.尖端放電。

通過學生閱讀和交流討論，幫助學生認識“尖端放電現象”，同時用自制的“雷電模擬裝置”，積極創設物理情境，引導學生利用本節課所學知識對“避雷針的作用”進行解釋，培養學生綜合運用物理知識的能力。

2.靜電屏蔽。

實驗四：將驗電器放在靜電場中，由于發生靜電感應現象，箔片張開；而罩上金屬籠后箔片閉合。

讓學生分析箔片張開的原因，從而引導學生利用本節課所學知識，形成“靜電屏蔽”的概念。

此處，再次出現片頭引入的高壓放電的視頻截圖，引導學生再次利用靜電屏蔽的知識，嘗試分析演員安然無恙的原因，培養學生應用所學知識和方法解決現實問題的意識和能力，突破本節課的第二個難點。

（設計意圖：培養學生的高階思維能力，要有高階學習活動予以支持，本教學環節中，我利用生活中豐富的靜電現象，以學生為中心，開展自主學習、合作交流、問題解答等學習活動，提升了學生的科學應用能力。）

四、課堂小結

在本環節中，借助于PPT或者板書，對本節課的教學內容進行回顧和整理，讓學生在頭腦中建構出自己的知識結構，培養學生學習物理的良好習慣和方法。

五、思維拓展

創設兩種看起來相似的取電方式（具體內容略），讓學生猜測可能出現的情況，為這節課的后續學習留下伏筆，同時培養學生養成嚴謹的研究態度。

［1］閻金鐸，郭玉英.物理教學概論［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］林欽，陳峰，宋靜.關于核心素養導向的中學物理教學的思考 ［J］.課程·教材·教法，2015（12）.

【團隊推薦】

喬蘭老師在第12屆江蘇省“杏壇杯”課堂教學展評活動中，面向高一學生開設了“靜電現象的應用”一課，喬老師設計了幾個十分精彩的實驗，猶如一顆顆璀璨的珍珠鑲嵌在課堂教學過程中，極大地豐富了學生的體驗。

1.簡易的泡沫小球實驗，驗證導體內部場強為零。

在理論探討得出靜電平衡導體內部場強為零的結論后，喬老師設計了一個學生分組實驗，學生通過手搖感應起電機讓一個輕質泡沫小球帶電，將帶電泡沫小球放在一個帶電板旁，帶電小球立即受電場力而偏離了平衡位置，說明電場的存在；而用金屬籠罩住帶電泡沫小球，使小球處于導體內部，這時，立即看到小球落了下來，不再受力，說明內部沒有電場，從而進一步證明了靜電平衡狀態下的導體內部電場為零。此實驗設計簡單易做，小組內學生反復交叉做，體會深刻。

2.同步的傳感器實驗，精確呈現電荷的分布。

為了說明靜電平衡狀態下的導體內部沒有“凈電荷”，“凈電荷”只分布在外表面。喬老師用兩個“數字靜電傳感器”代替了傳統的“驗電器”。第一款自帶液晶屏的數字靜電傳感器，放在金屬籠內部，用一根導線將傳感器和導體內部相連，用來檢驗導體內部是否帶電；第二款傳感器，通過數據線與電腦相連，電腦屏幕顯示帶電數據，用它檢測導體外表面的帶電情況。實驗時為了提高可見度，用實物投影將傳感器與電腦顯示屏放大給大家看。當一名學生緩慢持續地搖動起電機的手柄時，與起電機相連的金屬籠也就帶上了電荷，但大家發現內部靜電傳感器顯示示數始終為零，而外部傳感器的取電球去觸碰金屬籠外側后，傳感器立即顯示出帶電數值。這一現象精確地呈現了靜電平衡狀態下的導體，內部沒有“凈電荷”，“凈電荷”只分布在外表面。

3.自制的奶粉罐實驗，形象直觀。

為了進一步探究帶電導體外表面上電荷分布的疏密情況，喬老師收集了許多金屬奶粉罐，在每個奶粉罐的側面釘了一個釘子，在奶粉罐內部和表面都粘上了驗電羽，并在外側釘子的頂端也粘上了驗電羽，將奶粉罐用導線與起電機金屬桿相連，搖動起電機手柄使奶粉罐帶電，讓學生仔細觀察現象，并回答學案上的問題。每個小組的學生都搶著回答他們看到的現象：金屬罐子內部的驗電羽沒有張開，說明導體內部沒有電荷，外表面的驗電羽都張開了，說明了電荷分布在外表面，而粘在外部針尖部位的驗電羽張開的角度最大，說明越尖銳的部位電荷密度越大。

4.模擬避雷針實驗，理論聯系實際。

“避雷針”作為靜電現象在生活中的一個典型應用，學生的認識僅停留在聽說的層面，沒有切身的體驗，喬老師自制了一排小房子模擬居民區，用兩塊鋼板分別固定在小房子底部和上方，用來模擬大地和云層，當通過高壓感應圈給兩塊鋼板加上高壓來模擬雷電時，各間房屋與云層間均產生了電火花，這時提問學生：這種情況如果持續發生，房子一定會受損，那為了保護房屋，我們應該怎么辦？學生紛紛回答：放入避雷針。這時喬老師拿出自制的避雷針（砝碼和金屬毛線針）放在“地面”上，再加上高壓，學生觀察到，只有避雷針與“天空”間有火花放電，房屋都得到了保護。

5.“靜電屏蔽”實驗，首尾呼應。

最后，喬老師設計了“靜電屏蔽”的分組實驗，讓學生將驗電器放在帶電導體球形成的電場中，由于靜電感應驗電器的金箔張開；而當驗電器被金屬籠罩上后，驗電器的金箔立即閉合。通過實驗幫助學生建立“靜電屏蔽”的概念，這種構建概念的過程形象生動易于理解。這時，再次打開引入新課時的視頻，讓學生解釋：為什么踩在高壓線圈上的發生尖端放電的演員，相互之間加了上萬伏的高壓，卻安然無恙？學生順利地做出了解釋，并對“電擊汽車”“高壓防護服”等現象及應用實現了理解，體會到物理學習意義和作用。這種安排“首尾呼應”，解決了課前引入時學生的“懸念”。

喬老師這節課通過設計精彩的實驗，讓學生觀察、思考、動手實驗，極大地豐富了學生的體驗，提升了學生的素質，體現了新課程理念，是一節成功的物理課！

G633.7

A

1005-6009（2017）59-0044-03

1.喬蘭，南京外國語學校（南京，210008）教師，一級教師；2.姚小琴，南京外國語學校（南京，210008）教師，高級教師，江蘇省特級教師。

（推薦人：姚小琴）