“靜電場及其應用”單元教學設計

摘" "要：單元作為課程實施的基本單位，以主題為中心，對相關教學內容進行重組和整合，促進教學內容的結構化，且單元教學能有效發展學生的物理學科核心素養。以“靜電場及其應用”為例，基于單元教學，通過主題任務驅動子任務的方式，促進學生物理學科核心素養的發展。

關鍵詞：單元教學；物理核心素養；任務驅動；靜電場

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）1-0033-4

從整體與部分的關系來看，大單元教學設計有利于學生通過學科學習逐步形成正確價值觀、必備品格和關鍵能力［１］。針對牛頓時代“力的超距傳播”難題，法拉第提出了“場”的概念。“場”內容新穎且抽象。因此，將人教版高中物理第九章《靜電場及其應用》視為課程實施的單元，從單元教學背景、單元學習目標、單元學習主題、單元學習活動及單元學習評價五個方面進行教學設計。

１" " 單元教學背景

教材分析：通過對比新舊人教版教材關于“靜電場”主題下教學內容的章節安排發現，新人教版把“靜電場”由原來的一章拆分為現在的兩章，先介紹靜電場自身的性質，再介紹靜電場中的能量，編排順應學生的認知發展規律。《靜電場及其應用》這一章包含了四節內容，是學生首次學習電磁學的知識，并將在力學中初步建立起來的力學知識進一步應用于對靜電現象的討論，同時又為下一章《靜電場中的能量》中的電功、電勢、電勢差及分析帶電粒子在電場中的運動奠定基礎，具有承上啟下的作用，對學生形成合理的知識結構有重要意義。

本單元的章節結構如圖１所示，以實驗為基礎，通過觀察體驗，探索本質，形成規律特征，進而綜合應用規律。教學內容分為兩個層次，即由第一節、第二節、第三節組成的基礎知識層次，以及第四節的應用層次。教材首先以摩擦起電入手，引入電荷量的概念以及電荷守恒定律，對應第一節“電荷”；接著探究電荷間相互作用的定量關系，對應第二節“庫侖定律”；接下來從力的視角提出電場的概念，完成第三節“電場 電場強度”的學習；第四節“靜電的防止與應用”側重介紹靜電知識在生產生活中的應用和防止。

課標分析：通過對課標分析，發現課標更加注重對學生物理觀念的建構以及科學思維的培養，從而發展學生的綜合應用能力。

學情分析：第一，初中階段學生對靜電知識、磁場知識已有了解，但僅停留在感性認識上；第二，學生初步具備了科學探究的意識及能力，了解科學探究的基本思路，但探究方法比較單一，探究思維深度較淺；第三，學生對用物理量之比定義新物理量的方法有一定經驗。總的來說，學生構建點電荷模型、電荷守恒定律、探究電荷間相互作用的定量規律、學習電場的概念等已具有良好的基礎。

２" " 單元學習目標

教學目標：在物理觀念目標上，通過實驗滲透物質觀、運動和相互作用觀；在科學思維目標上，要求構建模型，推理論證；在科學探究上，體會科學探究過程中假設、猜想、驗證的重要性；在科學態度與責任上，培養應用科學知識實事求是地解決實際問題的意識。

重點和難點：１.理解并應用庫侖定律；２.電場概念的建立；３.點電荷、勻強電場等理想化模型的建立；４.電場線概念的建構。為了突破重點和難點，以實驗為基礎，設置大情境，完成目標任務，具體在課時任務中體現。

３" " 單元學習主題

基于物理情境的教學設計較傳統課堂有更深層次的建構，目的是讓學生能夠在環環相扣的物理情境中積極地思考問題［２］。以“靜電擺球”趣味現象為大情境，圍繞運動觀和相互作用觀大概念，通過構造內容結構，展開大單元教學活動，推動單元主題任務的完成。要了解“靜電擺球”的原理，就需要從了解“靜電”的基礎知識開始。因此，首先就設置與“靜電擺球”現象中“靜電”相關的知識為主題任務。其次，再將主題任務設定為四個分任務。任務一，電荷及電荷守恒定律；任務二，探究電荷間相互作用的定量關系；任務三，如何描述靜電場？任務四，“靜電擺球”的原理。

４" " 單元學習活動

學習活動應從學生的認知基礎出發，借助一系列問題，幫助學生經歷概念的得出過程，真正理解概念建立的意義［３］。為了完成以上安排的四個任務，具體課程實施如下：

任務一：電荷及電荷守恒定律。將其分解為三個子任務。

子任務１：復習初中學過的靜電知識，引發學生的前概念。

子任務２：回顧與靜電相關的物理學史，初步認識電荷，構建電荷量的概念。

子任務３：感受生活中的靜電現象，探究起電的方式及本質，歸納出電荷守恒定律，掌握元電荷、比荷等概念，體會電荷的量子屬性。

任務二：探究電荷間相互作用的定量關系。包括四個子任務。

子任務１：創設情境，提出問題，定性探究電荷間的相互作用力。

核心問題：分析影響帶電體相互作用力大小的主要因素及次要因素。其中，帶電體的大小、形狀及電荷分布作為次要因素。

子任務２：回顧“庫侖定律”的形成史。其中，重點是庫侖類比萬有引力定律，堅信“平方反比”規律，設計精巧的實驗，對電荷間的作用力展開研究。

核心問題：認識扭秤裝置的結構，了解庫侖扭秤的工作原理（圖2）。并提問利用扭秤裝置如何測量微小力？如何測量兩個帶電小球間的距離及帶電小球的電荷量？庫侖利用扭秤裝置得到了什么結論？在實驗中用到了哪些思想方法？

子任務３：利用現代技術定量探究電荷間的相互作用力，進一步驗證庫侖定律（圖３）。

核心問題：庫侖通過實驗總結得到庫侖定律，在定律的內容中，他又修訂了哪些條件？這些條件是否需要同時具備？

子任務４：在具體的情境中判斷電荷間相互作用力的方向，比較靜電力與萬有引力。

任務三：如何描述靜電場？該任務既是對庫侖定律的深入理解，進一步明確了兩電荷之間作用的本質是通過電場來實現的；又為后續電路、磁場的學習作鋪墊，具有承前啟后的作用。將任務三分解為三個子任務，具體設計如下。

子任務１：電荷間的相互作用如何傳遞？

活動１：回顧上節實驗，觀察現象。

核心問題：兩個帶電體之間沒有相互接觸，為什么會有力的作用呢？具體分析如圖４所示。

活動２：破解“超距作用”的觀點，同時為靜電屏蔽留下伏筆。通過類比初中磁場的學習，學習法拉第的“場”的觀念，認識電場是電荷周圍客觀存在的一種特殊物質，電場對放入其中的電荷有力的作用。

核心問題：電荷周圍存在一種特殊的物質叫電場，但是電場看不見、摸不著，如何判斷電場的強弱呢？引導學生構建試探電荷模型時，檢驗電荷必須具備什么條件？因此，教師應利用科學思維引導學生，學會用看得見、摸得著的物理量去完成對抽象物理量的研究，培養學生的建模能力。

子任務２：如何定量描述電場的強弱？

核心問題：可以通過電場力來研究電場的強弱，卻不能用電場力的大小直接表示電場的強弱。那么，該如何定義某點的電場強弱呢？教師可引導學生類比速度，構建電場強度的比值法定義。讓學生經歷猜想、假設、理論驗證的過程，從而得到邏輯思維能力的培養。

活動３：定量探究電場力和電場強度的關系（控制變量法），探究記錄如表１所示。

核心問題：試探電荷放在電場中不同位置，所受靜電力的方向是否相同？正、負試探電荷在同一位置所受靜電力的方向怎樣？怎樣定義電場強度的方向呢？初中怎樣定義磁場的方向？

活動４：畫出場源電荷，并畫出球面上各點的電場強度。

核心問題：推導出點電荷場強的公式。以點電荷為球心、以ｒ為半徑的球面上，各點電場強度的大小和方向有怎樣的關系？從特殊到一般，明確場強疊加原理。在幾個點電荷共同形成的電場中，如何求某點的電場強度呢？

子任務３：如何形象地描述電場中各點的電場強度？

活動５：類比磁感線引入電場線，學生分組設計并進行實驗，利用塑料絲模擬點電荷、等量異種電荷、等量同種電荷所產生電場的電場線（圖５）。

活動６：觀察現象，引入勻強電場。

核心問題：什么是勻強電場？其電場線具有什么特點？哪些電場可視為勻強電場？如何利用塑料絲模擬帶等量異種電荷的平行金屬板的電場線。

任務四：“靜電擺球”的原理。將其分解為三個子任務。

子任務１：演示“靜電擺球”實驗，解釋主題任務，激發學生對靜電應用的興趣。搖動靜電起電機，讓導體板間帶等量異種電荷。錫紙包裹的小球與某平板相碰，帶上了與之同號的電荷，由于相斥小球彈回，飛向另一極板。接觸后又帶上與此板同號電荷，斥力作用下小球又被彈回，小球在導體板間來回運動。

子任務２：建立模型說明金屬導體放入電場后會發生什么。

核心問題：什么是靜電平衡狀態及靜電平衡狀態下導體的特點。

子任務３：認識尖端放電、靜電屏蔽和靜電吸附。

５" " "單元學習評價

為了更好地落實物理學科核心素養，實現教、學、評一體化，把單元學習評價分為兩部分：單元作業設計和單元學習評價。其中，單元作業設計分為研究性作業和實踐性作業。研究性作業設置為：觀看ＢＢＣ紀錄片《電的故事》，交流觀后感；查閱資料，總結冬季去除身上靜電的方法。研究性作業的布置重在培養學生理論聯系實際。實踐性作業設置為：用所學知識和身邊材料設計簡單的靜電除塵演示器。實踐性作業旨在進一步發展學生科學探究、科學思維、科學態度與責任，在潛移默化中形成物理觀念。最終以素養為本位，實現育人目的。

《布盧姆教育目標分類學》指出，對學生的評價分為形成性評價和終結性評價［４］。因此，將單元學習評價分為形成性評價和終結性評價。形成性評價如表２所示，學生通過本單元的學習，完成既定的活動目標，能夠從教材中提煉靜電現象的本質，并能應用規律解釋現象，最后通過構建“靜電場及其應用”單元知識結構圖展示學習情況。形成性評價分為三個階梯式評價層次：層次一為通過學習把本章內容寫出來并梳理邏輯順序；層次二是在層次一的基礎上，進一步把章節概念及規律寫出來；層次三不僅要梳理知識的邏輯順序，寫出章節概念及規律，還要把靜電現象中所滲透的力學思想提煉出來。每一層次均采取自我評價、小組評價和教師評價三種評價方法，最終完成課堂效果檢測。

終結性評價針對物理學科核心素養考查，如表３所示。

６" " 結" 論

圍繞核心概念——運動和相互作用觀、物質觀，設計學習過程，以主題任務驅動子任務引領學生完成教學目標。結合主題、情境、內容等帶領學生梳理知識的內在邏輯，讓學生在從認識靜電現象到利用靜電知識的過程中，發展學科思維，關注物理學科與技術、社會和經濟發展的聯系，最終實現教育的育人價值。

參考文獻：

［１］駱文洲．基于核心素養的高中物理大單元教學設計——以“靜電場”為例［Ｊ］．中學教學參考，２０２３（８）：４５－４７．

［２］祁紅菊．創設學習場，構建“學”的課堂——以新人教版“電場" 電場強度”第一課時教學為例［Ｊ］． 湖南中學物理，２０２２，３７（１２）：４６－４８，４５．

［３］廖軍玲，陳忠．“靜電場”單元教學設計［Ｊ］．中學物理，２０２１，３９（１）：１７－２１．

［４］洛林·Ｗ.安德森．布盧姆教育目標分類學［Ｍ］．蔣小平，張琴美，羅晶晶，等，譯．北京：外語教學與研究出版社，２００９．

（欄目編輯" " 鄧" "磊）

收稿日期：２０２３－０８－２４

作者簡介：劉丹（１９９２－），女，中學二級教師，主要從事高中物理教學工作。