優化電場教學設計 提高學生思維能力

駱文洲

[摘? ?要]思維能力是學習能力的核心，已成為物理教師及相關教育工作者的共識，在課堂教學中，物理任課教師應設法讓知識課堂成為培育核心素養的思維課堂。文章通過列舉幾個優化靜電場教學的片段，闡述如何提高學生的思維能力。

[關鍵詞]教學設計;思維能力;問題情境;學習途徑

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2018）35-0039-03

在工作、學習、生活中，遇到問題時總要“想一想”，這就是思維。恩格斯為什么會說“思維是世界上最美麗的花朵”呢？這是因為思維能力包括比較和判斷能力、分析和綜合能力、推理和論證能力、概括和抽象能力等;它參與、支配著一切智力活動，可以說是整個智慧的核心，也可以說是學習能力的核心。對照物理學科核心素養，“科學思維”便是其四大維度之一。因此，切實優化物理教學設計，充分發揮物理學科特色，真正提高學生的思維能力，是高中物理教師義不容辭的責任。下面結合人教版選修3-1第一章《靜電場》的教學，淺談物理教學中學生思維能力的提升。

一、優化問題情境，拓展思維廣度

華東師范大學鐘啟泉教授曾說過：真正的“學習”，不能只停留于單純的“知識記憶”，而應當是學生主動參與的“知識建構”……，最大限度地拓展學習空間，使每個學生都能學會學習，成為學習的主人。那么，如何最大限度地拓展學習空間呢？這就要求我們的課堂教學是將知識問題化的、問題情境化的。課堂教學應當是通過優化的問題情境，拓展學生思維的廣度，給學生的思維有一個可以盡情遨游的機會。

以電場強度為例，教材中通過研究“懸掛起來的帶電小球受到帶電金屬球的靜電力作用”這一實驗，得出帶電金屬球周圍存在電場，且電場強度與位置有關，而與試探電荷無關……顯然，這樣的問題情境雖然體現了以實驗為基礎的學科特色，但由于電場的高度抽象性導致學生的思維廣度不夠。對此，教師該如何優化問題情境呢？教學中，我們可在前面已學知識的基礎上，引入實際情景進行類比，幫助學生理解，設計如下。

師：（實驗）將臺式電扇置于講臺上并啟動它（不扭頭旋轉）。不同的地方，風的強弱一樣嗎？

生：不一樣。（實驗）把小紙條放在不同的地方，離風扇越遠，紙條偏轉的角度越小，在教室后方，紙條幾乎就沒有偏轉了。

師：不同的地方，風的方向一樣嗎？

生：不一樣。（實驗）把小紙條放在不同的地方，紙條偏轉的方向有同有異。

師：沒有小紙條，風還在嗎？

生：在的。小紙條的偏轉情況只是反映了風的強弱和方向，但風存在與否，與小紙條無關。

師：這個小實驗中，電風扇、風、小紙條的特性與今天課堂教學中“誰”的特性很相像啊？……

通過電風扇與場源電荷、風與電場、小紙條與試探電荷的類比，以電場和風的相似性為基點，讓抽象陌生與形象熟知的事物類比，通過熟知事物的特征類比理解陌生事物。顯然這種生活化的類比極大地拓展了學生思維的廣度，為隨后電場強度概念的引出鋪平了道路。教學中，還有許多類似的地方值得我們進一步關注，如重力做功與電場力做功、重力勢能與電勢能、等高線與等勢面、高度與電勢等。

以2018年高考北京理科綜合卷第24題為例：靜電場可以用電場線和等勢面來形象描述。（1）請根據電場強度的定義和庫侖定律推導出點電荷Q的場強表達式;點電荷的電場線和等勢面分布如圖1所示，等勢面S1、S2到點電荷的距離分別為r1、r2。我們知道，電場線的疏密反映了空間區域電場強度的大小。請計算S1、S2上單位面積通過的電場線條數之比N1/N2。（2）觀測宇宙中輻射電磁波的天體，距離越遠單位面積接收的電磁波功率越小，觀測越困難。為了收集足夠強的來自天體的電磁波，增大望遠鏡口徑是提高天文觀測能力的一條重要路徑。2016年9月25日，世界上最大的單口徑球面射電望遠鏡FAST在我國貴州落成啟用，被譽為“中國天眼”。FAST直徑為500 m，有效提高了人類觀測宇宙的精度和范圍。設直徑為100 m的望遠鏡能夠接收到的來自某天體的電磁波功率為P1，計算FAST能夠接收到的來自該天體的電磁波功率P2;在宇宙大尺度上，天體的空間分布是均勻的，僅以輻射功率為P的同類天體為觀測對象，設直徑為100 m望遠鏡能夠觀測到的此類天體數目是N0，計算FAST能夠觀測到的此類天體數目N。

對該試題，若把“電場線”類比成更熟悉的“磁感線”和“磁通量”，并求解單位面積上的電場線條數之比，把“電磁波”類比成更熟悉的“太陽輻射的光線”，進而求解功率、天體數目等問題。

對小題（1），根據庫侖定律、電場強度的定義式可得E=kQ/r2，而穿過兩等勢面單位面積上的電場線條數之比N1/N2=r22/r21。

對小題（2），同一天體到達望遠鏡單位面積上的功率（即接收的功率）應該相同，故P2=5002P1/1002=25P1。若直徑為100 m望遠鏡和FAST能觀測到的最遠距離分別為L0和L，則π（500/2）2·（P/4πL2）=π（100/2）2·（P/4πL02），得L=5L0，N=L3N0/L03=125N0。

二、開放學習途徑，加深思維深度

思維廣度就是人們能想到的廣度，比如提起重力，能想到彈力、摩擦力……;而思維深度是指人們考慮的深度，比如重力是怎樣產生的、大小和方向是怎樣的……因此，教學中思維廣度需要適度拓展，而思維深度更需適度加深。具體可以通過開放更多的學習途徑創設不同的學習機會，提高學生的思維能力。

以勻強電場的電場線為例，傳統教學一般是利用粘有驗電羽的圓形金屬平板進行演示，然后得出勻強電場的電場線。這樣的教學節奏很快，而從提高思維能力的角度來看，似乎意義不大。根據高中生現有的知識水平，如果把教學過程改為理論上先定性探究、再用實驗進行驗證，也許對提高學生的思維能力有更大的作用。設計如下。

師：有一塊無限大的、均勻帶正電的薄板，如圖2所示，它的電場線分布是什么形狀呢？

生：由于無限大的均勻帶正電薄板可以看作無限個正點電荷組成，所以板上點電荷在該點的場強是垂直板向外的;其次，板上點總可以在“對稱”的位置找到一點，使得在任取的這點的場強還是垂直板面向外的。

師：既然任意一點的場強方向都是垂直薄板向外的，那么電場線也就一定是垂直薄板向外了;但是電場線為什么是疏密均勻的直線？

生：帶電均勻。

師：如果是帶負電的薄板呢？

生：只要改變電場線的方向即可。

師：如果把剛才的兩塊平板放在一起，疊加后的電場如何分布呢？

生：利用電場疊加原理，疊加后的電場線僅在兩板間，且是等距的平行直線……

顯然，在教師的引導下，適度加深了學生的思維深度。學生通過對稱法、疊加法等方法可以定性推得勻強電場電場線的圖像，了解了勻強電場電場線的來龍去脈和基本特性，相比實驗模擬得出圖像顯然更能提高學生的思維能力。這也非常符合蘇霍姆林斯基曾經說過的一句話：“教師在教學中應把獨立發現的道路讓學生自己走，要把獨立解決問題作為學生腦力勞動的基本形式……”

其實，這樣的教學改進與目前的高考要求也是不謀而合的。

以2015年安徽省理科綜合卷中第20題為例：已知均勻帶電的無窮大平面在真空中激發電場的場強大小為σ/2?0，其中σ為平面上單位面積所帶的電荷量，?0為常量。如圖3所示的平行板電容器，極板正對面積為S，其間為真空，帶電量為Q，不計邊緣效應時，極板可看作無窮大導體板，則極板間的電場強度大小和兩極板間相互的靜電引力大小分別為（）。

A.Q/?0S和Q2/?0S

B.Q/2?0S和Q2/?0S

C.Q/2?0S和Q2/2?0S

D.Q/?0S和Q2/2?0S

本題考查的主要是電場“力的特性”，對探究過平行板電容器電場的學生來說較為容易。由題意知，通過電荷的“面密度σ”求得“一板場強”的大小為Q/2?0S。接下來，一方面通過電場的“疊加原理”，求得“合場強E”的大小為Q/?0S;另一方面通過電場的“定義式”E=F/q，求得“靜電引力”的大小為Q2/2?0S，故選項D正確。

三、精準設計問題，把握思維梯度

學生思維的深刻性、靈活性、創造性、批判性、敏捷性、系統性等是不盡相同的，如若系統性不夠，將導致綜合能力欠缺;靈活性不足，將常受思維定式的困擾。因此，教學設計不能無限地拓展思維廣度、加深思維深度，否則離學生的最近發展區越來越遠。這樣的教學將導致教學任務難以完成，也不利于學生思維能力的提高;應該根據學生的實際情況精準設計問題，在學生的最近發展區內形成科學有序的思維梯度，從而切實提高學生的思維能力。

以帶電粒子的加速為例，教學中我們不能用動能定理直接快速地得出末速度，這樣的教學會使學生對知識的理解極不深刻，更談不上培養學生的思維能力。當然，我們可以設計一系列有價值的問題，形成思維梯度，降低思維難度，但不失思維的廣度、深度，設計如下。

[序號 問題 說明 1 什么是帶電粒子？（展示示波器或示波管實物、直線加速器視頻后再提問） 比較各力大小，辨別粒子顆粒。 2 上述器件是如何利用電場加速帶電粒子的？ 學生設計方案，共同交流評價，得出可行方案。 3 我們通過控制什么物理量就可以改變帶電粒子末速度大小？ 學生求解分析，得出極板電壓。 4 上述求解方法不同，但結果均同，各種解法都正確嗎？ 動能定理：簡捷又都適用;

牛頓第二定律：僅適勻強電場。 5 如需獲得更大的速度，該如何改進方案呢？ 采用多級加速，不斷提升速度。 6 能評價一下多級直線加速器嗎？ 多級加速雖好，但是器件很長。 7 課后請查資料，了解科學家們是如何改進的。 了解回旋加速，初步比較優劣。 ]

亞里士多德曾經說過：“思維是從對問題的驚訝開始的”。教學中，教師精準設計問題，并使問題梯度化，則學生的思維也隨之梯度化。梯度化的思維，促使學生提升了思維的廣度，如粒子加速的方案設計;也提高了學生思維的深度，如為什么一般不采用牛頓第二定律計算？如何獲得更大的速度？等等。

以2018年11月浙江物理選考第23題為例：小明受回旋加速器的啟發，設計了如圖4所示的“回旋變速裝置”。兩相距為d的平行金屬柵極板M、N，板M位于x軸上，板N在它的正下方。兩板間加上如圖5所示的幅值為U0的交變電壓，周期T0=2πm/qB。板M上方和板N下方有磁感應強度大小均為B、方向相反的勻強磁場。粒子探測器位于y軸處，僅能探測到垂直射入的帶電粒子。有一沿x軸可移動、粒子出射初動能可調節的粒子發射源，沿y軸正方向射出質量為m、電荷量為q（q>0）的粒子。t=0時刻，發射源在（x，0）位置發射一帶電粒子。忽略粒子的重力和其他阻力，粒子在電場中運動的時間不計。（1）若粒子只經磁場偏轉并在y=y0處被探測到，求發射源的位置和粒子的初動能;（2）若粒子兩次進出電場區域后被探測到，求粒子發射源的位置x與被探測到的位置y之間的關系。

本題看似帶電粒子在磁場中運動的問題，實為帶電粒子在電場中運動的問題。一般而言，帶電粒子在電場中的偏轉問題較難，需利用“先分解、后合成”的方法求解位移、速度等問題。本題只涉及帶電粒子在電場中加速或減速，但是由于“粒子兩次進出電場區域后被探測到”的限制，該題目就變得較難了。那么我們該如何搭建思維臺階，引導學生思考求解呢？首先，分析出每過半個周期，粒子進入電場區域時電場強度的方向，即研究清楚受力特點;其次，由于初動能各異，加速進入、減速進入的結果會如何，即研究清楚力和運動的關系;再者，根據題設條件，確定分三類討論：如圖6，若初動能大于2qU0，兩次減速;若初動能小于2qU0，但大于qU0，一次減速、一次往返;若初動能小于qU0，一次往返、一次加速。解略。

總之，教學中，教師只有從整體上把握好思維的廣度、深度、梯度這三者間的關系，才能使物理課堂走向以思維為核心的課堂，才能使學生的思維能力得到切實提高。

（責任編輯? ?易志毅）