基于ISLE的物理課程單元設計賞析

溫利平

摘 要：在ISLE中，學生的概念理解能力、問題解決能力以及科學能力的應用得到鼓勵和重視。ISLE通過實驗設計、建立模型、使用多重表述、配套評估等方法幫助學生獲得科學家的科研能力。

關鍵詞：電場;定性概念;單元設計;測試推理

ISLE（Investigative Science Learning Environment）是一種互動教學方法，當學生建構和應用知識時，它幫助學生通過參與類似于物理學家的活動過程來學習物理。這些過程包括觀察、發現模式，建構和測試模式的解釋，用多種表述來推論物理現象。ISLE是一個綜合性的學習體制。總之，相比于其他的課程體系，ISLE更能適應21世紀的科學教育教學。

下面以電場為例，[1]展示ISLE的課程設計魅力。

一、定性概念的建立與測試

（一）表述和理由

假設有兩個質點的質量分別為m1和m2，分別帶電q1，q2，根據所給條件完成下列表格，并分析物體的萬有引力和靜電力。

（二）思考

討論引力作用和靜電力作用的相似點和不同點。思考一下在沒有直接接觸的物體之間，引力和靜電力產生的機制。

（三）觀察和解釋

組裝一個不帶電的驗電器;一個泡沫管，毛皮，一個小的干凈的玻璃燒杯（或者塑料杯）;一個小金屬杯。通過以上器材完成下表中的實驗并用電場的概念解釋實驗結果。

（四）設計一個實驗

用一些你有的儀器設計一個實驗。該實驗能讓你觀察到兩個物體間的靜電作用力產生和消失，設計實驗并記錄結果。

二、概念推理

（一）描繪和原因

（1）對下列表格中的每張圖片，在給定的黑點上作出施力物體施加給受力物體的引力和場源電荷施加給試驗電荷的電場力。填寫下列表格。

文字描述

在給出的點上，用矢量箭頭描繪出地球（原質量）作用在小物體（測試質量）上的引力。畫箭頭時用正確的相對長度。

在給出的點上，用矢量箭頭畫出一個大的負電荷（場源電荷）施加給小的正電荷（測試電荷）上的電場力。

在給出的點上，用矢量箭頭畫出一個大的正電荷（場源電荷）施加給小的負電荷（測試電荷）上的電場力。

圖片描述

（2）用場去解釋源物體怎樣在不直接接觸測試物體的前提下把力施加給測試物體的。討論這些力的大小是如何依賴引力場的大小的，如何依賴引力場中測試物體質量大小的，如何依賴電場大小的，如何依賴電場中測試電荷大小的？

（3）討論源物體或者源電荷的存在是怎樣改變空間的。你認為這種改變能延伸多遠？

（4）討論是否由地球和測試物體組成的系統主宰著引力勢能。討論是否由場源電荷和測試電荷組成的系統主宰著電勢能。引力勢能是由源物質決定還是測試物質決定？電勢能是由場源電荷決定還是測試電荷決定？

（二）描繪和原因

判斷下圖中A、B、C三個位置電場的大小和方向。

（三）描繪和原因

畫出下列表格中所描述的帶電體的電場線，標清楚電場線的切線。

a.一個正點電荷

b.一個兩倍于a電量的正點電荷

c.一個負點電荷

d.一個兩倍于c電量的負點電荷

〗

e.兩個相距s的等量正點電荷

f.兩個相聚s的等量負點電荷

g.一個小的正帶電體和一個小的負帶電體，二者相距s

h.一個小的正帶電體和一個小的負帶電體，電量均為g中的兩倍，且二者相距s

（四）描繪和推論

假設一個很小的帶正電的物體在紙面上沿著圖示方向進入下圖電場線所描述的電場。

（1）畫出物體在該電場中的運動軌跡，標注出該粒子進入電場時初速度的方向。

（2）討論電場線是否帶電粒子進入電場的軌跡。

（五）描繪和推論

下圖是放在勻強電場中的中空金屬盒的某一時刻（金屬盒對外部電場的影響沒有顯示出來）。

（1）表明由于外電場的存在而產生在金屬盒上的電荷的分布。

注意：如果電子從金屬盒的一部分移動到另一部分，那么金屬盒上缺少電子的那部分自然帶正電，有過量電子的部分自然帶負電。

（2）畫出分布在金屬表面的感應電荷的電場線，并討論盒子內部合電場的大小。

（3）討論如何用你在a和b中得出的結論來解釋雷雨天你坐在轎車里是安全的。

（4）畫出盒子外部新的電場線分布圖。盒子內部電子的重新分布如何影響外部電場？

（六）推論

完成下列表格：

正場源電荷激發的電場中由A、B、C三點，比較它們的電勢，電勢最處是哪一點？找出至少一處與A點電勢相等的地方。

負場源電荷激發的電場中由D、E、F三點，比較它們的電勢，電勢最大處是哪一點？（注意：一個大的負數比一個小的負數要小）找出至少一處與E點電勢相等的地方。

（七）描繪和理由

在下列表格中，畫出地球的等勢線，地球是引力勢的源物質。想一想你怎樣才能寫出地球引力勢的表達式，地球的引力勢與電勢類似。

遠離地球表面，此時地球可以被當成一個球體

在地球表面附近，此時地球可以被當成水平面

（八）表述和原因

參考上列7中的a.d場源電荷和所畫的電場線，畫出等勢面，在電場線的方向和電勢變化之間找到一個模式（判斷電場線的方向是沿著電勢降低的方向還是電勢升高的方向）。

（九）解釋

有時候物理學家把電場中的等勢線和地形學上的等高線進行類比。

（1）解釋怎樣進行類比，并解釋類比的有用之處。

（2）描述等高線與山體的陡峭程度如何緊密聯系。

（3）用這種類比法畫出下列電場的電場線并解釋，電場的等勢面如下圖已經給出。

（十）推論

（1）畫出無限大金屬板的等勢面和電場線，已知該金屬板帶負電。完成下列表格的各項任務以尋求幫助。

畫出帶電板的草圖，如下圖所示

畫出等勢線，標清電勢最高點

畫出電場線

（2）解釋為什么電場線與帶電金屬板表面和等勢面垂直。

（3）兩條電場線之間是不是同等間隔，兩個等勢面之間是不是也是同等間隔？解釋。

（4）檢查電場線的位置和等勢面的位置。討論你得到的模式并解釋。

參考文獻：

[1]姚建民.以“學科+”的形式進行指向核心素養的物理學科課程設計——在單元設計視域下.物理教師，2018（6）：36-39.

[2]褚珈寧.陶行知教育思想在教育中的應用——對物理科目教學的啟發.科學咨詢（科技·管理），2020，（11）：176.