王純　曹冬梅

摘? ?要：以“口罩防疫中的物理”為例設(shè)計(jì)高中物理復(fù)習(xí)課：從分析口罩的防疫原理、計(jì)算合格口罩的電荷標(biāo)準(zhǔn)以及使用口罩的注意事項(xiàng)等方面創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，綜合應(yīng)用物理知識(shí)探究口罩防疫背后的科學(xué)本質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)“靜電場(chǎng)”知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生提取關(guān)鍵信息的能力，增強(qiáng)學(xué)生的防疫意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感，從而加強(qiáng)對(duì)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(kù)侖力；復(fù)習(xí)課

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2023）3-0027-5

復(fù)習(xí)課作為高中物理教學(xué)的常見(jiàn)課型，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，對(duì)知識(shí)點(diǎn)間聯(lián)系的把控，對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用。2018年初教育部頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確指出：學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)逐步形成的價(jià)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(gè)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(jì)。

1? ? 教學(xué)設(shè)計(jì)思想及學(xué)情

本教學(xué)設(shè)計(jì)從疫情防控入手，打破傳統(tǒng)復(fù)習(xí)課千篇一律強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)、考點(diǎn)，盲目“題海戰(zhàn)術(shù)”的弊端。借助當(dāng)下熱點(diǎn)話題，為物理教學(xué)提供真實(shí)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(chǎng)、壓強(qiáng)和質(zhì)點(diǎn)等知識(shí)進(jìn)行整合梳理，并以此為素材設(shè)計(jì)物理復(fù)習(xí)課，讓學(xué)生體會(huì)格物致知、知行合一，感悟物理和生活實(shí)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(jìn)行物理總復(fù)習(xí)的學(xué)生，他們對(duì)“靜電場(chǎng)”有一定的知識(shí)基礎(chǔ)，具備較好的綜合分析與推理論證的能力；對(duì)以社會(huì)熱點(diǎn)為背景的課堂素材有較濃的興趣，能從真實(shí)情境中識(shí)別出物理學(xué)科內(nèi)容。但這群學(xué)習(xí)者綜合運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力還有待提升，從物理學(xué)角度審視社會(huì)現(xiàn)象的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”素養(yǎng)仍有待加強(qiáng)。

2? ? 教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)重難點(diǎn)

（1）教學(xué)內(nèi)容：靜電感應(yīng)、靜電吸附、庫(kù)侖定律、靜電場(chǎng)知識(shí)的綜合運(yùn)用。

（2）教學(xué)重點(diǎn)：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(kù)侖力計(jì)算等知識(shí)，提升學(xué)生綜合運(yùn)用物理知識(shí)分析、解決問(wèn)題的能力。

（3）教學(xué)難點(diǎn)：在真實(shí)情境中，識(shí)別出物理學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)，精準(zhǔn)聯(lián)系靜電場(chǎng)知識(shí)進(jìn)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(shí)例。

3? ? 教學(xué)目標(biāo)

（1）物理觀念

電場(chǎng)對(duì)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(yùn)用靜電學(xué)和壓強(qiáng)的知識(shí)，建立質(zhì)點(diǎn)模型。進(jìn)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(dòng)畫，分組合作探究靜電感應(yīng)的過(guò)程和靜電吸附的原理。

（４）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

深刻體會(huì)靜電學(xué)原理在口罩防疫中的應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)一步將所學(xué)理論應(yīng)用于實(shí)際，增強(qiáng)探索自然的內(nèi)動(dòng)力和社會(huì)責(zé)任感，理解科學(xué)與社會(huì)、環(huán)境的關(guān)系。

4? ? 教學(xué)流程設(shè)計(jì)

教學(xué)流程設(shè)計(jì)遵循從定性認(rèn)識(shí)到定量分析的規(guī)律，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，綜合靜電學(xué)和力學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)知識(shí)拓展環(huán)節(jié)，如圖1所示。

5? ? 教學(xué)過(guò)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(shí)別和定位到“靜電場(chǎng)”中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

5.1? ? 分析口罩防疫的原理

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)真實(shí)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(wèn)：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?yàn)榭谡帜軠p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(hù)作用；并不是所有的口罩都能預(yù)防病毒……

教師演示：將用過(guò)的一次性醫(yī)用口罩剪開(kāi)，讓學(xué)生仔細(xì)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(duì)醫(yī)用口罩的結(jié)構(gòu)有了基本的認(rèn)識(shí)。

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(guò)濾層，是起到防護(hù)效果的關(guān)鍵層，使用的材料是超細(xì)聚丙烯熔噴布（簡(jiǎn)稱熔噴布）。在生產(chǎn)過(guò)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(dá)到防護(hù)效果［3］。其實(shí)，口罩防疫中滲透著許多物理學(xué)知識(shí)，今天我們就一起來(lái)探究“口罩防疫中的物理”。

設(shè)計(jì)意圖：從社會(huì)熱點(diǎn)導(dǎo)入，增加物理復(fù)習(xí)課的趣味性，體現(xiàn)物理的實(shí)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(shí)，讓學(xué)生迅速回顧“靜電場(chǎng)”中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，鍛煉學(xué)生提取學(xué)科知識(shí)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(dòng)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(guò)程（圖4）。

教師提問(wèn)：仔細(xì)觀看并思考含病毒顆粒經(jīng)歷“不帶電—帶電—被吸附”過(guò)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(guò)程，可回顧靜電感應(yīng)部分的知識(shí)，而從帶電狀態(tài)到被吸附，顯然是受到了力的作用，請(qǐng)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(guò)駐極處理的熔噴布帶正電，當(dāng)不帶電的含病毒顆粒進(jìn)入熔噴布范圍內(nèi)時(shí)，顆粒自身會(huì)由于靜電感應(yīng)在靠近熔噴布的一側(cè)感應(yīng)出負(fù)電，從而在庫(kù)侖力（靜電吸附力）的作用下朝熔噴布運(yùn)動(dòng)，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(kù)侖力的作用。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)多媒體動(dòng)畫演示，將抽象的吸附過(guò)程進(jìn)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(wèn)題的科學(xué)思維。

5.2? ? 計(jì)算合格口罩的電荷數(shù)

環(huán)節(jié)三：基于庫(kù)侖定律和受力分析，計(jì)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(duì)密閉公共場(chǎng)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(shí)很難僅通過(guò)機(jī)械作用將其過(guò)濾掉，大部分要靠口罩中間層的靜電吸附來(lái)阻擋。而中間過(guò)濾層采用聚丙烯材料，通過(guò)熔噴法制得隨機(jī)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(guò)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(shí)，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(zhǔn)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(guò)程中，口鼻的氣壓與大氣壓較為接近。吸氣的時(shí)候小于大氣壓，呼氣的時(shí)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(shí)，帶電粒子和口罩纖維上的電荷數(shù)相同，請(qǐng)結(jié)合以上素材中的數(shù)據(jù)并參考示意圖（圖5）來(lái)分析和計(jì)算合格口罩的電荷數(shù)。

請(qǐng)學(xué)生結(jié)合以上素材進(jìn)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(kù)侖力與電荷間的關(guān)系來(lái)求解。

教師提示：可建構(gòu)點(diǎn)電荷模型，再對(duì)帶電顆粒進(jìn)行受力分析。

學(xué)生進(jìn)行受力分析（圖6）。

教師引導(dǎo)：要計(jì)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(kù)侖力大于氣壓力，才能保證病毒顆粒被牢牢吸附住。

教師點(diǎn)評(píng)：分析思路非常正確！大家要注意體會(huì)這種逆向思維。

學(xué)生推導(dǎo)與計(jì)算：

（1）氣壓力大小

設(shè)計(jì)意圖：對(duì)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(wèn)出發(fā)，能提升學(xué)生的逆向思維能力；建立理想模型，進(jìn)行受力分析，能增強(qiáng)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(shí)的建構(gòu)提供了真實(shí)場(chǎng)景，符合高考命題貼近社會(huì)生活的趨勢(shì)，讓學(xué)生體會(huì)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(xiàng)

環(huán)節(jié)四：拓展遷移，綜合運(yùn)用物理知識(shí)對(duì)使用口罩的注意事項(xiàng)進(jìn)行解釋

（1）解釋不能使用過(guò)期口罩的原因

教師提問(wèn)：在上面的分析中，我們了解到口罩的熔噴布帶電是因?yàn)榻?jīng)過(guò)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(diǎn)［9］?；谠撎攸c(diǎn)，請(qǐng)解釋為什么不能使用過(guò)期口罩？

學(xué)生分析：口罩出色的過(guò)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(diǎn)，隨著時(shí)間的推移，當(dāng)熔噴布表面的電荷減少時(shí)，其對(duì)病毒顆粒的庫(kù)侖引力也會(huì)越來(lái)越小，吸氣時(shí)，完全可能出現(xiàn)F庫(kù)

（2）評(píng)價(jià)多次重復(fù)使用口罩的做法

教師提問(wèn)：現(xiàn)實(shí)生活中有人將口罩多次重復(fù)佩戴，試評(píng)價(jià)這種做法是否正確，并說(shuō)明其原因。

學(xué)生分析：在口罩的佩戴過(guò)程中，其所吸附的帶病毒顆粒會(huì)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(huì)被消耗得越來(lái)越少，如同過(guò)期的口罩一樣，庫(kù)侖引力變小，不能產(chǎn)生足夠的庫(kù)侖力來(lái)吸附帶病毒的顆粒，因此不具備防護(hù)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(guò)口罩防疫中物理專題課的復(fù)習(xí)，希望大家學(xué)會(huì)正確佩戴口罩，避免因使用不當(dāng)而造成感染風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用與遷移能力。讓學(xué)生了解佩戴口罩的注意事項(xiàng)，感受生活中的物理。

課后練習(xí)：綜合運(yùn)用物理知識(shí)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(huì)熱點(diǎn)——“口罩防疫”為復(fù)習(xí)素材，按照“導(dǎo)入—提出問(wèn)題—分析、解釋問(wèn)題—拓展遷移”的教學(xué)設(shè)計(jì)思路，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面分析，深化學(xué)生對(duì)之前所學(xué)物理概念和規(guī)律的理解，有助于學(xué)科知識(shí)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(duì)實(shí)際問(wèn)題思考的興趣，鍛煉了學(xué)生從時(shí)政素材中識(shí)別學(xué)科知識(shí)的能力，“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”素養(yǎng)也在對(duì)實(shí)際問(wèn)題的解決過(guò)程中逐步提升。通過(guò)建模、分析、推理論證以及對(duì)物理知識(shí)的綜合應(yīng)用來(lái)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(chéng)然，教學(xué)中也存在些許不足，如將復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)情境簡(jiǎn)化成理想的物理模型是否嚴(yán)謹(jǐn)、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竟?jié)復(fù)習(xí)課的各個(gè)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(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

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（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）

收稿日期：2022-08-12

基金項(xiàng)目：延安大學(xué)“疫情防控和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展”專項(xiàng)研究計(jì)劃項(xiàng)目課題（YCX2022080）。

作者簡(jiǎn)介：王純（1994-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)橹袑W(xué)物理教學(xué)。

*通信作者：曹冬梅（1974-），女，副教授，研究方向?yàn)橹袑W(xué)物理教學(xué)。