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物理核心素养在教学中的实践——以“电势能和电势”为例

发表时间：2021/7/23 来源：《教学与研究》2021年6月上作者：周雅楠

[导读] 学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念，必备品格和关键能力。

中央民族大学附属中学周雅楠 100081

        学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念，必备品格和关键能力。物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。落实物理学科核心素养的要求，必须结合教学的实际情况，创造性的开展教学工作，将物理学科核心素养的培养贯穿于物理教学活动的全过程。而某一节课的实施必须依托于整个单元设计，下面以“电势能和电势”为例，阐述教学实践中对核心素养的落实。
        一、单元教学设计说明
        1、教学设计与实践的理论基础
        本章是选修 3 系列的第一章，是高中阶段电学内容的开始。这一章是高中阶段基础的内容之一。它既是电磁学知识的基础，又是光学等其他物理知识的重要基础，处于承上（力学）启下（电磁学）的重要位置。在单元设计上考虑如下几点：（1）渗透电磁学与力学的紧密联系。在教学中注重渗透力，功和能量的观念。在描述静电场的性质，从电荷在电场中受力和电荷在电场红具有能量两个角度出发。采用类比的方法将电学知识与力学有机联系，教会学生用相互联系，相互影响的观点去看待事物。（2）内容结构上形成稳固的“知识链”，突出知识间的递进关系，方便学生在原有知识的基础上学习新知识，有一个清晰的知识线索，学习上循序渐进，更好的构建和形成物理观念。（3）有效把握知识要求的层次。
        2、本单元学习对学生学科素养发展的价值
       学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。课堂教学应以促进学生物理学科核心素养的养成和发展为目标。本单元对学生学科素养发展的价值：（1）通过静电场中各种物理概念和规律的学习，加深对世界的物质性的认识，学会用这些观念解释自然现象，解决生产生活中的实际问题，如静电现象的应用，对电容器元件的认识和应用（2）通过点电荷，匀强电场等物理模型的建立，培养学生建构模型这种重要的科学思维方法。通过创设情境帮助学生理解电场强度是电场属性等问题，培养学生发展“比较—概括—抽象”的科学思维。（3）在实验探究中，渗透科学探究能力的培养，如探究电容器电容的影响因素，培养学生发现和提出问题，根据解决问题的需要，采取多样化的科技手段，收集和选择有用信息，进行科学论证。如利用 DIS 系统数据采集器研究电容器的充放电过程（4）通过静电场知识与生活和现代科技的联系，树立学生利用物理推动科技进步的科学意识和责任感，激发学生学习物理的兴趣。如静电现象的应用（5）通过学生的小组合作，讨论交流，发展学生的表达能力，让学生体验和享受合作的成果。通过引导学生在实验过程中如实记录，客观对待获取的实验数据，培养学生遵循基本的学术道德规范。（6）有助于系统化，过程性的掌握静电场知识，打破课时教学的局限性。（7）有助于凸显学科结构的整体性，连贯性（8）有助于实现学习主体的共生共创，通过师生互动建构知识体系，真正形成“学习共同体”。
        二、“电势能和电势”的教学过程
        1、教学内容分析
        上节是从力的角度出发研究电场性质，本节是从能量的角度研究电场性质。静电力做功的特点，电势能以及电势的概念是整个电场中重要的环节，起到了承上启下的作用。是渗透“通过做功研究能量变化”这一科学思想的重要环节。反证法，类比法，比值定义法等重要的物理研究方法也得到了重要体现，能很好的落实学物理学科核心素养。
        2、学习者分析
        学习困难：静电场是继引力场之后，学生又一次面临的有关“场”的问题。静电场中的概念比较抽象，不能用感官直接感受，不易理解，加上电场是分布在空间的，所以需要有较强的抽象思维能力和空间想象力，这是学生本单元学习中面临的主要困难。因此建立电势能和电势的概念是一个比较困难的过程。
        已有的学习经验和知识储备：（1）通过前面课程学习的铺垫，已初步领会了探究的主要环节和方法，也已形成了合作交流的良好习惯。（2）前面学生已经从力的角度出发，学习了研究电场性质的物理量——电场强度，接触了用电场线这种形象化的手段来描述看不见的静电场，初步掌握了用比值定义法来学习电场强度的方法（3）学习库仑定律时接触了用类比法将有关的电学知识与力学知识有机联系，初步形成了用相互联系、相互影响的观点去看待事物的思维方式。（4）研究机械能（如重力势能）时已经初步建立了通过做功研究能量变化的科学思想，为电势能的学习打下一定基础。
        3、学习目标确定
        （1）通过讨论静电力对试探电荷做功，知道静电力做功与路径无关的特点。
        （2）将静电力做功与重力做功进行类比，理解静电力做功与电势能变化的关系。认识电势能的相对性。
        （3）知道电势的定义方法及其定义公式、单位。
        通过类比方法思维特征的分析和体验，进一步感悟电势能概念的物理意义。
        4、学习评价设计
        整个教学过程中，教师创设物理情景，设置“问题链”，层层递进，师生间进行有效的课堂问答，学生通过小组讨论交流，对自己和同伴的学习进行评议和反思，以学案的形式对物理概念和物理规律进行书面总结，围绕物理学科核心素养要求、课程内容要求对学生进行阶段性的测试，以便全面有效的掌握学生学习情况。
        5、教学过程实施
        环节一：静电力做功的特点
        驱动型问题 1：物体在重力场中具有重力势能，电荷在静电场中也会有势能吗？
        创设情境：试探电荷在q 在电场强度为E 的匀强电场中沿几条不同路径从 A
        点移动到 B 点，计算不同情况下静电力对电荷做的功？
        驱动型问题 2：静电力做功有什么特点？运动路径是曲线时，如何处理？学习任务类型：老师创设不同情境，学生动手计算，总结规律
        促学评价：（1）关注学生能否猜想电荷在电场中具有势能，能否联系功与能的关系（2）能否正确求解两种情境下电场力做的功。（3）能否在第二种情境下合理运用“化曲为直”的思想解决问题？
        设计意图：通过提出问题，让学生大胆猜想，激发理论验证的兴趣。适度引导学生从“功能关系”入手。通过创设不同的物理情景，使学生利用前面已学的知识求解静电力做功，再次巩固“化曲为直”的解题方法。小组讨论总结规律，培养自主学习的习惯。
        环节二：建立电势能概念
        驱动型问题：
        1、静电力做功的这种特点大家有没有似曾相识的感觉呢？哪里学过？
        2、电荷在电场中有势能吗？你能给它起个名字吗？
        3、静电力做功与电势能有什么关系？
        4、重力势能具有相对性，电势能也具有相对性吗？
        5、质点在某点的重力势能等于把它从该点移动到零势能处的过程中重力做的功，电荷在某点的电势能也等于把它从该点移动到零势能出的过程中静电力做的功吗？
        6、重力势能等于物体与重力场组成的系统，电势能也属于电荷与静电场组成的系统吗？
        创设情境：有一电荷量q 306 C 的点电荷，从电场中的 A 点移到 B 点时，克服静电力做功6 10-4 J 。求：
        （1）电荷的电势能怎样变化？变化了多少？
        （2）以 B 为零势能点，电荷在 A 点的电势能 EpA 是多少？
        （3）如果把这一电荷从 B 点移到C 点时静电力做功9 10-4 J ，电荷的电势能怎样变化？变化了多少？
        （4）如果选取C 点为零势能点，则电荷在 A 点的电势能 Ep?A 又是多少？
        （5）通过这一例题你有什么收获吗？学习任务类型：通过类比重力场，理解电势能的概念，总结电势能的特点
        促学评价：类比重力场过程中，能否完整回忆重力势能特点，并与电势能进行一一对比，在解决具体的电势能问题中，对知识的应用是否熟练。
        设计意图：对中学生来说，建立电势能的概念是比较困难的过程，以静电力做功为切入点，引导学生认识静电力做功与路径无关。利用学生熟悉的重力场、重力做功和重力势能，在教学过程中突出类比法的思维特和思维过程，设置“问题链”，层层推进，适当强调类比过程的求证环节。希望学生能在体验类比法的优越性的同时，掌握电势能的有关知识，通过一个具体例题，对所学知识加以巩固提高。
        环节三：认识电势
        创设情境：在电场强度为 E 的匀强电场中，如图所示，规定电荷在 O 点的电势能为 0，A 为电场中任意一点。
        （1）把电荷+q 放在 A 点， EpA =？
        （2）把电荷+2q 放在 A 点， EpA =？
        （3）把电荷-q 放在 A 点， EpA =？
        （4）把电荷-2q 放在 A 点， EpA =？
        驱动型问题：
        （1）要描述电场本身的性质，可以用电势能 Ep 吗？
        （2）总结上述规律，能否找到一个物理量描述电场本身的性质？
        （3）电势有什么特点？
        学习任务类型：解决具体问题，通过类比的方法建立“电势”的概念，总结电势特点
        促学评价：能正确分析问题，自主思考，有小组讨论交流的意愿和能力，逻辑清晰，语言准确，能够联系电势能的特点以及类比重力场中的重力势，逐步建立“电势”的概念。
        设计意图：通过创设具体的物理情境，引导学生观察结果，总结规律，从中发现电势能这个物理量不仅与电场性质有关，还与试探电荷的电荷量有关。所以电势能不能用来描述电场的性质。引导学生寻找一个物理量，这个物理量应与试探电荷无关，仅仅有电场的性质决定。寻找“电势”的过程中学生之间会出现不同答案，通过师生互动，小组讨论，同伴评议加深对比值定义物理量的体验，由此得出电势的定义，再次类比重力场中的“重力势”，得出电势的特点。
        环节四：判断电势的高低
        驱动型问题：既然电势有大小，如何判断电场中两点电势的高低？
        创设情境 1：解答以下题目进行小结：如何根据试探电荷的电势能来判断电场中两点电电势的高低？
        （1）+q 在A 点的电势能比在B 点大，A、 B 两点哪点电势高？
        （2）-q 在C 点的电势能比在D 点大，C、 D 两点哪点电势高？
        （3）+q 在 E 点的电势能为负值，-q 在F 点的电势能是负值，E、F 两点哪点电势高？
        创设情境 2：电场线能表示场强的大小，能否表示电势的高低呢？
        判断+Q (－Q)的点电荷的电场中，沿着电场线电势如何变？

        学习任务类型：分析具体问题，总结普适规律
        促学评价：能够准确判断两点电势的高低
        设计意图：通过两个具体问题，从两个不同角度引导学生判断电场中两点电势的高低，以小组讨论的形式，得出判断电场中两点电视高低的普适规律。培养学生具有交流的意愿和能力，能准确表述物理规律和方法。
        三、结束语
        课堂教学过程中，始终坚持以学生为主，通过创设物理情景，设置“问题链”，层层递进深入，逐步引导学生建立电势能和电势的概念，通过小组讨论，绝大多数学生能够参与到教学中，也能积极发表自己的观点，进行同伴评议。但由于对前面知识的巩固不到位，在联系重力场和电场的过程中，浪费了一定的时间，同时因为开放性问题的设置，学生讨论交流时间较长，虽然实现了思想的碰撞，有利于学生对知识的理解认识，但也占用了一定的时间。
        改进建议：在课前设置复习任务，节省课上时间，也能更好的让学生进入到新课教学中，问题设置上还应进一步细化，优化。