物理核心素養(yǎng)下的“電荷及其守恒定律”教學(xué)

何林麗

摘 要：物理核心素養(yǎng)的形成需要通過(guò)教育教學(xué)實(shí)踐得以落實(shí)。本文以“電荷守恒定律”教學(xué)為例，闡述了在“電荷及其守恒定律”的教學(xué)環(huán)節(jié)中落實(shí)核心素養(yǎng)的具體做法，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng);“電荷及其守恒定律”教學(xué)

物理核心素養(yǎng)，是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品質(zhì)和關(guān)鍵能力;是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì);是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵成分。物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面的要素構(gòu)成。這四個(gè)方面是相互聯(lián)系、共同發(fā)展的。物理觀念的形成過(guò)程是學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)思維和科學(xué)探究的過(guò)程，同時(shí)伴隨著科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的發(fā)展過(guò)程和對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)不斷深化的過(guò)程[1]。學(xué)生物理核心素養(yǎng)的形成需要通過(guò)教育教學(xué)實(shí)踐得以落實(shí)，因此，教師的課堂教學(xué)必須要關(guān)注學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。下面筆者以“電荷守恒定律”教學(xué)為例，談?wù)劸唧w做法。

一、教學(xué)目標(biāo)

“電荷及其守恒定律”是高中物理新課標(biāo)選修3-1（人教版）第一章第一節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)由電荷、靜電感應(yīng)、電荷守恒定律、元電荷四部分內(nèi)容組成。這節(jié)課是高中電學(xué)內(nèi)容的開(kāi)始，也是學(xué)習(xí)電磁學(xué)、光學(xué)和其他物理學(xué)知識(shí)的重要基礎(chǔ)。本節(jié)的教學(xué)目標(biāo)如下：

（一）分析摩擦起電和帶電體間的相互作用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，知道自然界存在兩種電荷，知道電荷量的概念及其國(guó)際單位。

（二）會(huì)用原子結(jié)構(gòu)模型解釋摩擦起電的原因，觀察并分析靜電感應(yīng)現(xiàn)象，進(jìn)一步提高應(yīng)用物理模型解釋現(xiàn)象的能力。

（三）通過(guò)觀察摩擦起電、靜電感應(yīng)等現(xiàn)象，激發(fā)對(duì)自然界的好奇心。

（四）通過(guò)不同起電方式的分析得出電荷守恒定律，理解電荷守恒定律，體會(huì)守恒觀念對(duì)認(rèn)識(shí)規(guī)律的重要性。

（五）知道元電荷概念，體會(huì)電荷量是不連續(xù)的。

二、“電荷及其守恒定律”的教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面的作用和價(jià)值

（一）從物理觀念上看：本節(jié)課的學(xué)習(xí)可以讓學(xué)生進(jìn)一步完善對(duì)電荷的認(rèn)識(shí)。通過(guò)電荷守恒定律，進(jìn)一步突出守恒的觀念。對(duì)元電荷的學(xué)習(xí)，也為以后學(xué)生形成“量子化”這個(gè)觀點(diǎn)打下伏筆。

（二）從科學(xué)思維上看：本節(jié)課涉及的科學(xué)歸納推理思想是物理學(xué)習(xí)研究的主要思想方法之一。通過(guò)對(duì)三種起電方式的探究歸納得出“電荷及其守恒定律”的過(guò)程，一方面讓學(xué)生經(jīng)歷了質(zhì)疑、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)推理和科學(xué)歸納的過(guò)程;另一方面，可以通過(guò)有效教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)關(guān)注不同學(xué)生的思維水平。對(duì)感應(yīng)起電原因的探討中的科學(xué)推理、質(zhì)疑思辨、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程也滲透著科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。

（三）從科學(xué)探究上看：本節(jié)課通過(guò)解決身邊的問(wèn)題引入新課，培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手操作能力;利用自制裝置探究使物體帶電的方式，讓學(xué)生體驗(yàn)感受，培養(yǎng)其判斷力及探索精神。對(duì)感應(yīng)起電現(xiàn)象的探究，又可提升學(xué)生的問(wèn)題解決能力和質(zhì)疑創(chuàng)新能力。

（四）從科學(xué)態(tài)度與責(zé)任上看：本課的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的求真精神與團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的教學(xué)，可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，拉近了生活和科學(xué)的距離，也有助于學(xué)生養(yǎng)成用物理的視角觀察社會(huì)、解決問(wèn)題的意識(shí)。

三、精心設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，落實(shí)核心素養(yǎng)教學(xué)

（一）創(chuàng)設(shè)情境，激活前概念

【情境】（視頻）廚房里，媽媽不小心把胡椒粉撒在了鹽里。

問(wèn)：你能用什么方法把鹽和胡椒粉分離？（學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)）

【設(shè)計(jì)意圖】以生活實(shí)例引入新課，既激發(fā)學(xué)生的好奇心，也體現(xiàn)了物理來(lái)源于生活，也服務(wù)于生活。同時(shí)，通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境，將學(xué)生頭腦中摩擦起電的前概念激活，為下一個(gè)階段的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

（二）設(shè)計(jì)活動(dòng)，體驗(yàn)科學(xué)探究;引導(dǎo)探究，發(fā)展科學(xué)思維

【活動(dòng)1】每個(gè)小組用自制驗(yàn)電器探究使物體帶電的方法。

問(wèn)題1：你能列舉一些生活中摩擦起電和接觸起電的例子嗎？

問(wèn)題2：通過(guò)實(shí)驗(yàn)和生活中的實(shí)例，同學(xué)們心中可能有一些疑問(wèn)，請(qǐng)同學(xué)們說(shuō)一說(shuō)這節(jié)課你想解決什么問(wèn)題？

【設(shè)計(jì)意圖】在這個(gè)活動(dòng)中，讓學(xué)生舉生活中實(shí)例，可以增強(qiáng)學(xué)生“物理源于生活”的思想，同時(shí)也引發(fā)學(xué)生思考起電的本質(zhì)。課前的自制“驗(yàn)電器”環(huán)節(jié)，一是提高學(xué)生動(dòng)手制作技能，并有助于學(xué)生了解驗(yàn)電器的功能及使用方法。二是驗(yàn)電器金屬箔片的張開(kāi)可以讓學(xué)生切實(shí)感受到電荷的存在。教師把“摩擦為什么能使橡膠棒帶電？”“橡膠棒沒(méi)接觸自制驗(yàn)電器的金屬棒，金屬片為什么也能張開(kāi)？”這樣的問(wèn)題交給學(xué)生提出，可以激發(fā)學(xué)生的探究欲望，有利于學(xué)生獨(dú)立探究意識(shí)的培養(yǎng)。學(xué)生提出的問(wèn)題可能漫無(wú)邊際、過(guò)雜、過(guò)細(xì)，教師要指導(dǎo)他們對(duì)所提的問(wèn)題進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)，篩選出多數(shù)學(xué)生感興趣的、有條件可研究的、有價(jià)值的問(wèn)題，以保證學(xué)生的科學(xué)探究既有趣，又真正有所收獲。

【活動(dòng)2】構(gòu)建模型探究摩擦起電和接觸起電的原因。

問(wèn)題1：不帶電的物體內(nèi)部有沒(méi)有電荷？為什么說(shuō)它“不帶電”？

問(wèn)題2：核外電子是穩(wěn)定的嗎？

問(wèn)題3：你能從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的角度分析摩擦使物體帶電的原因嗎？

問(wèn)題4：你能以玻璃棒和絲綢摩擦為例，說(shuō)說(shuō)玻璃棒和絲綢帶電的原因嗎？

問(wèn)題5：結(jié)合前面的分析，你能從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的角度分析接觸起電的原因嗎？

問(wèn)題6：摩擦起電和接觸起電是創(chuàng)造了電荷嗎？

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生以前學(xué)習(xí)物理、化學(xué)知識(shí)時(shí)，對(duì)原子結(jié)構(gòu)已經(jīng)有所接觸，所以可以引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)模型探究這兩種現(xiàn)象的原因。在教學(xué)中，可以充分利用電教手段，幫助學(xué)生建立原子結(jié)構(gòu)的微觀圖景，確立由于電子轉(zhuǎn)移使物體帶電的觀點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維。從舊知識(shí)中獲取新知識(shí)，階梯式的問(wèn)題引導(dǎo)，可以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)，使思維由淺入深。階梯式的問(wèn)題引導(dǎo)，還能幫助學(xué)生搭建認(rèn)知橋梁，將學(xué)生已掌握的知識(shí)整合起來(lái)，對(duì)所學(xué)知識(shí)產(chǎn)生透徹的理解。教師要充分發(fā)揮引導(dǎo)作用，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平，緊扣重難點(diǎn)問(wèn)題，找到相應(yīng)的切入點(diǎn)，解決物理問(wèn)題。

【活動(dòng)3】實(shí)驗(yàn)探究感應(yīng)起電的原因。

實(shí)驗(yàn)：把帶正電的物體C先移近導(dǎo)體A、B，再使C遠(yuǎn)離導(dǎo)體A、B

問(wèn)題1：兩次操作，金屬箔各有怎樣的變化？

問(wèn)題2：請(qǐng)同學(xué)們討論推測(cè)產(chǎn)生這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因。

問(wèn)題3：怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證推測(cè)是否正確呢？

問(wèn)題4：先把A和B分開(kāi)，然后移去C，金屬箔是否有變化？再讓A和B接觸，又會(huì)看到什么現(xiàn)象？學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究。

問(wèn)題5：產(chǎn)生這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因是什么？

【設(shè)計(jì)意圖】感應(yīng)起電實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)電荷守恒定律的又一準(zhǔn)備。學(xué)生對(duì)摩擦起電比較熟悉，而對(duì)非接觸起電感到奇怪，容易引發(fā)好奇心，激發(fā)起探究興趣。所以根據(jù)實(shí)驗(yàn)情境設(shè)計(jì)一些有梯度、能提升思維強(qiáng)度的問(wèn)題，有利于學(xué)生全面理解。在這個(gè)活動(dòng)中，從學(xué)生思維實(shí)際出發(fā)，給學(xué)生充分的時(shí)間，鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜測(cè)，從各個(gè)角度去思考。教師應(yīng)充分關(guān)注學(xué)生假設(shè)背后的思想，幫助學(xué)生改進(jìn)完善。有了假設(shè)，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)搜集證據(jù)來(lái)驗(yàn)證假設(shè)。引導(dǎo)學(xué)生在探究中體會(huì)科學(xué)探究的一般方法[2]。

【活動(dòng)4】探究三種起電方式。

學(xué)生分組討論三種起電方式的帶電原因、電荷總量變化情況、共同的規(guī)律，完成表格并交流分享。

【設(shè)計(jì)意圖】在這個(gè)活動(dòng)中，學(xué)生結(jié)合前面幾個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，能夠認(rèn)識(shí)到，無(wú)論是摩擦起電還是感應(yīng)起電，其本質(zhì)都是微觀帶電粒子在物體之間或物體內(nèi)部的轉(zhuǎn)移，而不是創(chuàng)造出了電荷，帶電是電子移動(dòng)引起的電中性被破壞的現(xiàn)象。這部分教學(xué)強(qiáng)調(diào)的不是規(guī)律的機(jī)械記憶，而是對(duì)規(guī)律的自主建構(gòu)與深化。學(xué)生通過(guò)交流匯報(bào)，分享探討所得結(jié)果和心得，一方面培養(yǎng)了學(xué)生分析、整理、概括的能力，另一方面穩(wěn)固了新學(xué)的知識(shí)和技能。

（三）回歸本源，形成物理觀念

問(wèn)題1：你能用簡(jiǎn)潔的語(yǔ)言歸納出起電的本質(zhì)規(guī)律嗎？

（得出電荷守恒定律的第一種表述）

問(wèn)題2：結(jié)合電荷守恒定律，請(qǐng)同學(xué)們思考以下問(wèn)題：

①在探究實(shí)驗(yàn)中，將C遠(yuǎn)離導(dǎo)體A、B后金屬箔閉合，是不是正負(fù)電荷一起消失了？

②對(duì)“電荷的總量保持不變”中的“電荷的總量”你是怎么理解的？

（得出電荷守恒定律的第二種表述）

問(wèn)題3：物體帶電的實(shí)質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移和得失，這表明物體帶的電量有何特征？（得出元電荷概念，體會(huì)量子性）

【設(shè)計(jì)意圖】物理教學(xué)中的“源”即對(duì)物理本質(zhì)的理解和思考。教學(xué)中以演示實(shí)驗(yàn)為核心素材，通過(guò)進(jìn)階式的問(wèn)題驅(qū)動(dòng)學(xué)生思維，幫助學(xué)生不斷反思、概括和提升，形成正確的物質(zhì)觀。學(xué)生體驗(yàn)了物理觀念的形成，會(huì)對(duì)知識(shí)的理解更加深刻，也有利于學(xué)生感悟守恒思想。電荷守恒定律是自然界主要的守恒定律之一，“守恒”思想的滲透與“追尋守恒量”“機(jī)械能守恒定律”，保持了“守恒”思想的一致性，這樣有利于學(xué)生對(duì)守恒思想的完善。對(duì)元電荷的概念的學(xué)習(xí)，還可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)量子化的感性認(rèn)識(shí)。

（四）認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

活動(dòng)：解釋生活中的現(xiàn)象。

1.趣味實(shí)驗(yàn)中用塑料小勺分離鹽和胡椒粉。

2.（課本4頁(yè)題1）在我國(guó)北方天氣干燥的季節(jié)，脫掉外衣再去摸金屬門把手時(shí)，常常會(huì)被電擊，這是為什么？

3.近代物理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光子可以轉(zhuǎn)變成一對(duì)正負(fù)電子。一對(duì)正負(fù)電子可以同時(shí)湮滅，轉(zhuǎn)化為一個(gè)光子，光子是不帶電的。在這個(gè)過(guò)程中，電荷守恒定律還成立嗎？

4.本節(jié)知識(shí)在生活、科技中還有哪些應(yīng)用？請(qǐng)同學(xué)們課下查閱資料，下節(jié)課交流分享。

【設(shè)計(jì)意圖】課前按課本3頁(yè)“做一做”自制驗(yàn)電器，激發(fā)學(xué)習(xí)和應(yīng)用物理知識(shí)的熱情。教學(xué)中，教師依托物理實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生探究，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。教學(xué)中還應(yīng)深入挖掘教材，開(kāi)發(fā)教學(xué)資源，關(guān)注與物理有關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題，放眼科技前沿，開(kāi)闊學(xué)生的視野，深刻理解物理、技術(shù)、社會(huì)之間的相互關(guān)系，贊賞物理對(duì)社會(huì)發(fā)展的重大貢獻(xiàn)。

四、教學(xué)反思

本節(jié)主要學(xué)習(xí)電荷的基本概念及電荷守恒定律。學(xué)生在初中就接觸了本節(jié)的知識(shí)，高中教學(xué)是在這個(gè)基礎(chǔ)上加深、提高。本節(jié)課并不是簡(jiǎn)單地重復(fù)初中所展示過(guò)的實(shí)驗(yàn)，而是采用探究式思維展開(kāi)本節(jié)教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)自然界中的兩種電荷，通過(guò)對(duì)原子核式結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)使學(xué)生明確摩擦起電和感應(yīng)起電不是創(chuàng)造了電荷，而是使物體中的電荷分開(kāi)。但對(duì)一個(gè)與外界沒(méi)有電荷交換的系統(tǒng)，電荷的代數(shù)和不變。在構(gòu)建上述知識(shí)的過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷構(gòu)建模型、解釋現(xiàn)象、猜想、歸納等過(guò)程，發(fā)展邏輯推理能力，強(qiáng)化守恒思想[3]。

這節(jié)課的重點(diǎn)定位在通過(guò)比較摩擦起電、接觸起電、感應(yīng)起電三種帶電方式，找出它們的本質(zhì)特征，抽象概括出電荷及其守恒定律。這主要因?yàn)椋核枷胧俏锢硌芯恐兄匾姆椒ā榱送怀觥笆睾恪钡乃枷?，在力學(xué)中學(xué)習(xí)功和能的關(guān)系時(shí)，就是從“追尋守恒量”開(kāi)始的。在電學(xué)中又一次體驗(yàn)“追尋守恒量”。從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的角度認(rèn)識(shí)物體帶電的本質(zhì)是本節(jié)教學(xué)的難點(diǎn)。立足于實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)探究中生成新的認(rèn)識(shí)，是突破難點(diǎn)的策略。感應(yīng)起電這部分教學(xué)，要做好演示實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生清楚地知道什么是靜電感應(yīng)現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上使學(xué)生知道感應(yīng)起電也不是創(chuàng)造了電荷，而是使物體中的正負(fù)電荷分開(kāi)，使電荷從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分。

整節(jié)課流程比較順利，學(xué)生通過(guò)這節(jié)課的學(xué)習(xí)達(dá)成了教學(xué)目標(biāo)。在教學(xué)中要注重對(duì)學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，一方面要重視概念和規(guī)律的建立過(guò)程，對(duì)每個(gè)概念要知道它的來(lái)龍去脈，弄懂它的內(nèi)涵和外延。另一方面，要努力創(chuàng)造條件，建立鮮明的物理情境，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)過(guò)自己充分地觀察、分析、比較、歸納等思維過(guò)程，從直觀的感知進(jìn)入抽象的深層理解，把他們準(zhǔn)確、鮮明、深刻地納入自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中。

本節(jié)課也存在一些不足之處：一是要控制提問(wèn)的密度，整體布局問(wèn)題。課堂中，有些問(wèn)題給學(xué)生思考的時(shí)間不夠，提問(wèn)男生多于女生，成績(jī)好的多于成績(jī)差的，這些現(xiàn)象的存在，不利于學(xué)生整體創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。二是部分小組合作能力低，操作質(zhì)量不高。主要原因是分組時(shí)沒(méi)有充分考慮每一位學(xué)生的物理學(xué)習(xí)能力和合作能力，以及小組內(nèi)部學(xué)生溝通能力差。因此，教師在實(shí)驗(yàn)前要做好實(shí)驗(yàn)的分組搭配工作。實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的過(guò)程中，教師也要積極融入學(xué)生群體中，幫助學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的一些問(wèn)題。

結(jié)束語(yǔ)

本節(jié)課以解決問(wèn)題為中心，把“探究性學(xué)習(xí)”的思想貫穿到整節(jié)課的教學(xué)。讓學(xué)生進(jìn)入探索者的角色，真正參與到學(xué)習(xí)活動(dòng)中，在合作探究中通過(guò)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、創(chuàng)造性地解決問(wèn)題等步驟掌握知識(shí)、發(fā)展能力。在探究過(guò)程中，要在充分了解學(xué)生的原有認(rèn)識(shí)和思維方式基礎(chǔ)上，從學(xué)生發(fā)展的角度把握每一個(gè)重要問(wèn)題的提出、研究和解決過(guò)程，針對(duì)學(xué)生實(shí)際，將大問(wèn)題分解成小問(wèn)題，最后轉(zhuǎn)化成學(xué)生感興趣又能解決的問(wèn)題。在教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)的視角觀察問(wèn)題，按科學(xué)的邏輯來(lái)思考問(wèn)題，將培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維滲透在教學(xué)各環(huán)節(jié)中，從而發(fā)揮該教學(xué)內(nèi)容在培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)方面的作用和價(jià)值[4]。

參考文獻(xiàn)

[1]章小平，顧愛(ài)芬.創(chuàng)設(shè)有效實(shí)驗(yàn)情境落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（6）：36-38.

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