基于核心素養的初中物理教學設計

陳德康 郝睿

摘 要：物理核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任. 物理是一門以實驗為基礎的學科，實驗作為培養學生物理核心素養的手段顯得尤為重要.在“兩種電荷”這一節中，常見的教學方式是以講授法為主，啟發性的實驗較少，多數是驗證性實驗.本文以實驗為主線進行師生雙邊活動，利用簡單器材培養學生科學思維，讓學生體驗科學理論演變的過程與建模方法，進而實現學科事實向學科觀念的轉化.

關鍵詞：物理核心素養;兩種電荷;實驗教學;教學設計

文章編號：1008-4134（2019）16-0043 ? ?中圖分類號：G633.7 ? ?文獻標識碼：B

基金項目：寧夏回族自治區高等教育教學改革項目（項目編號NXBJG2018020）.

作者簡介：陳德康（1996-），男，江蘇常州人，碩士研究生，研究方向：物理教學論.

通訊作者：郝睿（1975-），女，寧夏銀川人，碩士，教授，研究方向：物理教學論.

2014年4月，教育部印發《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》，提出研究制定“學生發展核心素養體系”，并指出核心素養的內涵.隨后修訂的物理課程標準明確提出物理核心素養這個概念[1].較之于此前的三維目標，知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀，更注重發揮物理學科的育人功能與實現人的全面發展.其主要內容包括：物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任[2-3].

物理學科核心素養是科學素養的重要組成部分，科學思維又是物理學科核心素養的重要組成部分.在實際教學中，很多時候物理實驗教學變成了教師的演示實驗，學生變成了“看客”，實驗作為培養學生核心素養的重要途徑變成了一種形式，沒能起到培養學生獲取信息、處理信息、得出結論、做出解釋的能力.本文以人教版“兩種電荷”為例，圍繞物理核心素養，以實驗為主線，實現教學過程.

1 教學目標

A1：能根據實驗現象描述帶電物體之間存在的力.

A2：知道世界上只存在兩種電荷，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引.

A3：通過親身經歷學科知識的誕生過程歸納出正負電荷相互作用的規律，在此基礎上鼓勵學生勇于質疑，設計表格，記錄數據，培養學生的實證精神，學習科學研究方法.

A4：知道電中性、絕緣體、導體、電荷守恒的概念.理解起電是電荷的分離過程，不是創生過程.通過圖像建立電荷守恒模型、得失電子模型、原子核微觀模型，培養學生建立模型的意識與能力，訓練學生的表象思維.

A5：在理解摩擦起電本質的基礎上，設計一種方案，判斷出教師提供的器材哪些容易得到電子，哪些容易失去電子.培養學生的科學探究能力和科學態度與價值觀.

本文基于核心素養，設立四個環節，充分讓學生參與課堂，建立“教師閉嘴型”課堂.教學流程圖如圖1所示.

2 教學過程

2.1 起步實驗

教師準備打孔機，打下一些碎圓紙片，讓學生將經毛皮摩擦過的塑料尺移近小紙屑，觀察分析當尺靠近紙屑，有什么現象發生？當尺移近紙屑時，你是否觀察到某些未曾預料到的結果？在觀察這些現象后，思考當尺移近紙屑之前，有哪些力作用在紙屑上？當尺移近紙屑時，你能否推斷出紙屑受到了哪些力的作用？根據對上述問題的思考，提出一種假設，以解釋尺對紙屑的作用.學生在實驗過程中發現，尺靠近時，許多小紙屑被尺子所吸引，有的同學會發現一些與其他人不一樣的現象，比如小紙屑集中在尺子被摩擦的部分，小紙屑被吸附一段時間后，會掉下來.根據這些實驗現象，教師引導學生作出假設，有一個較強的力作用在紙屑上，且這個力比向下的重力更大，那么摩擦過程中到底發生了什么呢？是不是摩擦過程中“產生”了一種特殊的力，使得尺子具有吸引輕小物體的性質？

【設計意圖】本節課是電學的開端，學生認知里只有生活的一些常識，沒有轉化為物理觀念.在摩擦尺子吸引小紙屑的實驗環節中，相比教師演示實驗，直接給出摩擦過的尺子帶了電荷，本環節通過一連串的問題，從學生熟悉的受力分析入手，引導學生邏輯推導，為之后的起電、電荷概念、電荷間的相互作用打下基礎.在觀察尺與小紙屑相互作用的過程中，培養學生發現問題、提出假設猜想的科學探究意識.

2.2 探究實驗

2.2.1 講授帶電物體的特性

（1）實驗分析與總結

“起步實驗”中提到的力和重力還是有區別的，實驗中同學們發現尺子的吸引力會消失，而重力不會消失，且只有毛皮摩擦過的塑料尺才有這樣的現象.

（2）科學探究歷程

教師給學生介紹前人在摩擦起電上的研究歷程，從古希臘泰勒斯發現摩擦過的琥珀可以吸引小物體到富蘭克林的風箏實驗，人類對該類現象的探索從未停止.

（3）得出結論

摩擦起電：人們將這種吸引輕小物體的特性稱為“帶電”，將物體經過摩擦而顯示出的電荷相互作用的過程稱為摩擦起電.

【設計意圖】經過學生的觀察分析，學生的認知從力學轉向電學，通過人類摩擦起電研究歷程的介紹，使學生獲得起電概念.

2.2.2 追隨前人腳步，探究電荷的本質

讓學生兩兩分組合作，教師為學生準備透明膠帶、剪刀等器材，利用簡單的器材來揭示電荷的相互作用.

實驗1：分別剪兩段適當長度的膠帶，將其分別粘在干燥、光滑的桌子上，留有幾厘米的長度折疊做把手.接著迅速將膠帶從桌子上拉起，將其背面靠近.學生會觀察到兩個膠帶居然相互排斥，如圖2所示.教師隨即展開追問：為什么這個實驗與起步實驗現象不同呢？二者之間為什么沒有相互吸引？經過學生討論思考之后，教師揭示原因，原來兩個膠帶都與桌面產生了摩擦，相互排斥說明都帶了電，由于帶電方式相同，那么我們根據實驗推理出一條帶電物體重要的特性——帶相同電荷的物體相互排斥.

實驗2：在證明了同種電荷之間的相互作用特性后，如果是不同的電荷會是什么樣的結論呢？教師指導學生進行探究實驗，先將一條膠帶粘在桌面上，再剪出另一條差不多長度的膠帶，粘在第一條膠帶的上面，使它們疊在一起，再拉住膠帶的把手，使其離開桌面.用手指摩擦膠帶，使得它們不再被手吸引，表明膠帶的電荷已經被移走.此時，再將這兩個膠帶快速分開，又會發現什么現象呢？學生發現分開后膠帶同時被手吸引，但是彼此靠近不再排斥，而是相互吸引，如圖3所示.表明扯開后膠帶又帶電了，根據第一個小實驗，學生推理得出，兩個膠帶帶的不是同種電荷，是異種電荷.

小結：兩種電荷：人類在之后的研究中發現，自然界只存在兩種類型的電荷——正電荷和負電荷.構建正負電荷模型，正電荷：富蘭克林將與絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷命名為正電荷;負電荷：與毛皮摩擦過的硬橡膠所帶的電荷命名為負電荷.正負電荷具有同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引的特性.

實驗3：教師隨后展開追問：自然界是否存在第三種類型的電荷？如果沒有，如何證明？教師提供塑料紙，布料，塑料袋等器材，學生利用上一個實驗的兩個膠帶，通過摩擦使得不同的器材帶電，發現絕大多數的帶電物體會吸引一條膠帶而排斥另外一條膠帶，也就是所帶電荷要么與膠帶1相同，要么與膠帶2相同.因此，不存在第三種類型的電荷.

【設計意圖】在獲得起電概念后，由學生完成三個小實驗.實驗1中通過兩個膠帶的起電方式相同推斷出它們帶的電荷相同，再根據實驗現象，推理出同種電荷相互排斥.在此基礎上，實驗2觀察到兩個膠帶相互吸引，表明兩個膠帶不是帶的同種電荷，因此推理出異種電荷相互吸引.在實驗3中，學生一般不會想到教師所提的問題，因為他們覺得自然界只有正負電荷是很正常的事情，是理所應當的.通過這個環節使學生養成善于質疑，不斷探索的科學態度與責任，在問題解決的過程中培養了學生的實證意識[4].

三個小實驗使學生獲得了摩擦起電物理概念，建構了正負電荷模型.在實驗過程中引導學生進行科學推理，得出正負電荷的特性.科學論證了自然界只存在兩種電荷，培養了學生質疑創新的科學精神[5].

2.3 建構模型，探尋摩擦起電的本質

概念建構：1897年湯姆孫發現了電子，這種粒子質量很小，且帶負電荷.在隨后的時間，他的學生盧瑟福發現了帶正電的原子核，提出了原子的核式結構.如果原子核所帶的正電荷與核外電子所帶的負電荷數量上相等，那么就說該原子呈電中性，整體不顯電性，教師以氫原子和氦原子為例在黑板上畫出微觀結構圖.

提出問題：那為什么兩個物體摩擦過后，就會顯電性呢？為什么有的物體帶正電，有的帶負電呢？你能用簡單的示意圖表示出來嗎？

學生活動：以毛皮摩擦硬橡膠棒為例，從微觀角度，畫出電子轉移的過程，如圖4所示.做出猜想：在摩擦過程中毛皮原子中的電子轉移到了硬橡膠棒上，且得到的電子與失去的電子是等量的.

分析推理：帶電是因為原子核所帶的正電荷與核外電子的數量不相等了，物體得到電子，電子的數量多了，就會顯示負電.失去電子，物體就會帶正電.摩擦過程中，不同的原子核束縛電子的能力不同，束縛能力強的物體會得到電子，帶負電.反之，束縛力弱的就會失去電子，帶正電.因此我們可以得出電荷守恒定律的概念：對于一個孤立系統，不論發生什么變化，電荷的代數和總是保持不變的.

展開追問：同學們現在知道為什么實驗1中膠帶帶同種電荷，而實驗2中，膠帶相互扯開就帶異種電荷了嗎？

【設計意圖】通過教師的講解，利用圖形與符號來培養學生的表象思維，構建原子核微觀模型、得失電子模型、電荷守恒模型.讓學生理解電荷不是被創生、消滅，而是發生了轉移使得正負電荷分離.在學生獲得知識的同時，運用它們解釋剛剛自己所做實驗的原理，從而做到理解學科事實，將其轉化為學科觀念[6].

2.4 概念區分

教師引導：在課堂剛開始的那個實驗中，有些同學發現小紙屑大多數聚集在橡膠棒被摩擦過的部分，根據之前學習的知識，摩擦過的橡膠棒帶了電，那為什么遠離被摩擦的地方吸引效果不明顯呢？學生經過思考，可能會有這樣的猜想：是不是多余的負電荷積聚在被摩擦過的地方？

概念建構：有些物體不容易導電，因為它們不容易傳導電荷，電荷在體內很難發生移動，這些物體稱為絕緣體.例如：橡膠、玻璃、大多數塑料、干燥的木頭等.

展開追問：同學們都知道相對于絕緣體的物質是導體，根據剛才的分析，大家可以推理得知電荷在導體內很難累積，容易自由移動，那么如何證明呢？

對于導體的帶電方式，學生可能比較陌生，教師可以適當的提示，比如，我們還可以直接手拿著金屬棒嗎？為什么呢？我們一般使用起電機使得金屬棒帶電，教師提供絕緣膠、絕緣柄、手搖起電機、小紙屑等器材.

對比實驗：

（1）學生用毛皮摩擦橡膠棒的一端，用另一端接近小紙屑，觀察實驗現象.

（2）直接手拿著金屬棒會導致金屬棒的電荷經過人手跑掉，利用起電機使得金屬棒一端帶電（如圖5a所示），看看另一端能不能吸引小紙屑.

小結：對比兩組實驗現象，學生們發現，橡膠棒摩擦過的一端吸引小紙屑現象明顯，遠離摩擦端的部分不吸引小紙屑.而金屬棒另一端可以吸引小紙屑，但是吸引力沒橡膠棒那么大（如圖5b所示）.因此，我們把容易導電、體內電荷容易發生移動的物體稱為導體，不容易導電、體內電荷不容易發生移動的物體稱為絕緣體.

【設計意圖】在對比絕緣體與導體吸引小紙屑的實驗中，學生根據老師的提示，從實驗現象中得出結論，從本質上理解導體與絕緣體的區別，也避免了學生將導電與帶電混淆，誤認為絕緣體不能帶電.

2.5 拓展應用

（1）動手體驗：

在實驗2中，同學們能分辨出來哪個膠帶是帶正電的嗎？學生自己思考后發現可以運用電荷之間的相互作用的知識來解決這個問題.將絲綢摩擦過的玻璃棒分別靠近兩個膠帶，如果有膠帶與玻璃棒相互排斥，說明該膠帶帶正電.

教師提供細線、支架、銅管、塑料棒、玻璃棒、鉛筆、塑料袋、PVC管、鋁箔等器材，讓學生獨立設計方案，檢測哪些物體容易失去電子，哪些物體容易得到電子，嘗試不同物體的組合，設計表格，觀察實驗現象，記錄數據.學生之間合作做實驗，將結果進行組間交流，

（2）解決問題：

在實際生活中，大型卡車后端常常拖有一根鑲嵌金屬絲的橡皮條或鐵鏈，這有什么用呢？當發生閃電的時候，什么物質充當了導體？課后查閱資料，解決上述問題.

【設計意圖】在設計方案與表格、記錄數據的過程中掌握科學研究方法，培養學生的科學探究與科學思維.通過真實的問題情境內化學生所學的物理事實，并運用其解決實際問題，培養學生的科學態度與責任.

3 總結

最新的物理課程標準強調發展學生的學科思維，注重學生的學科實踐，培養學生的推理能力.在“兩種電荷”的教學設計中，以探究實驗為主線，合理設計教學環節，滲透物理核心素養的培養，有利于學生學習學科事實的同時，形成科學思維，具備科學探究的方法，養成科學態度與責任[7].通過手搖起電機、膠帶、絕緣膠等器材，可以讓學生充分經歷猜想、實驗推理、歸納總結的過程，打造以學生為主體，教師為主導的課堂.

參考文獻：

[1]申繼亮.把握育人方向 創新育人模式——解讀教育部《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》[J].基礎教育課程，2015（03）：10-12.

[2]中華人民教育部.普通高中物理課程標準（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]羅瑩.物理核心素養研究：物理知識與物理觀念[J].物理教師，2018，39（06）：2-6.

[4]黃皓燕.追溯電荷的本源探究科學的本質[J].物理教師，2017，38（11）：2-5.

[5]沈偉云.基于科學思維培養的初中物理教學策略[J].物理教師，2018，39（10）：47-48.

[6]張華.論學科核心素養——兼論信息時代的學科教育[J].華東師范大學學報（教育科學版），2019，37（01）：55-65+166-167.

[7]李紅玲.核心素養視角下初中物理教學策略淺析[J].新課程（下），2019（04）：52.

（收稿日期：2019-04-13）