高中电场强度概念建构的多重表征策略.pdf

Vol.41 No.8物理教学探讨2023年第8 期高中电场强度概念建构的多重表征策略望江平厦门海沧实验中学，福建厦门3 6 1 0 2 6摘要：电场强度是高中物理教学的重难点，通过多重表征策略可以促进学生建构电场强度概念。主要策略有：一是经历“场”的发现历程，建立“场”的意义表征；二是运用类比法，明晰研究“场”的方法表征；三是深入理解比值定义法，强化科学思维表征；四是运用概念图，揭示联系与转化，强化结构表征。关键词：场；电场强度；概念教学；多重表征中图分类号：G633.7物理概念是客观物理现象和过程的共同特征和本质属性在人脑中的反映，是进行物理逻辑思维的基础。物理学的框架就是由一个个物理概念所搭建，概念之间的联系就是物理规律。有效的物理概念教学能引导学生认识客观世界，建构知识体系，形成物理观念，发展科学思维。电场强度的概念一直是高中物理的教学重难点，本文从多重表征的角度探讨建立电场强度概念、理解其内涵和外延之策略。1经历“场”的发现历程，建立“场”的意义表征依据一般高中学生认知发展水平，看不见、摸不着的电场具有高度抽象性，用以描述“场”本质属性的电场强度概念更是抽象中的抽象,因此要理解电场强度必须先丰富对电场的认识。有学者说，学习知识最好的方式是通过知识的发现过程来学习。通过回溯物理学史中“场”概念的建立，可以赋予电场以意义和形象，有助于学生对概念形成初步的认知。高中物理教材中对“场”的发现历程只做了简单的介绍，教学中要发掘物理学史中相关史实资料的教育价值。关键是引导学生认识两个问题：一是为什么要建立“场 的概念。学生应明确是为了解决万有引力、电场力、磁场力这类没有相互接触的物体其相互作用力的传递机制问题。二是“场 的概念是如何确立的。“场”的建立在历史上经历了长时间的争论。牛顿的万有引力收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 6基金项目：厦门市海沧区教育科研课题“物理问题解决中的问题表征策略研究”(Z2020Z011)。作者简介：望江平（1 9 8 0-），男，中学高级教师，主要从事高中物理教学工作。文献标识码：A文章编号：1 0 0 3-6 1 4 8(2 0 2 3)8-0 0 1 3-3定律支持超距作用观点，但牛顿本人倾向于以太观，他曾在文中写道：“很难想象一个物体可以通过真空超距地作用在另一个物体上，这种观点在我看来是荒唐之极”1 。事实上，牛顿在1 6 7 0 年论空气和以太中提到了铁屑在磁场中排列的现象,并把原因归结为“以太”2 1。法拉第在1 8 3 1年发现电磁感应定律，他在电磁感应的论文中使用了“磁力线”的概念，并通过磁场中的铁屑分布进行演示，随后在1 8 3 2 年又提出“电力线”的概念，但此时的法拉第还没有明确提出“场”的概念。随后1 8 3 7 年到1 8 4 4 年法拉第做了大量的光和磁关系实验、电化学实验、电磁感应和偏振光实验，他开始否定牛顿和道尔顿的原子论，转而用波斯考维奇的原子论来解释电和磁的传递机制，并于1 8 4 5 年1 1 月7 日的日记中首次提出“磁场”一词。根据科技史学家阎康年的研究，法拉第的实体场概念是沿着这样的研究顺序提出来的：磁力线一电化学一光的偏振性一导磁性和导电性一批判道尔顿的原子概念一波氏的力心原子一磁场一场。之后，汤姆孙提出电磁质量的概念；麦克斯韦提出能量定域在电磁场中，从而赋予场能量；俄国物理学家列别捷夫证明了光压的存在，表明电磁场也具有动量。至此，实体场的概念才真正建立。通过“场”概念的建立过程，让学生回溯科学历程，在情感态度上增强学习的意义感。另一方面，夸美纽斯说：“凡是需要知道的事物，都要通一 1 3 一2023年第8 期过事物本身来进行教学。”在讲述发现历程时，配合重做法拉第的实验，让学生观察铁屑在磁场中的分布、发屑在电场中的分布,让学生对“场”的存在建立直观的印象。2运用类比法，明晰研究“场”的方法表征类比是将一类事物的某些相同方面进行比较,以另一事物的正确或谬误证明这一事物的正确或谬误的一种方法。物理教学中合理运用类比法可以把陌生的物理量与学生熟悉的事物联系起来，减少学习障碍。教学中比较常见的是把电场与重力场进行对比,这样的对比存在一些缺陷：一是在电场之前的教学中并没有专门提出过重力场的概念，也就没有重力场强度等相关认知；二是重力场对于学生而言,也是一个抽象的概念。因此，这种类比是建立在教师认知上的，缺少对学情的考虑。运用类比法进行抽象概念的教学，需要利用学生确实具备的、有体验的生活常识和经验，把抽象枯燥的物理知识具象化，激发学生的探索兴趣。在电场教学中可以创设这样的情境：一个房间，只有一扇紧闭的窗户，通过窗户只能看见对面的一堵白墙,房间里的人怎样才能知道窗外是否有风？风向朝哪？这里根据学生对风的体验，创设了一个与电场类似的看不见、摸不着的“风场”。房间里面的人要知道外面的风向，可以在窗外放置一面红旗，通过红旗飘动的状态就能确定风力的大小、方向。这是因为“风场”对放入其中的红旗具有力的作用，这种力的作用是显性的。通过类比,要研究电场也要根据其基本性质让“场”的作用显化，电场的基本性质是对放入其中的电荷具有力的作用，因此在电场中放入试探电荷就相当于在“风场中放置红旗。通过类比让学生体会到电场虽然看不见、摸不着，但也是可以感知的，抓住这一特征就能开展对电场的研究,从而建立基本的研究方法表征。3深入理解比值定义法，强化科学思维表征通过“风场”的类比，学生建立起通过研究电荷在电场中的受力来研究电场的方法。在电场的同一个点放置不同大小的电荷，电场力不相同，说明电场力并不是描述电场本质属性的物理量一一因为本质属性不会随着试探电荷的变化而变化。教材到此就直接给出用F和g的比值来表示电场强度。比值定义法对于学生来说并不陌-14-物理教学探讨生，速度、密度、比热容、电阻、加速度等概念就是通过比值定义的，它适用于物质属性或特征、物体运动特征的定义。如果只是告诉学生定义，把公式纯粹的数学化，不探究所定义的概念与有关概念的依存关系和物理过程，就忽视了比值定义法的丰富内容，导致学生死记硬背和生搬硬套。首先，要建立比较的“属性”，即要比较什么。学生建立电场概念后，根据电场对电荷的作用，就会建立电场有强弱的物理观念，这里的强弱就是要比较的属性。其次,要明确比较的标准,在电场中通过改变试探电荷的电量q，电场力F也会相应改变，这种变化关系可以引导学生找到比较的物理量。然后,要确定比值的可测量、可比较性。为什么用三？用%是否可行？以孤立点电荷电场F为例，离场源电荷越近，用三得到的数值就越大,更符合人们的认知习惯。最后,要对比较量与新定义物理量的关系作出解释，明晰三者的关系。深人挖掘比值定义法的科学思维，让学生明确为什么要比？怎么比？比值是否具有科学性、合理性？从而更好地建立电场强度的概念，同时也在学生头脑中构建比值定义法的科学思维表征。4运用概念图，揭示联系与转化，强化结构表征学生按照教材顺序学习的概念是以单点结构的方式存储在大脑。如果没有进行及时整合，将知识按其内在逻辑关系形成结构化认知，就会造成混乱和迁移困难。以电场为例,涉及的概念有电场力、电场强度、电势能、电势、电势差等，都是高中物理教学的难点，不致力于建构这些概念间的联系，孤立地学习一个个概念必然会事倍功半。概念图是一种知识以及知识之间的关系的网络图形化表征，也是思维可视化的表征，一般由节点、链接和相关文字标注组成。有研究证据显示，知识在脑中是以命题为基本单位，采用阶层式储存的，概念图的主要目的是反映知识元素的组织,因此有助于知识的理解与有意义学习的开展。在完成单个知识点的学习后，引导学生以主题单元为标准，通过概念图建立知识点间的联系，促进知识的结构化生长。图1 是电场的单元知识概念图，以静电场为核心概念，分别从“力”“能”两方面描述电场，定义电场强度和电势、电场线与等势面，然后寻找这些概念间的相互关联。Vol.41 No.8Vol.41 No.8物理教学探讨应用平行板电容器2023年第8 期应用、互相垂直电场线形象描述电场表现一力的性质力本质属性EE等势面疏密相关形象描述静电场能的性质一表现一本质属性EP=电势能电场强度ELd电势差WAB=qUAB做功WAB=-AE,图1 电场的单元知识概念图在教学中，通过合理使用概念图，可以实现1张恩德.物理观念的内涵解读与意义生成J.课程教知识显性化，更全面地呈现知识结构，可以发挥材教法,2 0 2 1,4 1(8):1 1 1-1 1 7.唤醒记忆、厘清关系、引导认知及促进理解的2蒋炜波.关于比值定义相关问题的探讨J.物理教学，作用。2020,42(11):31-34.3阎康年.法拉第原子论观点的转变与场概念的起源J综上所述，电场强度这类抽象概念的教学，物理,1 9 9 1(1 2)：7 5 0-7 5 5,7 3 6.应创设多种情境，引导学生从不同角度认识电场4方咸围，陈海英，陈志伟“场”概念的发展与对中学强度，丰富学生的认知体验，实现对概念的多重“电场”“磁场 概念教学的思考J.物理教师，2 0 0 8,2 9（6)：表征，才能更好地理解和内化。10-11.参考文献：(上接第1 2 页）3.3设设计进阶性的任务链，提高问题解决的能力任务链的设置要有进阶性，通过一个个的“任务”来“驱动”学生构建知识与技能。任务设置中隐含评价主线，学生不断发现问题,及时纠正，提高了学习效率，收获了成功的喜悦。如“电动机”复习课设计进阶性任务链：通电后爆玻器为什么能自动击碎玻璃一拆解爆玻器、观察结构一回顾电动机转动方向的影响因素一探究电动机转动快慢的影响因素一分析爆玻器内部结构图一探寻爆玻器3 秒内碎玻的秘密。4实践反思任务型复习课依据学情设计课程，优化了课程组织方式,加强了科学与生活的联系，促进了电势UAB=PA-PB变化（栏目编辑屏赵保钢）学生将片段化的知识融会贯通，提高了分析解决实际问题的能力,达到了培养核心素养的目的，为跨出复习课“盲目、机械、低效”的怪圈提供了学习范式。但在实践过程中，教师还需要注意：任务的设置要难易适中，让学生跳起来能够摘到“果实”,增加满足感；在活动进行中，教师要学会对学生放手，不要因为各种原因而过多干预。教师把控性太强的课堂，学生思维的活跃度和能力的提高在极大程度上会受到抑制。参考文献：1中华人民共和国教育部.义务教育科学课程方案（2 0 2 2年版)S.北京：北京师范大学出版社，2 0 2 2:1 4.2陈锋.初中科学教学设计指导M.杭州：浙江大学出版社,2 0 2 2:3.3中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准（2 0 2 2年版)S.北京：北京师范大学出版社，2 0 2 2:4 4,4 6.(栏目编辑赵保钢)-15