從“天上的閃電”到“地上的靜電”

【關鍵詞】高中物理核心素養;教學設計;電荷

【中圖分類號】G633.7? 【文獻標志碼】A? 【文章編號】1005-6009（2021）54-0149-04

【作者簡介】虞俊，江蘇省常州高級中學（江蘇常州，213003）教師，高級教師，常州市學科帶頭人，江蘇省物理奧林匹克競賽高級教練。

隨著新課程改革的推進，培養學生的核心素養成為課程目標。教師要研究新教材，體悟新教材編寫的意圖，同時又要超越新教材，拓展學習資源，根據新課程的理念，設計合適的教學活動，促進學生學科素養的提升。下面筆者以新人教版物理教材必修三第九章第一節“電荷”為例，談一談新課程的教學設計。

新課程特別強調真實情境下物理觀念的形成，本節教材的引入部分相比舊教材增添了真實的“雷電”的照片。新課程也特別強調科學思維，相比舊教材，本節教材增加了“金屬的微觀結構模型”的圖片，這兩點是新教材最直觀的變化。學生在初中階段已經知道了自然界中有兩類電荷，但是電荷看不見也摸不著，對于學生來說是很抽象的概念。本節課的第一個重要任務，就是要幫助學生形成電荷的概念，理解電荷的本質。第二個重要任務是探究電荷的產生、轉移和守恒的規律，這需要學生有對物質微觀結構的科學認識，并基于此尋找電荷運動的規律。為了培養學生的核心素養，本節課教學設計的基本思路是：通過觀察靜電現象增加學生的體驗;通過回顧人類研究電現象的歷史，再現并研究經典的靜電實驗，探究電荷產生和運動的規律（特別是感應起電的規律）。通過理論分析和實驗探究，幫助學生理解電荷的本質、掌握起電的方法、并建立起電荷守恒的觀念。

一、豐富體驗：觀察神奇的閃電現象

活動1：在閃電霹靂中感受“天上的電”。

毫無懸念，人類對于電的觀察始于閃電。因此在教學的引入階段，教師帶領學生回歸原始人類對于“天上的電”——閃電的觀察。通過播放視頻觀看各種各樣的閃電，有摩天大樓頂端的閃電，有山谷、大海上的閃電，這些閃電形狀各異，有樹形的，有球形的，有的強光刺眼攝人心魄，有的威力巨大擊壞建筑……

【設計意圖】創造真實的情境，讓學生在閃電霹靂中感受“電”，激發學生對閃電形成原因的探究欲。在視頻播放的過程中，學生看到了平日里看不到的各種閃電。在課堂觀察中教師可以看到，學生被深深吸引，很熱切地進入了沉浸式的學習狀態。

二、體悟觀念：感受電荷觀念的形成

活動2：討論中西方原始文明中，古人對閃電的理解。

在原始文明中，古人對閃電的認識有哪些呢？在師生交流中不難發現：在中國古代神話中“雷公”和“電母”是司掌雷電的神仙;而在古希臘神話中，閃電是最高神宙斯的化身和武器。這引起了大家的深度思考，為什么中西方文明，不約而同地將閃電和天神聯系在一起呢？

【設計意圖】通過比較分析，激發學生的好奇心：古人的觀念居然出奇的一致。古人關于閃電的神秘而樸素觀念，反映了當時人們科學知識的不足。學生在討論中能夠體會到古人對于未知事物，特別是天上的閃電的敬畏;體會到古代樸素觀念和現代科學觀念之間的不同;認識到要形成科學觀念，需要有科學思維和長期的實踐探索。

活動3：討論“天上的電”和“地上的電”是否是一回事。

天上的閃電和地面上摩擦產生的電火花放電十分相似，那么它們是否是一回事呢？能有什么方法來進行比較呢？這是過去的研究者曾經思考的問題，請同學們也來思考這個問題。很多學生聯想到了著名的富蘭克林“風箏實驗”。大部分學生都了解該實驗的做法，他們既能意識到該實驗思想的巧妙性，又能感受到實驗的風險，認識到該實驗的偉大意義。

【設計意圖】“天上的電”和“地上的電”在外在現象上看有很大相似性，從聯系的觀點出發，思考這二者的本質是否相同，體現了思維深入的過程。從現象比較到本質討論，學生的思維得到發展，科學態度得到發展。

三、探尋規律：尋找電荷產生和運動的規律

活動4：在摩擦中探究“地上的電”。

人類對“電”的研究始于摩擦產生的“靜電”。首先教師介紹物理學歷史上的摩擦起電現象，古希臘的泰勒斯發現了琥珀帶電現象——摩擦過的琥珀能吸引羽毛，中國古代有玳瑁殼吸引輕小物體的記載，德國的蓋里克發明了最早的摩擦起電機，等等。

接著教師演示摩擦起電現象：摩擦氣球后，氣球吸到墻壁上。說明了帶電體可以吸引輕小物體，帶電輕小物體也可以被不帶電物體吸引。在此基礎上讓學生進行分組實驗，研究摩擦過的各種材料的物品，是否能夠在摩擦中產生靜電，并討論其產生電荷的原因。實驗材料：氣球、塑料尺、泡沫板、鋼尺、其他（學生自己的各種物品）。學生十分積極地用各種物品進行摩擦，用驗電器進行檢驗是否帶電;活動中既有物理學歷史實踐的介紹，也有現實世界的學生親身操作體驗。物質帶電過程無法直接觀察，學生通過現象的總結歸納、利用原子模型，建立起摩擦起電的原理。

【設計意圖】通過摩擦起電實驗，讓學生歸納、總結、分析得出絕緣體和導體的不同，建立起“不是所有的物體都能夠摩擦起電”的觀念。同時由這個現象出發，深入探究摩擦起電的原理，引導學生從原子結構的微觀模型上去思考問題，形成科學思維，意識到物質得失電子是帶電的根本原因，同時也為電荷守恒的研究埋下伏筆。研究摩擦起電的活動，從歷史回顧到實驗探究再到理論分析，整個過程由淺入深，逐步形成學生對于電荷運動規律的科學認識。

四、遷移應用：感應起電規律的研究

活動5：探究沒有被外界接觸和摩擦的導體能否帶電。

教師介紹歷史上有趣的靜電表演，帶領學生在課堂上模擬表演。（見圖1）

教師引導學生進行觀察討論，B與C未接觸，但是從驗電羽張開，可以發現C同學也帶電了，而且在C同學逐漸靠近B同學的過程中這一現象越來越明顯。學生在做實驗的過程中，由于A、B高壓帶電頭發全部張開，B、C手里的驗電羽也全部張開，所有學生的狀態處于緊張和全神貫注的狀態，達到了預期的效果，實現了高投入的學習。

【設計意圖】在緊張歡樂的活動中體驗感應起電，探尋感應起電的規律。不接觸也能帶電，這個現象超出了學生的認知范圍。通過制造戲劇性的實驗情境，讓學生獲得強烈的體驗，全身心地投入到觀察研究活動中去，找尋起電的規律。引導學生從電子分布的改變來說明感應起電的原因。

五、提升思維：深化對電荷守恒的規律的理解

活動6：由正負電子對發生湮滅討論電荷守恒定律。

討論：電荷既不會創生，也不會消滅，它只會從一個物體轉移到另一個物體，或者從物體的一部分轉移到另一部分。在轉移過程中，電荷的總量不變，這個規律叫作電荷守恒定律。正負電子對湮滅成一對光子，那還能說電荷守恒嗎？

【設計意圖】通過電子湮滅問題的討論，實現學生對自然界中最重要的觀點“守恒”的深度理解。對于“守恒”的觀念，不能機械地認為是電荷不變，對于一個和外界沒有電荷交換的系統，電荷的代數和保持不變是電荷守恒定律更普遍的表述。這里既有觀念的改變，更有思維水平的提升。

六、創造發展：在實驗室里制造閃電

活動7：嘗試在實驗室里制作一個閃電發生器。

“天上的電”和“地上的電”既然是統一的，并且通過本節課的學習，學生已經掌握了接觸起電、摩擦起電和感應起電的方法，請學生在課后嘗試制作一個閃電發生器。

【設計意圖】核心素養達成的一個指標是對于知識的遷移和應用。設計這個課后活動，是促成學生從理論走向實踐，從實踐走向更加深刻的理解。通過制作過程實現知識學習的拓展，實現自主學習和實踐能力的提升。學生的參與熱情很高，課后的設計制作，極大地調動了學生的主觀能動性。

本節課的教學是在新課程理念指導下，以培養學生的核心素養為目標而進行的。教學中通過豐富的靜電實驗促成了學生的積極參與和體驗，實現了問題探究的深入。其中物理學歷史文化的挖掘，特別是還原物理學史精彩的實驗情境，使學生學得扎實和投入，實現了學生對于核心概念與規律，如“電”“電荷”“電荷守恒”的理解的深化。

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