王純　曹冬梅

摘? ?要：以“口罩防疫中的物理”為例設(shè)計高中物理復(fù)習(xí)課：從分析口罩的防疫原理、計算合格口罩的電荷標(biāo)準以及使用口罩的注意事項等方面創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，綜合應(yīng)用物理知識探究口罩防疫背后的科學(xué)本質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生對“靜電場”知識進行復(fù)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生提取關(guān)鍵信息的能力，增強學(xué)生的防疫意識和社會責(zé)任感，從而加強對學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng)；口罩防疫；靜電吸附；庫侖力；復(fù)習(xí)課

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）3-0027-5

復(fù)習(xí)課作為高中物理教學(xué)的常見課型，可以增強學(xué)生對知識的理解，對知識點間聯(lián)系的把控，對知識的綜合運用。2018年初教育部頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準（2017年版）》明確指出：學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)逐步形成的價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力［1］。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”4個方面［1］。本文以“口罩防疫中的物理”為例，提出了培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的復(fù)習(xí)課教學(xué)設(shè)計。

1? ? 教學(xué)設(shè)計思想及學(xué)情

本教學(xué)設(shè)計從疫情防控入手，打破傳統(tǒng)復(fù)習(xí)課千篇一律強調(diào)重點、考點，盲目“題海戰(zhàn)術(shù)”的弊端。借助當(dāng)下熱點話題，為物理教學(xué)提供真實情境，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。將口罩防疫中涉及的靜電場、壓強和質(zhì)點等知識進行整合梳理，并以此為素材設(shè)計物理復(fù)習(xí)課，讓學(xué)生體會格物致知、知行合一，感悟物理和生活實際緊密聯(lián)系，從而培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

學(xué)習(xí)者是進行物理總復(fù)習(xí)的學(xué)生，他們對“靜電場”有一定的知識基礎(chǔ)，具備較好的綜合分析與推理論證的能力；對以社會熱點為背景的課堂素材有較濃的興趣，能從真實情境中識別出物理學(xué)科內(nèi)容。但這群學(xué)習(xí)者綜合運用物理知識解決實際問題的能力還有待提升，從物理學(xué)角度審視社會現(xiàn)象的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”素養(yǎng)仍有待加強。

2? ? 教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)重難點

（1）教學(xué)內(nèi)容：靜電感應(yīng)、靜電吸附、庫侖定律、靜電場知識的綜合運用。

（2）教學(xué)重點：幫助學(xué)生系統(tǒng)復(fù)習(xí)靜電感應(yīng)、靜電吸附、受力分析、庫侖力計算等知識，提升學(xué)生綜合運用物理知識分析、解決問題的能力。

（3）教學(xué)難點：在真實情境中，識別出物理學(xué)科的知識點，精準聯(lián)系靜電場知識進行分析、推導(dǎo)與解釋，并能遷移到相似的靜電現(xiàn)象應(yīng)用實例。

3? ? 教學(xué)目標(biāo)

（1）物理觀念

電場對其中的帶電體有力的作用，深化相互作用觀。

（2）科學(xué)思維

綜合運用靜電學(xué)和壓強的知識，建立質(zhì)點模型。進行受力分析，推導(dǎo)出合格口罩經(jīng)駐極處理后應(yīng)帶的電荷量，發(fā)展科學(xué)推理能力。

（3）科學(xué)探究

觀看極化到靜電吸附的演示動畫，分組合作探究靜電感應(yīng)的過程和靜電吸附的原理。

（４）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

深刻體會靜電學(xué)原理在口罩防疫中的應(yīng)用價值，進一步將所學(xué)理論應(yīng)用于實際，增強探索自然的內(nèi)動力和社會責(zé)任感，理解科學(xué)與社會、環(huán)境的關(guān)系。

4? ? 教學(xué)流程設(shè)計

教學(xué)流程設(shè)計遵循從定性認識到定量分析的規(guī)律，創(chuàng)設(shè)真實情境，綜合靜電學(xué)和力學(xué)知識，設(shè)計知識拓展環(huán)節(jié)，如圖1所示。

5? ? 教學(xué)過程

從物理學(xué)角度探究口罩防疫的原理，引導(dǎo)學(xué)生快速識別和定位到“靜電場”中的相關(guān)知識點。

5.1? ? 分析口罩防疫的原理

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)真實情境

教師向?qū)W生展示疫情期間與生活密不可分的醫(yī)用口罩（圖2）。

教師提問：為何戴上醫(yī)用口罩能預(yù)防病毒？是否所有口罩都能預(yù)防病毒？

學(xué)生猜想：因為口罩能減少口鼻與病毒的直接接觸；包含病毒的飛沫可以被口罩遮擋；醫(yī)用口罩中的某種特殊材料能起到防護作用；并不是所有的口罩都能預(yù)防病毒……

教師演示：將用過的一次性醫(yī)用口罩剪開，讓學(xué)生仔細觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并用多媒體將其剖面圖展示給學(xué)生（圖3）。

學(xué)生觀察口罩的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及剖面圖上的文字注釋，對醫(yī)用口罩的結(jié)構(gòu)有了基本的認識。

教師講解：如圖3所示，我們常用的醫(yī)用口罩分為里、中、外三層，中間一層為隔離過濾層，是起到防護效果的關(guān)鍵層，使用的材料是超細聚丙烯熔噴布（簡稱熔噴布）。在生產(chǎn)過程中，熔噴布通常需要駐極處理，從而利用靜電作用吸附病毒及含病毒的顆粒，達到防護效果［3］。其實，口罩防疫中滲透著許多物理學(xué)知識，今天我們就一起來探究“口罩防疫中的物理”。

設(shè)計意圖：從社會熱點導(dǎo)入，增加物理復(fù)習(xí)課的趣味性，體現(xiàn)物理的實用性；讓學(xué)生直接觀察口罩的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲；介紹口罩中駐極體知識，讓學(xué)生迅速回顧“靜電場”中的相關(guān)知識點，鍛煉學(xué)生提取學(xué)科知識的能力。

環(huán)節(jié)二：基于靜電感應(yīng)與靜電吸附，分析口罩防疫的原理

教師展示：用多媒體動畫演示含病毒的不帶電顆粒被極化后吸附到熔噴布上的過程（圖4）。

教師提問：仔細觀看并思考含病毒顆粒經(jīng)歷“不帶電—帶電—被吸附”過程的原因。

學(xué)生觀看并思考。

教師提示：分析顆粒從不帶電到帶電的過程，可回顧靜電感應(yīng)部分的知識，而從帶電狀態(tài)到被吸附，顯然是受到了力的作用，請思考是受到了什么力的作用？

學(xué)生分組合作、交流討論。

學(xué)生闡述：經(jīng)過駐極處理的熔噴布帶正電，當(dāng)不帶電的含病毒顆粒進入熔噴布范圍內(nèi)時，顆粒自身會由于靜電感應(yīng)在靠近熔噴布的一側(cè)感應(yīng)出負電，從而在庫侖力（靜電吸附力）的作用下朝熔噴布運動，直至被吸附在熔噴布上。

教師小結(jié)：顆粒從不帶電到帶電是由于靜電感應(yīng)，而顆粒從帶電狀態(tài)到被吸附到熔噴布上則是由于受到庫侖力的作用。

設(shè)計意圖：通過多媒體動畫演示，將抽象的吸附過程進行直觀形象的展示，更易于理解，幫助學(xué)生快速建構(gòu)極化和吸附的物理圖景，便于建立清晰的分析物理問題的科學(xué)思維。

5.2? ? 計算合格口罩的電荷數(shù)

環(huán)節(jié)三：基于庫侖定律和受力分析，計算合格口罩的電荷數(shù)

以上述口罩防疫原理為背景，創(chuàng)設(shè)如下題干：受新冠疫情影響，出入相對密閉公共場所都要求佩戴口罩。若攜帶病毒的飛沫或粉塵的顆粒直徑在0.3 μm左右［4-5］，此時很難僅通過機械作用將其過濾掉，大部分要靠口罩中間層的靜電吸附來阻擋。而中間過濾層采用聚丙烯材料，通過熔噴法制得隨機方向?qū)盈B的纖維膜，纖維直徑約0.5 μm～10 μm［6］（此處我們?nèi)±w維直徑為1 μm）。研究表明，口罩出色的過濾性能主要源于其核心材料駐極體熔噴布捕獲電荷的能力。當(dāng)熔噴布表面的電荷減少時，其靜電吸附作用將不明顯［3］。因此，合格醫(yī)用口罩的標(biāo)準之一為熔噴布上需有一定數(shù)量的電荷。

已知通常人在呼吸過程中，口鼻的氣壓與大氣壓較為接近。吸氣的時候小于大氣壓，呼氣的時候高于大氣壓。呼吸的氣壓大約為500 Pa。假設(shè)在吸附顆粒時，帶電粒子和口罩纖維上的電荷數(shù)相同，請結(jié)合以上素材中的數(shù)據(jù)并參考示意圖（圖5）來分析和計算合格口罩的電荷數(shù)。

請學(xué)生結(jié)合以上素材進行數(shù)據(jù)整理，將相關(guān)數(shù)據(jù)整理填入表1。

學(xué)生分析：求電荷數(shù)，應(yīng)利用庫侖力與電荷間的關(guān)系來求解。

教師提示：可建構(gòu)點電荷模型，再對帶電顆粒進行受力分析。

學(xué)生進行受力分析（圖6）。

教師引導(dǎo)：要計算合格口罩上應(yīng)帶的電荷數(shù)，即要使病毒顆粒被完全吸附，則其所受兩力的大小關(guān)系應(yīng)如何？

學(xué)生回答：應(yīng)使庫侖力大于氣壓力，才能保證病毒顆粒被牢牢吸附住。

教師點評：分析思路非常正確！大家要注意體會這種逆向思維。

學(xué)生推導(dǎo)與計算：

（1）氣壓力大小

設(shè)計意圖：對題干素材數(shù)據(jù)的整理，可以鍛煉學(xué)生歸納總結(jié)和提取關(guān)鍵信息的能力；教師引導(dǎo)從設(shè)問出發(fā)，能提升學(xué)生的逆向思維能力；建立理想模型，進行受力分析，能增強學(xué)生的抽象思維和邏輯推理能力；以口罩防疫背景創(chuàng)設(shè)題干素材，為物理知識的建構(gòu)提供了真實場景，符合高考命題貼近社會生活的趨勢，讓學(xué)生體會STSE理念，能有效培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

5.3? ? 使用口罩的注意事項

環(huán)節(jié)四：拓展遷移，綜合運用物理知識對使用口罩的注意事項進行解釋

（1）解釋不能使用過期口罩的原因

教師提問：在上面的分析中，我們了解到口罩的熔噴布帶電是因為經(jīng)過了駐極處理，但當(dāng)前的駐極材料大多是纖維成型后的靜電駐極，這種方法具有電荷量低、電荷不穩(wěn)定等缺點［9］?；谠撎攸c，請解釋為什么不能使用過期口罩？

學(xué)生分析：口罩出色的過濾性能主要源于其核心材料駐極體熔噴布捕獲電荷的能力。靜電駐極有電荷量低、電荷不穩(wěn)定等缺點，隨著時間的推移，當(dāng)熔噴布表面的電荷減少時，其對病毒顆粒的庫侖引力也會越來越小，吸氣時，完全可能出現(xiàn)F庫

（2）評價多次重復(fù)使用口罩的做法

教師提問：現(xiàn)實生活中有人將口罩多次重復(fù)佩戴，試評價這種做法是否正確，并說明其原因。

學(xué)生分析：在口罩的佩戴過程中，其所吸附的帶病毒顆粒會消耗一部分熔噴布上的電荷，因此口罩使用后，熔噴布上的電荷會被消耗得越來越少，如同過期的口罩一樣，庫侖引力變小，不能產(chǎn)生足夠的庫侖力來吸附帶病毒的顆粒，因此不具備防護效果，故多次重復(fù)使用口罩的做法是不可取的。

教師小結(jié)：經(jīng)過口罩防疫中物理專題課的復(fù)習(xí)，希望大家學(xué)會正確佩戴口罩，避免因使用不當(dāng)而造成感染風(fēng)險。

設(shè)計意圖：增強學(xué)生對知識的應(yīng)用與遷移能力。讓學(xué)生了解佩戴口罩的注意事項，感受生活中的物理。

課后練習(xí)：綜合運用物理知識嘗試分析靜電除塵器、靜電黑板擦等生活用具的工作原理。

6? ? 教學(xué)反思

本節(jié)課以社會熱點——“口罩防疫”為復(fù)習(xí)素材，按照“導(dǎo)入—提出問題—分析、解釋問題—拓展遷移”的教學(xué)設(shè)計思路，從定性和定量兩個方面分析，深化學(xué)生對之前所學(xué)物理概念和規(guī)律的理解，有助于學(xué)科知識體系的建構(gòu)。將復(fù)習(xí)課的素材從課內(nèi)延伸到課外，拓寬了學(xué)生的視野，激發(fā)了學(xué)生對實際問題思考的興趣，鍛煉了學(xué)生從時政素材中識別學(xué)科知識的能力，“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”素養(yǎng)也在對實際問題的解決過程中逐步提升。通過建模、分析、推理論證以及對物理知識的綜合應(yīng)用來探究口罩防疫中的物理，提高了學(xué)生復(fù)習(xí)、探究與應(yīng)用的綜合能力，學(xué)生課堂主體性得到了很好的體現(xiàn)，科學(xué)思維和科學(xué)探究的能力也得到了很好的培養(yǎng)。

誠然，教學(xué)中也存在些許不足，如將復(fù)雜的現(xiàn)實情境簡化成理想的物理模型是否嚴謹、合理，是否所有學(xué)生都能滿足各方面高階能力的要求?？偠灾?，本節(jié)復(fù)習(xí)課的各個環(huán)節(jié)都在不同程度上發(fā)展了學(xué)生的核心素養(yǎng)，體現(xiàn)了物理學(xué)科的育人價值和社會價值。

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（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）

收稿日期：2022-08-12

基金項目：延安大學(xué)“疫情防控和經(jīng)濟社會發(fā)展”專項研究計劃項目課題（YCX2022080）。

作者簡介：王純（1994-），女，碩士研究生，研究方向為中學(xué)物理教學(xué)。

*通信作者：曹冬梅（1974-），女，副教授，研究方向為中學(xué)物理教學(xué)。