摘?要：物理概念因其具有高度的概括性、抽象性，一直是物理教學(xué)的難點(diǎn).其關(guān)鍵在于學(xué)生不能夠?qū)⑿赂拍罴{入原認(rèn)知結(jié)構(gòu)之中，進(jìn)而難以理解物理概念的內(nèi)涵.但根據(jù)奧蘇貝爾有意義學(xué)習(xí)理論，若在物理概念教學(xué)中巧妙設(shè)計(jì)先行組織者策略，學(xué)生便能提前意識(shí)到新舊概念間的邏輯結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使概念教學(xué)的難度大大降低.本文針對(duì)電勢(shì)能這節(jié)內(nèi)容，精心設(shè)計(jì)了包括演示實(shí)驗(yàn)、知識(shí)對(duì)照表、思維流程圖三種形式的先行組織者用于概念的講授，極大地降低了概念教學(xué)的難度.同時(shí)也為物理教育研究生及新教師如何將先行組織者策略用于物理概念教學(xué)提供參考實(shí)例.

關(guān)鍵詞：物理概念教學(xué);有意義學(xué)習(xí)理論;先行組織者策略;電勢(shì)能

文章編號(hào)：1008-4134（2020）07-0017中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：楊帆（1994-），男，陜西人，碩士，中學(xué)二級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理有效教學(xué)策略以及新課改研究.

1?理論背景

1.1?先行組織者

先行組織者最早是由美國(guó)教育心理學(xué)家?jiàn)W蘇貝爾基于其有意義學(xué)習(xí)理論提出的一種教學(xué)策略，它是指“呈現(xiàn)于新的教學(xué)內(nèi)容之前的關(guān)于學(xué)習(xí)主題內(nèi)容的引導(dǎo)性材料，這個(gè)前導(dǎo)性材料的抽象性、一般性和概括性都高于正式學(xué)習(xí)材料[1].組織者在認(rèn)知結(jié)構(gòu)上與前后知識(shí)都有聯(lián)系，其目的就是在學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)為其提供一個(gè)在舊有認(rèn)知結(jié)構(gòu)上同化新知識(shí)的固著點(diǎn)，因此在教學(xué)中起到連接新舊知識(shí)的橋梁作用.

根據(jù)先行組織者對(duì)新知識(shí)學(xué)習(xí)所起到的作用不同，可將組織者分為陳述性組織者和比較性組織者.陳述性組織者比新知識(shí)概括性和抽象性高，在認(rèn)知結(jié)構(gòu)上與新知識(shí)之間是上位關(guān)系，旨在為新知識(shí)提供一種類屬關(guān)系.比較性組織者與新知識(shí)之間并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系，但其能幫助學(xué)習(xí)者區(qū)分舊知識(shí)與新知識(shí)的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，從而將概括性觀念滲入學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，有利于正式材料的學(xué)習(xí).

1.2?先行組織者應(yīng)用于物理概念教學(xué)的教學(xué)策略

物理概念是某類物理現(xiàn)象和物理過(guò)程的共同性質(zhì)和本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映，是對(duì)物理現(xiàn)象、物理過(guò)程抽象化和概括化的思維形式.在中學(xué)物理教學(xué)中，學(xué)生對(duì)物理概念內(nèi)涵的掌握是學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)科的基礎(chǔ)[2].從認(rèn)知學(xué)習(xí)理論角度而言，學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的過(guò)程其實(shí)質(zhì)是大腦中物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)的不斷擴(kuò)充與重構(gòu).但物理概念往往具有較高的抽象性、邏輯性，這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)物理時(shí)感到晦澀難懂、難以理解.其中關(guān)鍵原因在于學(xué)生不能將新的物理概念與大腦中已有的知識(shí)形成實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系，從而不能理解和掌握新概念的本質(zhì)和內(nèi)涵.然而巧妙利用先行組織者策略使學(xué)生在接受新知識(shí)之前提前在大腦中形成聯(lián)結(jié)新知識(shí)的固著點(diǎn)，如此學(xué)生能夠更快地把握新舊知識(shí)間的邏輯結(jié)構(gòu)，進(jìn)而將新的物理概念同化于已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)之中，這樣學(xué)生才能真正把握新概念的內(nèi)涵與本質(zhì).

結(jié)合物理概念教學(xué)的規(guī)律以及先行組織者的基本形式，制定如下幾種策略：

1.2.1?以演示實(shí)驗(yàn)作為先行組織者的教學(xué)策略

物理演示實(shí)驗(yàn)具有直觀性，因此，演示實(shí)驗(yàn)作為先行組織者主要用于概念的導(dǎo)入.學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象形成對(duì)新概念的直觀感知，建立表象.其次，最重要的是設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理要是學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)原理所涉及到的物理概念要統(tǒng)攝新概念，前者是后者的上位概念.這為新概念的引入提供固著點(diǎn).

1.2.2?以文本材料作為先行組織者的教學(xué)策略

文本材料的先行組織者主要以閱讀材料的方式呈現(xiàn)，其內(nèi)容可以是物理史料、科學(xué)趣事、理論推導(dǎo)過(guò)程、知識(shí)對(duì)照表格.教師可以提前將文本打印出來(lái)，在上課前分發(fā)給學(xué)生.另外，文本閱讀要配合教師的引導(dǎo)，或是學(xué)生以合作學(xué)習(xí)的方式完成閱讀任務(wù).同時(shí)針對(duì)文本材料和新的物理概念教師要合理設(shè)計(jì)與之相關(guān)的問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生對(duì)材料核心概念之間邏輯關(guān)系思考，如此才能起到先行組織者的作用.

1.2.3?以課件資源作為先行組織者的教學(xué)策略

教學(xué)課件是日常教學(xué)的主要輔助手段，它能高效清晰地呈現(xiàn)出一節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容.但其絕不是對(duì)教學(xué)內(nèi)容的簡(jiǎn)單羅列.作為先行組織者可以是一張PPT也可以是flash動(dòng)畫.課件內(nèi)容的設(shè)計(jì)必須具有引導(dǎo)性、邏輯性，要能夠讓學(xué)生將新知識(shí)與舊知識(shí)聯(lián)系起來(lái).除了具體指示的呈現(xiàn)，課件內(nèi)容也可以呈現(xiàn)科學(xué)研究思路，讓學(xué)生順藤摸瓜，對(duì)新知識(shí)進(jìn)行探究學(xué)習(xí)[3].

2?實(shí)例分析

本文以人教版教材第一章靜電場(chǎng)的“第四節(jié)電勢(shì)能與電勢(shì)一”為例，詳細(xì)介紹以上三種策略如何應(yīng)用于課堂教學(xué).

2.1?演示實(shí)驗(yàn)、引入概念

電勢(shì)能的概念較為抽象，學(xué)生難以直觀感知到電勢(shì)能的存在，而物理實(shí)驗(yàn)具有形象直觀的特點(diǎn).因此想到利用演示實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)引入電勢(shì)能[5].另外，從先行組織者理論來(lái)看，引入階段的關(guān)鍵在于為學(xué)生提供某一統(tǒng)攝電勢(shì)能的上位概念，由這一上位概念出發(fā)，學(xué)生能夠利用舊知識(shí)通過(guò)邏輯推導(dǎo)自然地引入電勢(shì)能這一下位概念.于是，筆者通過(guò)搜索相關(guān)資料設(shè)計(jì)了“帶電小球在平行金屬板中的運(yùn)動(dòng)”這一實(shí)驗(yàn).如圖1，當(dāng)平行金屬板不帶電時(shí)，帶電小球處于靜止?fàn)顟B(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)感應(yīng)起電機(jī)平行板帶電，板間產(chǎn)生電場(chǎng)，于是在電場(chǎng)力的作用下小球運(yùn)動(dòng)，小球也就具有動(dòng)能.考慮到學(xué)生上一學(xué)期已經(jīng)學(xué)習(xí)了能量守恒定律，于是，學(xué)生從能量守恒原理出發(fā)可順理成章地推理出小球的動(dòng)能是由某一未知的能量轉(zhuǎn)化而來(lái)，進(jìn)而引入電勢(shì)能這一概念.在這里上位概念便是能量，而能量守恒定律就是已有的舊知識(shí).所以通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生便能在已有認(rèn)知基礎(chǔ)上衍生出新的?“下位概念”-電勢(shì)能.所以，演示實(shí)驗(yàn)便作為認(rèn)知橋梁將舊知識(shí)與新知識(shí)連接了起來(lái).因此，該演示實(shí)驗(yàn)本質(zhì)上也就扮演著先行組織者的角色.

2.2?對(duì)照表格、類比概念

通過(guò)實(shí)驗(yàn)引入電勢(shì)能之后，學(xué)生并沒(méi)有掌握電勢(shì)能概念的基本內(nèi)涵.因此，下一步要解決的核心問(wèn)題就是如何引導(dǎo)學(xué)生并給出電勢(shì)能的定義，建立電勢(shì)能的概念.眾所周知，電勢(shì)能屬于勢(shì)能，要給出電勢(shì)能定義就要類比重力勢(shì)能.如果課程設(shè)計(jì)中只是單純類比重力做功討論電場(chǎng)力做功特點(diǎn)，這種教學(xué)方式略顯突兀.學(xué)生只是機(jī)械地類比兩種力做功特點(diǎn)，而沒(méi)有進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到兩個(gè)力場(chǎng)在力學(xué)性質(zhì)方面的一致性.這不符合有意義學(xué)習(xí)的理念.只有當(dāng)學(xué)生認(rèn)識(shí)到重力及重力場(chǎng)與電場(chǎng)力及電場(chǎng)兩者在力學(xué)上具有眾多相似性，才能自然而然地想到電場(chǎng)力做功與重力做功也具有相似性.因此，學(xué)生也就意識(shí)到這種新的能量（電勢(shì)能）與重力勢(shì)能相似.基于此，筆者決定應(yīng)該先引導(dǎo)學(xué)生比較發(fā)現(xiàn)兩種場(chǎng)在力學(xué)性質(zhì)方面有諸多相似之處，這樣學(xué)生便可順理成章地導(dǎo)出兩種力場(chǎng)在能量方面也具有相似之處[4].

比較兩者力學(xué)性質(zhì)可以表格的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，如表1所示.它相當(dāng)于扮演著先行組織者的角色.因?yàn)椋渥饔糜幸韵聨c(diǎn)：其一，學(xué)生提前回憶了重力場(chǎng)、靜電場(chǎng)的力學(xué)相關(guān)知識(shí);其二，為學(xué)生提供一種認(rèn)知結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的上位概念即指兩種力場(chǎng)，下位概念指兩種力場(chǎng)都分別具有力的性質(zhì)和能的性質(zhì);其三，聯(lián)結(jié)新舊知識(shí)，即將舊的重力勢(shì)能相關(guān)知識(shí)與新的電勢(shì)能這部分知識(shí)通過(guò)表格聯(lián)系了起來(lái).

2.3?科學(xué)探究、定義概念

經(jīng)過(guò)以上兩個(gè)階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生已充分認(rèn)識(shí)到靜電場(chǎng)和重力場(chǎng)有眾多相似之處，下一步便可自然地啟發(fā)學(xué)生以小組為單位自主地模擬重力勢(shì)能的建立過(guò)程，來(lái)建立電勢(shì)能的概念.該過(guò)程以學(xué)生自主探究的方式展開(kāi)，主要涉及以下幾個(gè)步驟.首先，學(xué)生根據(jù)重力勢(shì)能來(lái)猜想影響電勢(shì)能的因素有哪些？電勢(shì)能是否具有哪些性質(zhì)？電勢(shì)能的改變量與電場(chǎng)力做功之間有什么關(guān)系？其次，在猜想的基礎(chǔ)之上，老師以PPT（見(jiàn)圖2）的方式概括出重力勢(shì)能建立的關(guān)鍵幾步，以此作為先行組織者清晰展現(xiàn)出勢(shì)能建立的邏輯脈絡(luò)，學(xué)生便可順藤摸瓜，進(jìn)行理論推導(dǎo)得出電勢(shì)能的概念和表達(dá)式.在學(xué)生們得到各自定性或定量結(jié)論之后，引導(dǎo)學(xué)生分組對(duì)結(jié)論進(jìn)行分析論證，驗(yàn)證學(xué)生以上猜想是否合理.最后，老師與學(xué)生一起歸納總結(jié)以上探究過(guò)程，進(jìn)一步深化對(duì)電勢(shì)能概念的理解.

3?課堂實(shí)錄

以下是筆者在一次實(shí)踐教學(xué)中的實(shí)錄情況.

3.1?導(dǎo)入環(huán)節(jié)

教師指著感應(yīng)發(fā)電機(jī)問(wèn)道：“同學(xué)們剛才研究了半天這個(gè)家伙，你們知道它的用途是什么嗎？”全班同學(xué)默不作聲，只等老師揭曉答案.

老師說(shuō)道：“這家伙的學(xué)名叫感應(yīng)起電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)它的手柄金屬桿的兩端便會(huì)聚集大量電荷，今天我們就用它來(lái)做一個(gè)課前演示實(shí)驗(yàn).我們上節(jié)課學(xué)習(xí)了靜電場(chǎng)，同學(xué)們認(rèn)為帶電物體位于電場(chǎng)中是否具有能量？”

這時(shí)，全班學(xué)生陷入沉思，有人說(shuō)有，有人說(shuō)沒(méi)有.當(dāng)老師詢問(wèn)同學(xué)們的猜測(cè)依據(jù)時(shí)，沒(méi)有一位學(xué)生能回答得上來(lái).這時(shí)老師叫起一向反映活躍的課代表張同學(xué)：“你來(lái)試試看”.張同學(xué)道：“我也不好說(shuō)，因?yàn)殡妶?chǎng)看不見(jiàn)、摸不著，如何知道帶電體在電場(chǎng)中具有能量呢？”同學(xué)們似乎都與張同學(xué)有同樣的疑惑.這時(shí)老師又道：“即便電場(chǎng)看不見(jiàn)、摸不著，但是下面可以通過(guò)一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)間接證實(shí)電場(chǎng)具有能量”.

一邊說(shuō)話的功夫，老師已將演示實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)試就緒.之后他問(wèn)道：“哪位同學(xué)愿意配合老師完成這個(gè)任務(wù)？”只見(jiàn)張同學(xué)第一個(gè)舉手示意，老師便叫他上來(lái)并告訴他實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，自己只需搖動(dòng)感應(yīng)起電機(jī)的手柄.同時(shí)他提示全班學(xué)生注意當(dāng)張同學(xué)搖動(dòng)手柄的同時(shí)，及時(shí)觀察金屬板之間的被鋁箔包裹著的小球的運(yùn)動(dòng)情況.并要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后描述小球的運(yùn)動(dòng)情況，并讓學(xué)生解釋為什么這樣能夠證明電勢(shì)能的存在.話畢，張同學(xué)開(kāi)始搖動(dòng)手柄，只見(jiàn)小球快速向右擺動(dòng).

老師立即提問(wèn)道：“哪位同學(xué)能夠描述一下剛才的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并說(shuō)明通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象我們能得出什么結(jié)論？”齊同學(xué)站起來(lái)答道：“在張同學(xué)搖動(dòng)手柄之后，小球開(kāi)始擺動(dòng)”.老師道：“那為什么搖動(dòng)之前沒(méi)有擺動(dòng)呢？”齊同學(xué)道：“因?yàn)閾u動(dòng)之后平行板之間就有了電場(chǎng)，電場(chǎng)對(duì)小球有力的作用，所以小球發(fā)生了擺動(dòng)”.老師又問(wèn)道：“這又怎么能說(shuō)明帶電小球在電場(chǎng)中具有能量呢？”這時(shí)張同學(xué)立即答到：“小球有動(dòng)能，這個(gè)能量就是動(dòng)能”.老師道：“那小球的動(dòng)能又是怎么來(lái)的呢？”張同學(xué)又道：“因?yàn)殡妶?chǎng)力對(duì)小球做了功”.老師緊隨其后問(wèn)道：“根據(jù)功能原理，做功勢(shì)必伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，那么同學(xué)們猜測(cè)一下應(yīng)該是什么能與什么能之間發(fā)生了轉(zhuǎn)化呢？”

同學(xué)們此時(shí)都意識(shí)到小球擺動(dòng)所具有的動(dòng)能應(yīng)該是某一能量轉(zhuǎn)化而來(lái)的，但又具體說(shuō)不上來(lái).于是老師說(shuō)道：“同學(xué)們，在剛才小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的能量就是我們剛才要證實(shí)的帶電體在電場(chǎng)中所具有的一種能量.它就是今天要學(xué)習(xí)的——電勢(shì)能”.

3.2?類比環(huán)節(jié)

在成功引入電勢(shì)能概念之后，接下來(lái)，老師的教學(xué)任務(wù)是讓學(xué)生明確為什么要引入電勢(shì)能，這樣做的意義是什么？于是，老師又問(wèn)道：“剛才我們已經(jīng)得知帶電體在電場(chǎng)中時(shí)具有某種能量，那么為什么我們要研究這種能量呢？其次，這種能量為什么叫電勢(shì)能？”

學(xué)生們看上去似乎對(duì)這一問(wèn)題感到十分詫異.于是老師道：“回答這個(gè)問(wèn)題之前，先給大家講述一段史料”.老師向?qū)W生們講述了19世紀(jì)偉大的物理學(xué)家亥姆霍茲是如何類比力學(xué)中的勢(shì)能引入電勢(shì)能于靜電場(chǎng)的過(guò)程.同學(xué)們這時(shí)也聽(tīng)得津津有味，正在學(xué)生們意猶未盡之時(shí)，老師道：“同學(xué)們想不想經(jīng)歷一下當(dāng)年這位偉大的物理學(xué)家的思路歷程呢？”同學(xué)們異口同聲道：想.

老師示意課代表將提前準(zhǔn)備好的先行組織者材料，即“兩種力場(chǎng)力學(xué)特征比較表”分發(fā)給每個(gè)學(xué)生.他告訴學(xué)生：“當(dāng)年亥姆霍茲就是從比較重力場(chǎng)與靜電場(chǎng)的力學(xué)特征開(kāi)始的.為便于同學(xué)們進(jìn)行系統(tǒng)的比較，請(qǐng)大家認(rèn)真閱讀這張表并填寫在表格中的空白之處，完成之后你們會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)兩種場(chǎng)具有驚人的相似之處”.

懷著強(qiáng)烈的求知欲和好奇心，學(xué)生們各自埋下頭來(lái)認(rèn)真地完成表格.老師注意到大部分學(xué)生已經(jīng)完成任務(wù).于是問(wèn)道：“同學(xué)們，看完這張表你們有什么發(fā)現(xiàn)嗎？”這時(shí)學(xué)生都看著表格，仿佛若有所思.老師又問(wèn)：“自然界有諸多對(duì)稱之處，啟動(dòng)你們的慧眼仔細(xì)看看這張表有沒(méi)有對(duì)稱之處呢？”話音剛落，只見(jiàn)田同學(xué)舉手說(shuō)道：“電荷受到的電場(chǎng)力與重物所受萬(wàn)有引力兩個(gè)表達(dá)式在形式上十分相似，它們都是與距離平方成反比的力”.老師激動(dòng)地說(shuō)道：“說(shuō)得好！除此之外其他同學(xué)還有沒(méi)有類似的發(fā)現(xiàn)呢？”這時(shí)，一直默不作聲的王同學(xué)站起來(lái)說(shuō)道：“我發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)力除了具有相似的表達(dá)式之外，它們的方向都是指向場(chǎng)源中心的，而且電荷附近的電場(chǎng)線與地球附近的重力場(chǎng)線方向都是豎直向下的.”老師接著說(shuō)：“既然電場(chǎng)線方向都一致，那么這樣的場(chǎng)我們就可以近似將它看作什么場(chǎng)呢？”全班學(xué)生齊聲答道：“勻強(qiáng)場(chǎng)”.

老師又問(wèn)：“既然兩種力場(chǎng)相似之處有如此之多，那他們?cè)诒举|(zhì)上是不是應(yīng)該類屬于同種力場(chǎng)呢？”同學(xué)們仿佛若有所思，但又具體說(shuō)不上來(lái).老師又道：“同學(xué)們，這兩種力場(chǎng)實(shí)際上有一個(gè)共同的名稱，叫保守力場(chǎng)”.

這時(shí)，老師認(rèn)為學(xué)生們已充分意識(shí)到兩種力場(chǎng)類屬保守場(chǎng)這一上位概念.又提問(wèn)道：“同學(xué)們，通過(guò)剛才的討論我們知道重力場(chǎng)和靜電場(chǎng)都是保守場(chǎng)，那么我們除了從力學(xué)角度研究保守場(chǎng)之外，還應(yīng)該從哪個(gè)角度研究它呢？”這時(shí)，王同學(xué)答道：“重力場(chǎng)有重力勢(shì)能，那么靜電場(chǎng)也應(yīng)該有電場(chǎng)力勢(shì)能.”老師補(bǔ)充道：“非常棒！當(dāng)年亥姆霍茲和你有一樣的想法，不過(guò)他和你的叫法不一樣.實(shí)際上，當(dāng)亥姆霍茲發(fā)現(xiàn)了兩種場(chǎng)有著驚人相似之處時(shí)，他便立即想到它們?cè)谀芰糠矫嬉矐?yīng)該是相似的，于是他類比重力場(chǎng)的重力勢(shì)能，提出靜電場(chǎng)應(yīng)該具有電勢(shì)能.電勢(shì)能概念的建立使得人們對(duì)靜電場(chǎng)的研究又推進(jìn)了一步.同學(xué)們，這就是類比的力量”.

3.3?自主探究，建立電勢(shì)能概念

在上述討論之后，老師因勢(shì)利導(dǎo)問(wèn)道：“既然我們剛才一致認(rèn)為有相似之處，那么我們是不是可以類比重力勢(shì)能的建立過(guò)程來(lái)建立電勢(shì)能的概念呢？”學(xué)生們紛紛表示贊成.于是，按照原計(jì)劃老師開(kāi)始引導(dǎo)學(xué)生們進(jìn)行自主探究，獨(dú)立完成對(duì)電勢(shì)能概念的建立.

3.3.1?類比重力勢(shì)能，合理進(jìn)行猜想

老師對(duì)學(xué)生道：“重力場(chǎng)對(duì)應(yīng)能量形式為重力勢(shì)能，下面請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)重力勢(shì)能的相關(guān)屬性，大膽猜測(cè)一下電勢(shì)能應(yīng)該具有哪些屬性？”這時(shí)何同學(xué)站起來(lái)說(shuō)道：“重力勢(shì)能是重物和地球所共同具有的能量，因此電勢(shì)能也應(yīng)該為電荷和場(chǎng)源電荷所共同具有的能量”.老師立即表示肯定，說(shuō)道：“很聰明，重力勢(shì)能既然具有系統(tǒng)性，電勢(shì)能也理應(yīng)具有系統(tǒng)性.其他同學(xué)還有不同的想法嗎？”這時(shí)課代表張同學(xué)站起來(lái)說(shuō)道：“重力勢(shì)能的大小取決于零勢(shì)能面的選取，電勢(shì)能大小的確定也要事先規(guī)定好零勢(shì)能面.”老師補(bǔ)充道：“對(duì)，重力勢(shì)能具有相對(duì)性，那么電勢(shì)能也具有相對(duì)性.”

經(jīng)過(guò)前面兩位同學(xué)的發(fā)言，其他學(xué)生似乎受到了啟發(fā)，陸續(xù)開(kāi)始發(fā)言.有人認(rèn)為電勢(shì)能大小與所處電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，有人認(rèn)為電勢(shì)能大小與電荷量有關(guān).大家你一言我一語(yǔ)，課堂氣氛十分活躍.這時(shí)，老師立即切入正題道：“同學(xué)們想法都很合理，如何證實(shí)你們的猜測(cè)呢？”

3.3.2?理論推理演繹，確立勢(shì)能概念

到目前為止，學(xué)生大腦中對(duì)電勢(shì)能已形成初步認(rèn)知，但對(duì)概念缺少明確的定義.因此，下一步老師開(kāi)始引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)的方式，讓他們對(duì)電勢(shì)能做出明確的定義.在開(kāi)始之前，李老師將PPT播放到對(duì)應(yīng)頁(yè)面，這一頁(yè)面上呈現(xiàn)的是重力勢(shì)能建立過(guò)程的思維流程示意圖（如圖2），這便是筆者所設(shè)計(jì)的第三個(gè)先行組織者材料.其目的在于喚起學(xué)生記憶中對(duì)重力勢(shì)能的定義過(guò)程，進(jìn)而類比該過(guò)程建立電勢(shì)能概念.

老師接著說(shuō)道：“同學(xué)們，要想驗(yàn)證自己的猜想是否正確，下一步就要給電勢(shì)能以明確的定義，得到其大小的計(jì)算公式.那么，如何定義電勢(shì)能呢？”就在學(xué)生們一籌莫展時(shí)，老師指著投影屏幕道：“同學(xué)們請(qǐng)看，這是老師總結(jié)的定義重力勢(shì)能的關(guān)鍵步驟，我們一起來(lái)回憶一下.”在帶領(lǐng)學(xué)生仔細(xì)回憶完上述過(guò)程后，老師又道：“接下來(lái)，同學(xué)們可以分組討論并模仿上述步驟，進(jìn)行理論演繹推理給出自己對(duì)電勢(shì)能的定義.之后，我會(huì)選擇三組同學(xué)上講臺(tái)把你們的討論結(jié)果和大家分享.”

話音剛落，學(xué)生們便按照往常分好的學(xué)習(xí)小組開(kāi)始了熱烈的討論.這時(shí)，老師也走下講臺(tái)，來(lái)到學(xué)生中間和他們時(shí)不時(shí)地互動(dòng)交流.10分鐘以后，老師拍了一下雙手以示安靜.頓時(shí)，教室回歸平靜.老師又道：“哪一小組愿意上講臺(tái)和大家交流一下，電場(chǎng)力做功有何特點(diǎn)？”這時(shí)，第三學(xué)習(xí)小組組長(zhǎng)劉同學(xué)主動(dòng)請(qǐng)纓.于是，李老師將他請(qǐng)上講臺(tái).只見(jiàn)他在黑板上畫出三幅圖，分別對(duì)應(yīng)電場(chǎng)力沿不同路徑的做功示意圖（如圖3）.劉同學(xué)做完圖后講道：“我們組剛才分別計(jì)算了電場(chǎng)力沿以上三種路徑所做功的大小，將表達(dá)式化簡(jiǎn)后發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)力將電荷從A位置移動(dòng)到B位置所做功的大小都相同，并為同一個(gè)表達(dá)式，即其大小只取決于始末位置而與具體路徑無(wú)關(guān).”老師欣喜地看著劉同學(xué)說(shuō)道：“看來(lái)劉同學(xué)的計(jì)算能力不錯(cuò)，大家同意他的觀點(diǎn)嗎？”同學(xué)們紛紛點(diǎn)頭表示贊同.

老師：“既然，電場(chǎng)力做功與重力做功類似其大小都只取決于始末位置.那么，請(qǐng)哪位同學(xué)類比重力勢(shì)能給電勢(shì)能下一個(gè)定義”.又見(jiàn)課代表張同學(xué)站起來(lái)道：“可以將EqhA項(xiàng)定義為電荷在A位置所具有的電勢(shì)能，EqhB為電荷在B位置的電勢(shì)能.”由此可見(jiàn)，學(xué)生已經(jīng)能夠?qū)唧w位置的電勢(shì)能做出定義，但不具有普遍意義.老師補(bǔ)充說(shuō)：“張同學(xué)回答很好，通過(guò)剛才的計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)力做功大小為與始末位置對(duì)應(yīng)的函數(shù)項(xiàng)Eqh項(xiàng)的差值.這一函數(shù)項(xiàng)具有特殊意義，一方面，其變化量等于電場(chǎng)力做功，根據(jù)功能原理，這一函數(shù)項(xiàng)具有能量的含義;另一方面，電荷在電場(chǎng)的不同位置時(shí)，都應(yīng)有確定的函數(shù)項(xiàng)EP與之一一對(duì)應(yīng).因此，我們就將這一函數(shù)項(xiàng)EP叫作該位置的電勢(shì)能.因此，我們用一句話概括即：靜電力對(duì)電荷做功大小與路徑無(wú)關(guān)，只取決于始末位置函數(shù)之差，該位置函數(shù)就是電荷在電場(chǎng)該位置的電勢(shì)能”.至此，老師認(rèn)為學(xué)生們對(duì)電勢(shì)能已經(jīng)有了明確的定義.但對(duì)之前的一系列猜想還沒(méi)有給予證實(shí)，同時(shí)，對(duì)電勢(shì)能的基本屬性也沒(méi)有掌握.課堂又進(jìn)入了下一個(gè)階段.

3.3.3?證實(shí)最初猜想，深化概念內(nèi)涵

依照剛才猜想的順序老師開(kāi)始了提問(wèn)：“同學(xué)們，開(kāi)始時(shí)我們對(duì)電勢(shì)能的基本屬性進(jìn)行了幾點(diǎn)猜測(cè)，接下來(lái)我們就來(lái)證實(shí)一下這些猜測(cè)是否合理.第一個(gè)問(wèn)題，電勢(shì)能是電荷與場(chǎng)源電荷所組成的系統(tǒng)所具有的，這一點(diǎn)如何證實(shí)呢？”見(jiàn)學(xué)生們考慮許久，老師提示到：“同學(xué)們可以仔細(xì)斟酌一下，在勻強(qiáng)電場(chǎng)中時(shí)電勢(shì)能的表達(dá)式Eqh”.剛才做出猜測(cè)的何同學(xué)又一次站起來(lái)道：“電勢(shì)能表達(dá)式中不僅含有與電荷有關(guān)的量q，而且包括由場(chǎng)源電荷決定的量，即電場(chǎng)強(qiáng)度E，由此可見(jiàn)，電勢(shì)能大小由電荷和場(chǎng)源電荷共同決定.因此，電勢(shì)能是電荷與場(chǎng)源電荷所組成的系統(tǒng)所決定的”.

老師稱贊：“為何同學(xué)鼓掌！分析的有理有據(jù).下面哪位同學(xué)試著說(shuō)明一下，電勢(shì)能大小為什么是相對(duì)的？”課代表張同學(xué)一向不甘示弱，立即說(shuō)道：“因?yàn)閔不是絕對(duì)的，剛才定義A點(diǎn)的電勢(shì)能為EqhA，前提條件是認(rèn)為A點(diǎn)到參考位置的距離為hA.但如果選取A點(diǎn)為參考點(diǎn)，則hA為零，那么A點(diǎn)的電勢(shì)能也為零”.在一旁的老師默默地點(diǎn)頭說(shuō)道：“可見(jiàn)電勢(shì)能的大小不是絕對(duì)的，而是相對(duì)的.它的大小取決于參考位置的選取.為了便于對(duì)電勢(shì)能進(jìn)行研究，我們一般先規(guī)定某一位置的電勢(shì)能為零，則其他位置的電勢(shì)能大小即為電場(chǎng)力從該位置將點(diǎn)電荷移至零勢(shì)能位置過(guò)程中所做的功的大小”.

接著老師帶著學(xué)生一起討論了電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能變化之間的關(guān)系：電場(chǎng)力做正功，電勢(shì)能減小;電場(chǎng)力做負(fù)功，電勢(shì)能增大.

3.4?課堂小結(jié)與課后思考

老師為了幫助學(xué)生回憶本節(jié)課所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，進(jìn)一步完善學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，對(duì)本節(jié)課內(nèi)容做出小結(jié).并鼓勵(lì)學(xué)生們談?wù)勥@節(jié)課最大的收獲是什么？這時(shí)王同學(xué)大聲說(shuō)道：“最大收獲是知道了什么是電勢(shì)能，以及電勢(shì)能的基本性質(zhì)”.老師面帶微笑地點(diǎn)了點(diǎn)頭說(shuō)道：“剛才王同學(xué)說(shuō)的只是我們今天所收獲的新知識(shí)，我要補(bǔ)充的是，今天我們學(xué)到的最有價(jià)值的是一種方法，即類比已有概念的建立去建立新概念”.

為鞏固電勢(shì)能的概念，老師將提前設(shè)計(jì)好的思考題布置給學(xué)生們：“這節(jié)課我們一直以正電荷為例，討論了其在電場(chǎng)不同位置電勢(shì)能的大小，以及電勢(shì)能的改變量與電場(chǎng)力做功的關(guān)系.那么，請(qǐng)同學(xué)們課后思考一下，如果將正電荷換成負(fù)電荷情況又將如何呢？”

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（收稿日期：2020-01-06）