林曉坤

摘 ? 要：電場是高中物理的重要觀念，因其自身特點難以定義、難以獲得感性認識，同時因類比法運用中的問題，最終導致教師感覺難教、學生感覺難學，形成學習困難現(xiàn)象。分析導致該現(xiàn)象的原因，并提出解決策略。

關鍵詞：電場;類比;困難;策略

電場是高中物理學科的重要知識。作為客觀存在的一種特殊物質，電場與由原子構成的實物不同，對電場的認識方式也與實物不同。在初學階段，學生對電場沒有正確的認識、沒有找到與之相適應的學法，使學習過程呈現(xiàn)概念掌握困難、知識遷移困難、容易遺忘等特點。正視這些困難，分析成因，才能找到解決問題的策略，促進學生科學思維能力的發(fā)展。

1 ?電場概念建立困難及解決策略

電場沒有顏色、形狀等可感知的外在特征，只能通過電荷才能檢驗其存在與否。自然界中有天然磁體，卻少有天然的自由電荷，這導致學習者在日常生活中對電場的感性認識極度缺乏，又無法從教科書中獲得嚴密的定義，在電場概念的建立過程中遇到極大的困難。

1.1 ?認識的發(fā)展導致電場定義困難

電場和磁場相互聯(lián)系，統(tǒng)稱電磁場。靜電場是靜止電荷產生的電場。但什么是電場，在各教科書中卻沒有明確的定義。查閱現(xiàn)有的資料，電場的表述，有的是“電荷的周圍存在著由它產生的電場”[ 1 ]，有的是“電荷的相互作用不可能超越距離，是通過場傳遞的，這種場稱為電場”[ 2 ]，百度百科詞條釋義是“電場是電荷及變化磁場周圍空間里存在的一種特殊物質?！边@些解釋或說明電場的來源，或歸于“物質”這一更加抽象的概念，學生并不能依據(jù)這些定義進行有效的判斷，可操作性不強。

導致上述現(xiàn)象的原因是人們對電場所屬的電磁場及其上位概念——場的認識還處于不斷深入的過程。早期，亞里士多德認為力作用只有通過接觸才能實現(xiàn)，推理出傳遞力的介質肯定存在。笛卡爾為此提出“以太”概念。法拉第應用“以太”概念對電磁現(xiàn)象進行研究，他設想在帶電體和磁體周圍充滿某種由電和磁產生的物質以太，以太傳遞電力和磁力，并第一次把這種介質以太命名為“場”，作為發(fā)生電磁作用的場所而存在。麥克斯韋依據(jù)法拉第的“場”概念，完成了電磁場的數(shù)學理論工作。之后，邁克爾遜實驗沒有觀察到“以太漂移”，龐加萊認為以太可能并不存在，對“場”的認識深化為場是與實物不同的一種物質。在普朗克對黑體輻射的研究和愛因斯坦對光電效應解釋過程中，量子給場的連續(xù)概念帶來了致命的打擊。在狄拉克的量子場論中，人們認識到場與粒子的轉變，看到了物質形態(tài)間斷與連續(xù)間的轉化，認識到粒子與場的物質統(tǒng)一性。直到現(xiàn)在，統(tǒng)一場論和終極理論還在不斷發(fā)展[ 3 ]。顯然，僅憑初學階段的一些性質就對電場進行嚴密定義是不適當?shù)摹?/p>

1.2 ?感性認識不足導致電場理解困難

因電場無法給出明確的定義，導致后續(xù)邏輯程序（逐步詳細講解關鍵詞語的含義、讓學生理解接受從而掌握概念等）無法進行，電場必須依靠歸納特征來建立物理概念。根據(jù)歸納特征而組織的物理概念教學過程要經(jīng)歷感知活動、思維加工、得出定義、鞏固發(fā)展幾個階段。在感知活動階段，教師引導學生從教材、生活經(jīng)驗、觀察實驗等途徑，獲得感性知識，為概念形成打下基礎 [ 4 ]。

雖然電場是客觀存在的物質，但正是因為無法直觀感知，學生在初學階段往往對其存疑，將電場視為附屬于電荷的概念，將電場力視為庫侖力的另一表述方式，電場作為物質的觀念并未真正形成。此外，在南方氣候濕潤的地方，由于濕度較大，很多靜電實驗不易成功，教師在教學時只能通過邏輯推演或借助多媒體展示，學生缺乏感性認識，使問題更加嚴重。物理是實驗的科學，“分析實驗現(xiàn)象→總結規(guī)律→建立新的概念”是必然的認識發(fā)展過程。要感知電場，必須得有實驗。在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，使用輝光球（如圖1）進行實驗可以較好地體現(xiàn)場的客觀性，對幫助學生理解電場有一定作用。打開輝光球開關，出現(xiàn)輻射狀輝光，告訴學生這不是電場。將測電筆（如圖2）靠近輝光球，會發(fā)現(xiàn)測電筆中的氖泡發(fā)光;將測電筆遠離輝光球，會發(fā)現(xiàn)測電筆中的氖泡不再發(fā)光。很明顯，是輝光球周圍的場使氖泡發(fā)光，越靠近輝光球氖泡越亮表明離輝光球越近場越強。雖然這個場是輝光球中高頻電壓形成的電磁場，并不是電場，但該電磁場與點電荷的場強特點高度相似，有助于點電荷的場強的學習。此外，若將泡沫塑料顆粒等輕小物體灑在輝光球的玻璃泡上時不會被吸附，這說明玻璃泡上并沒有電荷，場是獨立于電荷的客觀物質，不是電荷的附屬物。與用磁場類比電場或用電流場類比電場相比，該模擬實驗更能說明問題。

通過該模擬實驗，學生發(fā)現(xiàn)原有認知結構無法同化提供的信息，從而引起的認知結構的重組與改造，即以順應的方式初步建立電場概念。

2 ?電場知識遷移困難及解決策略

上述模擬實驗只反映電場的客觀性。為了將學生頭腦中初步建立的電場從抽象概念上升到具體概念，課本安排了電場力、電場力做功等內容，并引入電勢能、場強、電勢和電勢差等概念，以說明電場力的性質和能的性質。圍繞這些知識的教學，一線教師和學者開展了大量的研究，形成了用類比法進行教學的普遍共識。將學生熟悉的知識或經(jīng)驗稱作類比物，把要學習的新知識稱作目標物，如果類比物和目標物具有一些相同或相似的屬性，在它們間建立映射關系，這就是類比。類比可以使得陌生概念具體化、形象化，從而促進學生形成對這些概念的理解[ 5 ]。若類比不規(guī)范或不完整，也會引起學習困難。

2.1 ?學法不當導致電場知識遷移困難

應該注意到，類比物和目標物間只是可能相似而非必然相似。在使用類比法授課時，教師既要引導學生發(fā)現(xiàn)二者的相似之處，又要適當指出二者的區(qū)別。

以重力勢能和電勢能的類比為例，如表1所示。

可以發(fā)現(xiàn)，類比物和目標物之間具有結構上的相似性，都是通過場力做功定義勢能。但二者又有所區(qū)別：重力方向是確定的，當始末位置和質量確定，功即確定，重力勢能也隨之確定;電場力方向與場強和電荷的電性有關，電場力做功并不由始末位置唯一確定，電勢能也是如此。

如圖3，當一個質量為m的物體位于參考平面的下方B點時，求物體在該處的重力勢能有兩種方法：

方法1：把這個物體從B點移動參考平面，求出重力做功WBO=GsBOcos180°=-mgh2，所以B點的重力勢能EPB=WBO=-mgh2 。

方法2：選定參考平面→確定物體高度和質量→代入公式EPB=mghB=-mgh2。

除了確定參考平面外，方法1有計算重力功和以重力功定義重力勢能兩個步驟，方法2只需要代入數(shù)據(jù)一個步驟。學生常認為方法2可操作性強、更易掌握，但這種方法導致學生認為只要高度確定了重力勢能就確定，而忽視了重力做功對重力勢能的決定關系。當學習電勢能時，若用方法2，會發(fā)現(xiàn)在電場中的同一點的放入正、負電荷時電勢能不同，電勢能并不由位置唯一確定;若用方法1，電勢能由電場力做功決定這點不變，僅需要根據(jù)電場力與位移的方向計算電場力的功即可。

這也說明，對概念的形成過程掌握越規(guī)范，越能發(fā)現(xiàn)類比物和目標物間的相似性，越能避免因類比不一致導致的學習困難，實現(xiàn)知識的遷移。

2.2 ?知識網(wǎng)絡不完善導致遷移困難

場強E=F/q、電勢φ=Ep/q、電勢差U=W/q都是用比值定義法獲得的物理量，看似僅三個量組成的比例關系，內容不多，但卻涉及到場量描述的兩種范式，即“力”的描述范式與“能量”的描述范式。這兩種描述范式對于“場”的描述是等效的，而且彼此關聯(lián)[ 6 ]。為幫助學生理解并掌握這些描述范式，進行適當?shù)牧曨}訓練是必要的。在初學階段，學生并未理解這些物理量間的關系，部分學生出現(xiàn)翻開書對照公式可以解決簡單題目、合上書便忘記、遇上綜合題便無從下手的現(xiàn)象，知識遷移極為困難。教師作為先行者和引導者，要善于利用學生這種茫然進而急于求知的心態(tài)，讓學生在習題的研學活動中理解、整合新內容，增加知識信息量，形成各種物理觀念、循序漸進完善知識的系統(tǒng)性，發(fā)揮出習題的求知功能。

例如，將帶電物體放入電場會受到電場力的作用，若物體不帶電則沒有電場力，但電場仍存在、電場對電荷產生力的本領仍然存在，電場強度E從力的角度描述了電場的性質。以此類比，電勢φ從能的角度描述了電場的性質，電勢差U從功的角度描述了電場的性質。則從力和功能的關系，可以引導學生構建如圖4的知識網(wǎng)絡。

從場強E、電勢差U、電勢φ分別反映了電場的力的性質、功的性質、能的性質出發(fā)，還可以發(fā)現(xiàn)：功與力的關系W=Fd類比功的性質與力的性質間的關系U=Ed、功與能的關系WAB=EpA-EpB類比功的性質與能的性質間的關系UAB=φA-φB、力的矢量性類比場強的矢量性、功和能的標量性類比電勢差和電勢的標量性、力的合成類比場強的疊加原理等。這樣，學生就可以把電場中的新知識及其相互關系與熟悉的知識及其關系相對應，從掌握的基礎知識和基本技能中產生新的知識遷移，把電場問題轉化為力和功能的問題進行處理。比如，W=Fd適用于恒力情境遷移出U=Ed適用于勻強電場情境，動能定理W合=Ek2-Ek1可應用于變力情境遷移出該式可應用于非勻強電場情境等。

綜上所述，在高中電場教學中，教師在物理觀念方面，要通過實驗展示場的客觀性，建立電場的物質觀念;在科學思維方面，要引導學生通過規(guī)范地抽象概括過程理解概念，把握電場的內在規(guī)律，要通過建立合理的知識網(wǎng)絡培養(yǎng)遷移能力，從而有效克服電場學習中的困難，提升物理核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1] 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-1[M].北京：人民教育出版社，2017.

[2]中學物理教材編寫組.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-1[M].山東：山東科學技術出版社，2019.

[3] 鄧人忠.物理學基本概念探討[M].北京：氣象出版社，2010.

[4] 葉建柱，蔡志凌.物理教學中的邏輯[M].北京：科學出版社，2013.

[5] 溫斯瓊，潘蘇東.物理教科書中類比策略的分析——以新人教版高中物理教科書為例[J].中學物理，2021，39（9）：25-29.

[6] 趙玉萍，邢紅軍，瞿彥芳.論“電勢差與電場強度關系”教學設計[J].中學物理，2021，39（5）：50-53.