基于學習進階的物理概念教學
——以“電場強度”為例

(西南大學物理科學與技術學院，重慶 400715)

1 引言

物理概念教學是物理教學的基礎,目的是使學生把握事物的物理屬性或物理現象的本質特征。美國國家研究委員會(NRC)認為：學生在一個較大時間跨度內研究和學習某一主題時遵循連貫的、逐漸深入的思維路徑。在物理教學中,恰當的學習進階可以引導學生將學到的眾多概念有效地組織起來,建構系統的知識結構;概念轉變教學理論要求教師了解學生已有的前概念，并將其轉化為科學的概念,但概念轉變原理、策略、過程實施的前提是知道學生在哪里出錯,將學習進階和概念轉變的教學理論結合起來，可以有效地幫助學生解決學習困難,形成正確的物理概念。

2 建立“電場強度”學習進階的必要性

從教材角度來看,“電場強度”是本章的第三節,前兩節分別是電荷及其守恒、庫侖定律,這兩節并沒有涉及靜電學的本質,從第三節才開始觸及其本質：電場及其描述,是后面深入研究磁場以及電磁場的重要基礎。從學生角度來看,學生在初中已經學過電荷以及電荷守恒定律的內容,也知道電荷間作用的規律,但這些僅是感性認識,并沒有涉及電場等知識,所以本節的認知跨度較大,需要教師將概念轉變與學習進階的理論進行有效結合，幫助學生解決認知跨度較大帶來的學習困難,建立正確的電場強度概念。

3 對“電場強度”進行進階起點和終點的預判

筆者查閱了初、高中物理教材中電學相關內容,結合調查研究和實習經歷,預判進階起點為：知道電荷之間存在相互作用力,同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引,電荷之間力的大小滿足庫侖定律。

筆者研讀了《高中物理課程標準(2017年版)》和高中物理教材,預判高中階段的進階終點為：理解電場是一種物質,理解電場強度是描述電場性質的一個物理量，會用電場強度解決電場的一些問題。

4 進階水平的劃分與教學活動設計

4.1 知道電荷之間的相互作用需要媒介(水平一)

4.1.1 教學活動

如圖1所示，利用“探究影響電荷間相互作用力的因素”的實驗裝置,將絲線掛在C點,帶正電的小球B由于受到帶正電的小球A對其的排斥力，絲線會偏轉一定的角度。

圖1

師：為什么拴著小球的絲線會偏轉一定的角度？

生：因為小球B受到小球A對它的排斥力。

師：我們發現這兩個帶電小球沒有相互接觸,那它們是怎么相互作用的？

生A：是不是和磁體之間的相互作用一樣,盡管兩個磁極沒有相互接觸,由于磁場的存在,磁體以磁場為媒介進行相互作用。

師：電荷之間的相互作用是需要媒介的,帶電小球A周圍存在一種特殊的物質,這種物質會對放入其中的帶電小球B產生力的作用,這種特殊的物質就叫做電場。

4.1.2 教學分析

現代學習理論強調直覺在人的學習過程中的作用,《物理課程與教學論》一書指出：“物理概念教學中,要選取適當的實驗和事例使學生獲得必要的感性認識,親歷概念的形成過程”,教師通過實驗使學生對電場產生感性認識,運用類比方法完成水平一的進階任務。

4.2 知道引入電場強度的原因(水平二)

4.2.1 教學活動

師：帶電小球A產生的電場會對放入其中的帶電小球B產生力的作用,這是對電場的定性描述,如果要定量描述帶電小球A產生的電場,我們應該從哪方面入手？

生：我們上一節課學習了庫侖定律,庫侖定律可以定量描述真空中點電荷之間的相互作用力,所以如果帶電小球A和帶電小球B可看做點電荷，可以通過定量計算帶電小球B受到的靜電力來定量描述帶電小球A產生的電場。

師：我們可以通過下面的方案探究這個猜想的正確性。

要探究正點電荷的電場,點電荷叫場源電荷,放入其中的點電荷叫做試探電荷,在正點電荷產生的電場中放入正點電荷,利用控制變量法改變試探電荷的電荷量或位置，求出試探電荷所受到的靜電力的大小,為避免試探電荷對原來的電場產生影響,試探的電荷電荷量和體積相對于場源電荷要很小。

實施方案：A、B為點電荷所產生電場中的兩點,現將電荷量分別為q1和q2的試探電荷分別置于A、B兩點,求它們在A、B兩點受到的靜電力的大小,完成表1的填空。

表1

師：同學們,你們從這個表格能看出規律來嗎？

生：在同一位置試探電荷的電荷量不同,所受靜電力的大小不一樣;同一試探電荷在不同位置,所受靜電力的大小不一樣,所以用靜電力定量描述電場有一定難度。

師：可以對這個表格進行小小的處理(如表2)。

表2

生：只要位置確定了,試探電荷所受的靜電力與試探電荷的電荷量之比就是定值。

師：所以我們可以用它來表示電場的強弱,把它命名為電場強度,用字母E表示,大家要注意的是“電場強度”的概念雖然是我們從點電荷的角度出發得出的,但其思路也適用于其他電場。

4.2.2 教學分析

根據概念轉變理論,當現有的概念不能解釋當前出現的狀況時,就會出現接受新的科學概念的契機,教師通過引導學生分析出試探電荷所受的電場力不能刻畫電場強度,抓住學生概念轉變的契機進行引導，使學生順利達到水平二。

4.3 理解電場強度的定義方法及矢量性(水平三)

4.3.1 教學活動

師：定義電場強度的方法叫做比值定義法,請回憶在前面的學習中還有哪些物理概念是用比值定義法定義的呢？

生：電阻、密度。

師：因為電場強度是描述電場性質的物理量,可以類比密度是描述物體性質的一種物理量,雖然電場強度是用電場力和電荷量的比值進行定義的,但是電場強度只與電場本身的性質有關，與試探電荷所受電場力以及電荷量無關。

生：就像物質的密度與物體的質量以及體積無關、只與物體自身的性質有關。

師：不過電場強度與密度不同點在于,電場強度是一個矢量,某一點的電場強度的方向與在該點正電荷所受電場力的方向相同。

4.3.2 教學分析

實施物理科學方法教育是課程標準的基本要求,就本節課而言，學生對于電場從感性認識到理性認識是一個認知跨度較大的過程,需要教師重視物理科學方法的運用，以幫助學生形成關于電場強度學習的正確的思維路徑。

4.4 掌握點電荷和疊加場的電場強度計算方法(水平四)

4.4.1 教學活動

例1:如圖2所示,在正點電荷Q的電場中有一試探電荷q,已知q到Q的距離為r,點電荷Q對點電荷q的作用力是多大？Q在q所在位置產生的電場的電場強度是多大？方向如何？

圖2

例2:如果再有一正點電荷Q′=Q,放在如圖3所示的位置,q所在位置的電場的電場強度多大？

圖3

4.4.2 教學分析

利用例題引導學生學會點電荷電場強度的計算方法,疊加場的電場強度的計算是對電場強度矢量性的應用,是對在水平三階段已經獲得的知識進行應用和拓展,是最近發展區理論在具體教學中的應用。

5 結語

根據學習進階理論設計的“電場強度”教學方案在實際教學中收到一定成效,可根據學生的課堂表現，運用測試等形式，判斷學生是否達到相應的進階水平。

概念學習是物理學習的基礎,教師在概念教學中要注意站在學生的角度,根據學生的認知發展規律,設計適合學生認知發展的學習進階,引導學生建立良好的認知結構。