淺談“電場線”的藝術美在物理學科素養中的滲透

傅子杰

(首都師范大學教師教育學院 北京 100037)

物理學科素養是科學素養培養過程中的重要構成，從物理學的角度認識世界、了解世界，到對于世界的再認知，整體的科學思維深化過程，正是物理學科素養的養成.客觀事物是自然界的固有物質，有著特定的物理屬性.物理學作為理科中認識客觀世界的基礎學科，能用其解釋自然現象和解決實際問題，則是物理學科的兩大特征：實用化與實際化，而物理學中另一大特征則是具有趣味性和物理人文性，我們可以通過很多趣味實驗，以及對于神奇的自然現象的物理解讀，來更加生動形象地表達自然界的特性，從而可以展現出自然中的美麗與神奇，這也正是物理學的力量.對于物理人文的學科滲透也正是教師培養學生科學素養貫穿的又一大主線.下面以高中物理“電場線”這一節為例，從教學設計，到教學思想兩方面談一談物理學科素養的培養.

1 人文與理學雙構建在物理教學的應用

在物理教學中，理學模型和理學規律的講授是必不可少的，向學生滲透一些物理現象、物理實驗現象背后的物理思想，也是在物理學科素養培養過程中重要的部分.在構建學科大體系的過程，物理人文也是物理學科中很重要的部分.物理人文中的藝術思想滲透，也是培養學生創造性見解與能力的重要組成.

為達到培養學生思維能力，提升思維水平的教學目標，通過自然科學引入具有“物理藝術美”的電場線，可以將學生的思維打開，提到一個更為宏觀的視野，來看待物理學中的電場線，讓自然界存在的真實電場線變得更有自然趣味.本節課的教學目標如下：

(1)理解電場線的五大基本特征，以及依據5個經典電場線分布圖的分析方法，研究其他不規則的電場線分布圖像.

(2)通過對歷史中科學家對問題探究的過程回顧，使學生產生對物理問題探索思考的興趣，以培養學生分析和處理電場問題的一般方法.

(3)認知到物理中的藝術，以及物理圖示法的意義和美學.

在引入部分，從人教課本《物理·選修3-1》第一章前言部分文字中一句來自于皮特·梅達瓦的名言：科學是可以解答的藝術，提問學生：(1)什么是科學？(2)什么是藝術？讓學生展開思考和發散性思維.通過對于科學的定義，用一句話概括：對于客觀存在的合理解釋；對于藝術的理解，則用一句話概括：對于客觀存在的生動形象表達.再次提問學生：如何理解名言中的科學是可以解答的藝術？

如圖1所示，教師以3條主線并行的方式，通過時間軸線、自然物質的感官感受層次遞進(有形的山脈、無形有感覺的溫度、無形無感覺的電場)、科學與藝術(對于客觀物質的圖示法表達形式)這三線脈絡并進，使學生更好地理解電場線中物理人文的奧秘.通過對于歷史上人們對于客觀自然而引入的人為圖示法，理解科學和藝術.

讓學生意識到物理學中的藝術與物理圖示法中的美學.通過人文理學的雙構建，來進一步提升學生的物理學科素養.為此，“電場線”的引入部分就成為這節課中培養學生發散性思維以及培養物理學科素養的很好體現.

圖1 三線脈絡并進圖示

1852 年法拉第就提出了完整的電場線理論，讓學生們翻開課本閱讀第13～14頁科學漫步中的“法拉第和場的概念”了解歷史.

接著帶領學生一起畫正點電荷的電場強度示意圖.通過有向線段的長短來表示不同空間位置的電場強度.由此整個空間的電場強度示意圖便呈現于整個平面圖紙上,如圖2所示.

圖2 正點電荷電場強度示意圖

有向線段有方向可以直接過渡到電場線的方向，有向線段的長短表示電場強度大小，而電場線則是通過場線疏密來表示電場強度大小，由此，長短變為了疏密,如圖3所示，可以形象表達電場強度的大小.

圖3 用電場線疏密表示電場強度大小

2 講授知識與學生活動交互在物理教學的落實

根據皮亞杰的認知發展階段，將兒童和青少年的認知發展劃分為4個階段：感知運動階段、前運算階段、具體運算階段和形式運算階段.我們的授課面向的學生群體是高中生，可將高中生劃分到青少年的形式運算階段，這個階段的特征為：思維不必從具體事物或過程開始，可以利用語言文字，在頭腦中想象和思維，重建事物和過程來解決問題.我們認為高中生基本具備這方面的能力，學生可在此基礎上進行新知識的學習.與此同時，形式運算階段的青少年可以根據概念、假設等前提，進行假設演繹推理，得到結論，并可以進行一切科學技術所需要的最基本運算.在這個階段中，在物理課堂教學過程中開展學生活動以及以學生討論的形式開展教學活動也是一種很好的方式.既可以鍛煉學生的物理思維能力，又可以培養學生的合作探討與獨立思考的能力，促進了學生自主進行知識學習和內化.于是，我們根據學生的認知階段，在教學設計中，設計了如下的環節以供學生進行“電場線”內容的互動學習.

在畫出了正電荷的電場線圖之后，開展學生活動讓學生根據分析正點電荷的電場線的方法，兩人一組進行討論，畫出負點電荷的電場強度示意圖，以及電場線分布圖.

帶領學生依據正點電荷和負點電荷電場線分布圖，一起總結電場線的5個基本特征：(1)電場線越密，電場強度越大；電場線越疏，電場強度越小.(2)始于正電荷或無限遠，終于無限遠或負電荷.(3)電場線的( )方向是電場強度方向.(4)電場線不相交且不閉合.(5)電場線是虛擬線.

注：對于(3)中的括號，特意空出，在后面討論等量同種電荷與等量異種電荷電場線圖時，進一步分析并強調電場線的(切線)方向是電場強度方向.

這時，讓學生每4人組成一組，小組討論等量異種電荷的電場強度示意圖，以及電場線分布圖該如何去畫.教師在討論過程中走下講臺，參與學生活動，并找出畫得好的圖紙進行投影展示，并找出有典型錯誤的圖紙，在投影上與學生共同糾正錯誤，強調畫圖規范.

在小組討論之后，再進行感應起電機-驗電羽實驗，驗證通過理論推導出來的等量異種電荷電場線分布圖,如圖4所示.

圖4 等量異種電荷電場線分布圖

教師在黑板上進行等量異種電荷電場線圖的規范示范性畫圖，帶領學生運用之前總結的電場線5個基本特征，對中垂線上各點電場強度大小和方向以及中垂線上的電場強度變化趨勢進行推導，對電荷連線上的電場強度變化趨勢，以及特殊點的電場強度大小和方向進行分析.

在理論分析和實驗驗證了等量異種電荷的電場線后，給學生1～2 min思考等量同種電荷電場線，進行感應起電機-驗電羽實驗(圖5)，模擬等量同種電荷電場線分布圖(圖6).

圖5 感應起電-驗電羽實驗

圖6 等量同種電荷電場線分布圖

帶領學生運用之前總結的電場線 5 個基本特征，對中垂線上各點電場強度大小和方向以及中垂線上的電場強度變化趨勢進行推導.進行對于電荷連線上的電場強度變化趨勢，以及特殊點電場強度大小和方向進行分析.

最后引入第5個新經典模型：勻強電場(圖7).

圖7 勻強電場

教師直接給出勻強電場的定義：電場強度大小相同，方向相同的電場.提問學生：

(1)電場強度大小相同對應著電場線分布有什么特點？(2)電場強度方向相同對應著電場線分布有什么特點？讓學生體會電場強度大小相同對應著電場線分布均勻，電場強度方向相同對應著電場線方向平行的兩個特點.

在課程最后總結部分，把5個經典電場線分布圖列出(圖8)，規范畫在黑板上，讓學生體會這5個經典的電場線模型.

圖8 5個經典電場線分布

在課程之后，留下課后思考問題：(1)如何畫出不等量同種電荷的電場線分布圖？(2)如何畫出不等量異種電荷的電場線分布圖?給予學生一定的獨立思考空間，培養學生運用基礎知識探究特殊模型的學習能力，以提升學生的物理核心素養.

在本小節“電場線”的學習中，我們的核心教學目的還是學生對于物理學知識的把握，于是我們把教學活動按以下6點教學目的展開：(1)掌握電場線定義以及物理意義.(2)從簡單的點電荷到多個點電荷的復雜電場系統，讓學生充分體會電場線分布特征.(3)掌握電場、電場強度與電場線之間的關系.(4)掌握5種典型電場的電場線分布.(5)以電場線描述電場，滲透用場線描述矢量場的方法.(6)了解什么是勻強電場，以及勻強電場的電場線特征.

我們在基于這6個教學核心的基礎上，努力拓展學生的思維寬度，通過自然科學引入具有“物理藝術美”的電場線，通過分析電荷的電場強度示意圖遞進到電場線分布圖，再到對于電場線分布的特征，分析5大經典電場線分布圖(正點電荷、負點電荷、等量同種電荷、等量異種電荷、勻強電場)，掌握分析不同電場線分布圖的分析方法和特點.從而可以用分析方法研究其他特殊且不規則的電場特征，達到學一反三的效果，以及從物理人文方面，讓學生更好地體會物理中的藝術美.

藝術和物理看似是文與理兩個領域，但是自然界這個客觀實在，卻把藝術和物理緊密地聯系在了一起.物理解讀的正是我們這個神奇充滿著奧秘的自然世界，它是探究奧秘的鑰匙；藝術生動描述著這個美麗而神秘的自然世界，它是描繪奧秘的方式.“電場線”這個物理學概念則恰好把物理與藝術生動形象地交融到了一起，它既是物理學知識，又是一種描述自然中這個“無形無感覺”電場最有效的藝術圖示法，這就是物理學中的物理人文，物理學中的的藝術美.