基于北京高考靜電場試題談回歸正常的物理教學(xué)*

陳紹輝

(北京市第一五九中學(xué) 北京 100033)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》指出課程的目標是促進學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，最終完成“立德樹人”根本任務(wù).教材、教學(xué)、評價是達成目標的3個基本方面.物理教材經(jīng)過長時間的使用和反復(fù)修訂，語言精練準確，內(nèi)容豐富成熟，且與時俱進，為教學(xué)保證了正確的道路，為評價提供了很好的素材.總結(jié)、把握高考評價的特點，反思、改進中學(xué)物理教學(xué)，以更好地促進學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，值得深入思考、持續(xù)探索.

1 對靜電場相關(guān)試題的分析

核心素養(yǎng)在《高中物理課程標準(2017版)》被明確提出，是對三維教學(xué)目標的繼承與發(fā)展.物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等4個方面.每個方面由3到4個要素構(gòu)成，共14個要素，有物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念、模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新、問題、證據(jù)、解釋、交流、科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、社會責(zé)任.課程標準明確了核心素養(yǎng)各個方面的水平層級及具體標準.核心素養(yǎng)的水平標準是劃分學(xué)業(yè)質(zhì)量的主要維度；課程標準將高中物理學(xué)業(yè)質(zhì)量劃分為5個等級，每個等級的標準與核心素養(yǎng)的層級水平相一致.

北京高考將物理學(xué)科的能力要求劃分為理解能力、推理能力、實驗?zāi)芰?、?yīng)用能力和探究能力等5種能力，有15個具體要求.北京高考物理要求的學(xué)科能力和核心素養(yǎng)互有交叉、內(nèi)含其間.

由上，核心素養(yǎng)的要求已經(jīng)體現(xiàn)在北京物理高考中.

將2004—2018年北京高考靜電場試題對核心素養(yǎng)的考查進行梳理，包括試題主要對應(yīng)核心素養(yǎng)哪個方面、哪種要素、屬于哪個水平，如表1所示.梳理有一定的主觀性，因為一道試題往往會考查核心素養(yǎng)的多個方面、多種要素.為使結(jié)構(gòu)層次更清晰，將部分試題歸類.另外，實驗探究類試題暫未入選，但需明確，做好實驗是正常物理教學(xué)的基本要求之一.

表1 2004—2018年北京高考部分靜電場試題對核心素養(yǎng)的考查

續(xù)表

續(xù)表

由表1的梳理，我們對北京物理高考試題特點、評價立意有如下認識.

(1)試題涉及核心素養(yǎng)的各個方面、各個水平，為不同發(fā)展水平的學(xué)生都能在考試中有所發(fā)揮提供了空間.體現(xiàn)以考生為中心、發(fā)揮學(xué)生所長的考試追求.

(2)試題回歸教材.多數(shù)試題所述情境都能從北京地區(qū)所用的教材中找到原型或相關(guān)內(nèi)容.體現(xiàn)了“走大道、求大氣”的命題風(fēng)格.

(3)試題著力考查核心概念.本塊所涉及的核心概念包括電場、電場強度、電勢能、電勢等.多數(shù)試題都涉及到了這些概念，沒有偏難繁怪，而是情境熟悉、問題簡單，但往往非常深刻.體現(xiàn)了基礎(chǔ)、簡潔的命題理念.

(4)試題回歸學(xué)科本質(zhì)，以學(xué)科思想方法將各模塊內(nèi)在緊密相連.靜電場所涉及思想方法有場的概念、能量觀、守恒思想、宏觀微觀相聯(lián)系的思想、比值定義法、類比法等.體現(xiàn)出寬廣融通的命題思路.

2 對正常教學(xué)的回歸與靜電場核心概念教學(xué)設(shè)計案例

北京物理高考評價注重回歸教材，以能力立意，在簡單問題、熟悉情境中，考查了對學(xué)科思想方法的深入理解，考到了各模塊的縱向融通，考出了學(xué)科的核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力；對中學(xué)物理教學(xué)回到正常狀態(tài)起到了很好的引導(dǎo)作用.反觀中學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀，老師講學(xué)生記不用教材、介紹概念不建構(gòu)概念、講知識不講思想方法等不正常的現(xiàn)象還比較普遍；在高考復(fù)習(xí)時，過度練習(xí)，局限在各模塊內(nèi)橫向聯(lián)系，不重視學(xué)科縱向融會貫通，更是廣泛存在.

以靜電場為例.在平時教學(xué)中，以下非正常的現(xiàn)象是“常態(tài)”.傳授給學(xué)生庫侖定律的表達式，記憶之后，講練含有庫侖力的各類力學(xué)難題，如兩個電荷相互環(huán)繞做圓周運動、3個電荷的平衡等.給出電場強度、電勢能、電勢等的計算式，展示電場線、等勢面分布圖，記住之后講練大量題目，且美其名曰“提高解決力電綜合問題的能力”.對于靜電平衡、電容，也多是傳授結(jié)論、公式，記住之后，通過做題來強化相關(guān)知識.在復(fù)習(xí)階段，覺得學(xué)生把知識忘了，先回顧、捋一遍知識點，之后進行大量“刷題”.總之，概念是“講”的，且還要盡可能壓縮“講”的時間，擠出時間來練習(xí)做題.念念不忘、殫精竭慮地通過做題來落實知識點，對知識得出的過程、其間蘊含的方法、各模塊之間的聯(lián)系，思之甚少，即便偶有說到，也是無心之舉而非有意為之.

由評價來反思教學(xué)，使教學(xué)回歸到正常狀態(tài)，應(yīng)努力做到以下幾點：(1)新授課注重核心概念的建立過程，著力加深對概念的理解；(2)復(fù)習(xí)課以學(xué)科思想方法為抓手，前后融會貫通，構(gòu)建知識體系；(3)始終堅持多用教材，回歸教材，而非盲目多做題.

下面就靜電場核心概念的教學(xué)舉例說明.

案例1：電場、電場強度的教學(xué)設(shè)計

環(huán)節(jié)一：復(fù)習(xí)提問，引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材(指人教版教材).初步了解“電場”“靜電場”的存在.

環(huán)節(jié)二：形象化方法表示電場.與“風(fēng)”類比，“風(fēng)”看不見摸不著，可以畫幾條線來表示“風(fēng)”，如圖1所示(用PPT投影).可以用“看得見”的陰影來表示電場，如圖2所示(用粉筆在黑板上涂畫).

圖1 用幾條線來表示風(fēng)

圖2 用陰影來表示電場

環(huán)節(jié)三：初步認識電場性質(zhì).通過圖2認識到電場對電荷有力的作用，認識電場有強弱和方向.

環(huán)節(jié)五：推導(dǎo)點電荷電場場強的表達式.按庫侖定律和電場強度定義式推導(dǎo)點電荷場強表達式.并與定義式做對比，認識兩者的聯(lián)系和區(qū)別.

環(huán)節(jié)六：場強的疊加.通過具體例子掌握場強的矢量疊加.

環(huán)節(jié)七：電場線.通過理論分析、實驗演示、閱讀教材對各種典型電場的電場線分布有初步的理解，不可簡單告知.對電場線不會相交相切等特點應(yīng)用“反證法”予以分析證明.

案例2：電勢能、電勢的教學(xué)設(shè)計

環(huán)節(jié)一：復(fù)習(xí)回顧重力場中功、能特點.

環(huán)節(jié)二：創(chuàng)設(shè)情境，提出問題.如圖3所示，引出“電場的能”.是不是勢能呢？關(guān)鍵就看電場力做功是否與路徑無關(guān).

圖3 “電場的能”的引入情境

環(huán)節(jié)三：電場力做功的特點.利用圖4推導(dǎo)“電場力做功與路徑無關(guān)”.相較教材，圖4多了乙圖、丙圖，搭接“思維臺階”.

圖4 推導(dǎo)電場力做功的特點

環(huán)節(jié)四：電勢能的引入.類比“重力做功與路徑無關(guān)，可引入一個與位置有關(guān)的重力勢能”，在圖3情境中“電場的能”正是電勢能Ep電.仍在圖3情境中，討論“電場力做正功，電勢能減少；電場力做負功，電勢能增大”.分析得出，試探電荷無論正負，這一結(jié)論都成立.由能量守恒有“ΔEp電=-ΔEk”，由動能定理“W合=W電=ΔEk”，得到“W電=-ΔEp電”.進一步得到“W電=Ep電初-Ep電末”，與“WG=Ep初-Ep末”類似，不難得出“電荷在某點的電勢能，等于把它從該點移到零勢能點電場力所做的功”.

環(huán)節(jié)五：做一道題.如下.

【題目】A和B為電場中某條電場線上的點，如圖5所示，將q=1 C的正電荷從A點移到B點電場力做功5 J，則:

(1)電場方向由A到B，還是由B到A？(A到B)

(2)電荷在哪點的電勢能大？大多少？(A點大，5 J)

(3)規(guī)定B點為零電勢能點，在A點電勢能多大？(5 J)

圖5 題圖

環(huán)節(jié)六：電勢的比值定義.利用上述例題，提出問題，詳細討論A，C點“電勢能與電荷比值”的變與不變.并與圖6重力場類比.最后得出電勢定義，是電勢能與電荷的比值.

圖6 重力場

環(huán)節(jié)七：等勢面.注意與等高線類比，用反證法證明等勢面一定與電場線垂直.掌握幾種常見電場的等勢面分布，教材中沒有的要補充.

3 基于學(xué)科思想方法貫通的復(fù)習(xí)課教學(xué)建議

(1)場的概念.高中物理涉及重力場、引力場、磁場、恒定電場、渦旋電場等.可從場怎樣產(chǎn)生、強弱如何描述、是否有“勢”、可否組合為復(fù)合場、物體在場中能做何運動、涉及哪些能量等角度進行認識.并對各種場做比較、找異同.

(2)能量觀.回顧重力勢能、彈性勢能、引力勢能、電勢能、分子勢能等，弄清對應(yīng)何種力做功.領(lǐng)悟勢能是與位置有關(guān)的能量，當(dāng)力做功與路徑無關(guān)時才能引入.將各勢能做比較、找異同.從能量的視角審視靜電場一些典型情境.比如，兩個電荷之間是否有電勢能、隨距離如何變化？靜電感應(yīng)是否會“創(chuàng)造”能量？電容器充放電和極板發(fā)生相對運動時能量如何轉(zhuǎn)化、怎樣計算？

(3)守恒的思想.電荷、能量、動量的守恒自不必說.北京物理高考涉及點電荷周圍電場線條數(shù)在各個球面上相等，這是守恒思想的深化.可進一步引導(dǎo)學(xué)生認識在同一電路“電流相等”、同一管道“水量不變”等，拓展對守恒思想的認識.

(4)宏觀微觀相互聯(lián)系的思想.通過閱讀教材，掌握金屬的微觀結(jié)構(gòu).靜電感應(yīng)是宏觀現(xiàn)象，微觀本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移，具體過程如何？宏觀電路電流現(xiàn)象，微觀本質(zhì)是電荷在電場中受力、運動、做功能量轉(zhuǎn)化.

(5)物理量的定義方式和表達方法.電場強度、電勢、電容都用了比值定義，又有對應(yīng)的決定式，此間共性可以貫通前后.物理量可以用公式、坐標圖、圖景來表達，我們往往注重某一方式而忽略其他.比如電場強度E，電勢φ，公式表達比較常見，電場線、等勢面等圖景表達也比較熟悉，但是用坐標圖表達容易被忽視.可引導(dǎo)學(xué)生畫一畫E-x和φ-x圖，能夠更好理解相關(guān)物理量.

類比法、反證法等前文多有論述，本塊還有涉及此類學(xué)科方法的其他內(nèi)容，應(yīng)努力挖掘，限于篇幅，不再論述.

4 結(jié)束語

靜電場的核心概念比較抽象，直接告知記憶，輔以大量練習(xí)，會導(dǎo)致死記硬背、生搬硬套、越學(xué)越糊涂.在教學(xué)中應(yīng)利用形象化的手段和類比的方法，抽絲剝繭、環(huán)環(huán)相扣、層層遞進，經(jīng)歷過程，幫助學(xué)生建立正確的概念.

雖然高中物理學(xué)被習(xí)慣地分為力、熱、電、光、原子5塊，但是各模塊之間可由學(xué)科核心概念、思想方法緊密關(guān)聯(lián).新授課，應(yīng)予滲透；復(fù)習(xí)課，應(yīng)明示各模塊的知識關(guān)聯(lián)和邏輯聯(lián)系，幫助學(xué)生形成對學(xué)科內(nèi)容的整體認識.

這樣做，是對正常教學(xué)的回歸，也與北京物理高考評價相一致，做到教學(xué)與評價相得益彰.