葉文佳 李悅童 張軼炳

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年修訂版)》中的基本理念強(qiáng)調(diào)“創(chuàng)設(shè)學(xué)生積極參與、樂于探究、善于實(shí)驗(yàn)、勤于思考的學(xué)習(xí)環(huán)境,培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力,增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問題的能力”[1].這一理念與深度學(xué)習(xí)不謀而合,可以說,深度學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑.深度學(xué)習(xí)是指在理解學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,學(xué)習(xí)者能夠批判性地學(xué)習(xí)新的思想和事實(shí),并將它們?nèi)谌朐械恼J(rèn)知結(jié)構(gòu)中,能夠在眾多思想間進(jìn)行聯(lián)系,并能夠?qū)⒁延械闹R(shí)遷移到新的情境中,作出決策和解決問題的學(xué)習(xí)[2].可見,深度理解是推進(jìn)深度學(xué)習(xí)的關(guān)鍵點(diǎn)之一.深度理解是理解的深層次思考和行動(dòng),是指學(xué)生對(duì)事物或知識(shí)本質(zhì)、知識(shí)意義的理解,是學(xué)生對(duì)某一學(xué)習(xí)內(nèi)容形成一種心智模式或圖式后,創(chuàng)造性思考和行動(dòng)的結(jié)果[3].在物理教學(xué)中,如何促進(jìn)學(xué)生達(dá)到對(duì)知識(shí)的深度理解,是值得我們探討的課題.

1 基于問題鏈的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)何以促進(jìn)深度理解

所謂問題鏈,是教師為了實(shí)現(xiàn)一定的教學(xué)目標(biāo),根據(jù)學(xué)生的已有知識(shí)或經(jīng)驗(yàn),針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中將要產(chǎn)生或可能產(chǎn)生的困惑,將教材知識(shí)轉(zhuǎn)換成為層次鮮明、具有系統(tǒng)性的一連串教學(xué)問題[4].在物理教學(xué)中,巧妙地設(shè)置有吸引力的問題鏈,能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī),為學(xué)生提供各個(gè)環(huán)節(jié)的目標(biāo)以及達(dá)到對(duì)知識(shí)意義深度理解的“腳手架”.而體驗(yàn)式學(xué)習(xí)是指在學(xué)習(xí)過程中,學(xué)生從已有的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)出發(fā),親自經(jīng)歷問題的操作、解釋與應(yīng)用過程,并在此基礎(chǔ)上主動(dòng)建構(gòu)知識(shí), 獲得學(xué)習(xí)方法[5].在物理課程中,學(xué)生的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)包括實(shí)驗(yàn)、探究活動(dòng)、實(shí)踐活動(dòng)等.基于問題鏈的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)以“問題鏈”為目標(biāo)導(dǎo)向,以“體驗(yàn)式學(xué)習(xí)”為學(xué)生提供經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ),促使學(xué)生經(jīng)歷從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象到圖示模型再到其微觀解釋的逐步遞進(jìn)的深度理解過程,達(dá)到對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

2 基于問題鏈的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)促進(jìn)“電荷”的深度理解

在初中階段,學(xué)生處于形象思維階段,對(duì)知識(shí)理解大多停留于淺層學(xué)習(xí),教師在“兩種電荷”一節(jié)課的教學(xué)中,為了“省時(shí)省力”通常不會(huì)重現(xiàn)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)過程,而是直接呈現(xiàn)教材中給出的最終結(jié)果.因此,學(xué)生對(duì)正負(fù)電荷的認(rèn)識(shí)停留于記憶層面的“與絲綢摩擦的玻璃棒所帶的電荷是正電荷,與毛皮摩擦的橡膠棒所帶的電荷是負(fù)電荷”.高中教材中“電荷”是靜電場(chǎng)的第一節(jié),是初高中電磁學(xué)的銜接.從認(rèn)知角度看,高中生處于形象思維向抽象思維過渡的階段,如果還是延續(xù)初中淺層學(xué)習(xí)的方式,對(duì)學(xué)生的思維發(fā)展并不能起到正面作用.從課程角度看,電磁學(xué)部分的知識(shí)抽象性較強(qiáng),“電荷”一節(jié)作為高中電磁學(xué)部分的開端,需要學(xué)生以深度學(xué)習(xí)的方式深入了解兩種電荷、3種起電方式的本質(zhì),為后續(xù)抽象性更強(qiáng)的電磁學(xué)知識(shí)奠定基礎(chǔ),為電磁學(xué)的學(xué)習(xí)創(chuàng)造一個(gè)良好的開端.本節(jié)以人教版高中物理必修三第九章第1節(jié)“電荷”為例,闡述以基于問題鏈的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)促進(jìn)深度理解在物理課堂中的應(yīng)用,本節(jié)設(shè)置的問題鏈與目標(biāo)對(duì)應(yīng)圖如圖1所示.

圖1 問題鏈與目標(biāo)對(duì)應(yīng)圖

2.1 環(huán)節(jié)一:起步實(shí)驗(yàn)回顧初中知識(shí)

【實(shí)驗(yàn)1】準(zhǔn)備2條10～15 cm的膠帶,將一端折疊起5 cm作為把手,將余下的部分粘在書桌上,將兩條膠帶從桌面拉起并使它們彼此靠近.可以觀察到兩條膠帶相互排斥,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示.

圖2 兩條膠帶相互排斥

問題1：思考膠帶和桌子發(fā)生了什么作用?(目標(biāo):聯(lián)系初中摩擦起電)

教師講解:初中學(xué)過的摩擦起電是兩個(gè)物體相互摩擦,高中力學(xué)中提到摩擦是一種阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用,當(dāng)膠帶粘在桌面上再快速拉起的過程中,由于膠帶具有黏性,實(shí)際上阻礙了膠帶的相對(duì)運(yùn)動(dòng),因此膠帶發(fā)生了類似摩擦起電的作用.兩條膠帶相互排斥則說明帶同種電荷.

【實(shí)驗(yàn)2】將一條膠帶粘在桌面上,把該膠帶標(biāo)記為A,另一條膠帶粘在第一條的上面,標(biāo)記為B,然后捏著重疊膠帶的一端并向上拉起,使兩條膠帶一起離開桌面,用手接觸膠帶使其放電,并快速地將它們分開,再使它們彼此靠近.可以觀察到兩條膠帶相互吸引,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖3所示.

圖3 兩條膠帶相互吸引

問題2：根據(jù)已學(xué)知識(shí)推斷一下實(shí)驗(yàn)1、2中兩條膠帶相互排斥和相互吸引的原因是什么?(目標(biāo):電荷間的相互作用)

知識(shí)回顧:這是初中學(xué)習(xí)過的電荷間的相互作用,我們常用這種方法來判斷兩個(gè)物體是帶同種電荷還是異種電荷,那又如何判斷膠帶A、B分別帶什么電荷呢?

設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生親自動(dòng)手進(jìn)行簡(jiǎn)易且現(xiàn)象明顯的膠帶實(shí)驗(yàn),進(jìn)行體驗(yàn)式學(xué)習(xí),并以問題1、2為驅(qū)動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生回顧初中知識(shí)摩擦起電及電荷間的相互作用.既與原有知識(shí)相聯(lián)系,又能打破學(xué)生摩擦起電只能是玻璃棒與橡膠棒的刻板印象,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī),進(jìn)而進(jìn)入本節(jié)課題.

2.2 環(huán)節(jié)二:探究自然界只存在兩種電荷

問題3：初中教材中正電荷和負(fù)電荷是如何定義的?(目標(biāo):正、負(fù)電荷的概念)

展開追問:(1)除了正電荷、負(fù)電荷還有其他種類的電荷嗎?(2)膠帶A、B會(huì)不會(huì)帶其他種類的電荷呢?(3)將橡膠棒與絲綢摩擦又會(huì)帶什么電荷呢?它會(huì)不會(huì)帶第三種電荷?

教師引導(dǎo):同學(xué)們都有不同的意見,是否存在第三種電荷呢?我們通過實(shí)驗(yàn)來探究.在實(shí)驗(yàn)2中我們已經(jīng)推理得到膠帶A、B帶的是異種電荷,這里就存在兩種電荷了.

問題4：如果存在第三種電荷,預(yù)測(cè)一下可能會(huì)發(fā)生怎樣的現(xiàn)象?(目標(biāo):提出問題,形成假設(shè))

學(xué)生預(yù)設(shè)答案:如果存在第三種電荷,那三種電荷兩兩之間皆帶異種電荷,因此存在某一物體同時(shí)吸引膠帶A、B.

問題5：如何通過提供的實(shí)驗(yàn)器材檢驗(yàn)?zāi)z帶A、B帶何種電荷?如何檢驗(yàn)?zāi)阍趩栴}4中的預(yù)測(cè)?寫出實(shí)驗(yàn)方案.(目標(biāo):科學(xué)探究)

教師提供實(shí)驗(yàn)器材有玻璃棒、橡膠棒、毛皮、絲綢、氣球、PVC管、塑料棒.

學(xué)生討論并確定方案:用不同的物體摩擦起電后靠近膠帶A、B,若與膠帶A相互排斥則該物體與膠帶A帶同種電荷,若與膠帶B排斥則該物體與膠帶B帶同種電荷;假如同時(shí)吸引兩條膠帶則說明存在與膠帶A、B所帶電荷都不相同的第三種電荷.

【實(shí)驗(yàn)3】(1)將膠帶A和膠帶B的一端分別粘在桌沿上,并保持一定距離;(2)將毛皮、絲綢與橡膠棒、玻璃棒、PVC管、塑料棒等隨意組合進(jìn)行摩擦,并分別靠近膠帶A、B;(3)觀察不同帶電物體對(duì)膠帶A、B的作用情況.部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示.

(a)與毛皮摩擦的橡膠棒

(b)與絲綢摩擦的玻璃棒

(c)與絲綢摩擦的橡膠棒

(d)與毛皮摩擦的PVC管圖4 不同帶電物體靠近膠帶的作用情況

檢驗(yàn)?zāi)z帶A、B帶電種類:當(dāng)與毛皮摩擦的橡膠棒靠近膠帶A、B時(shí),排斥膠帶A,則膠帶A與其帶同種電荷,即負(fù)電荷;而與絲綢摩擦后的玻璃棒排斥膠帶B,則膠帶B帶正電荷.

檢驗(yàn)與絲綢摩擦的橡膠棒帶電種類:已知膠帶A、B分別帶負(fù)電荷與正電荷,而與絲綢摩擦的橡膠棒與膠帶B相互排斥,則帶正電荷.同理,可以將膠帶A、B作為一種檢驗(yàn)物體帶電種類的簡(jiǎn)易方式,由此可以判斷表1中的第一行物體所帶電荷都是負(fù)電荷,第二行物體所帶電荷都是正電荷.

表1 不同帶電物體對(duì)膠帶A、B的作用情況

問題6：根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象同學(xué)們能得到什么結(jié)論?自然界存在第三種電荷嗎?(目標(biāo):科學(xué)思維,觀察現(xiàn)象得出結(jié)論)

學(xué)生分析推理得到結(jié)論:帶電物體總是排斥一條膠帶而吸引另一條膠帶,沒有出現(xiàn)同時(shí)吸引膠帶A、B的物體,即不存在其他種類的電荷.

教師總結(jié):迄今為止,許多科學(xué)家做了類似的研究,結(jié)果與我們的發(fā)現(xiàn)是一樣的,無論用什么方式帶電,物體所帶電荷要么與絲綢摩擦過的玻璃棒相同,要么與毛皮摩擦過的橡膠棒相同.1746年富蘭克林規(guī)定,把用絲綢摩擦過的玻璃棒帶的電荷叫做正電荷,用毛皮摩擦過的橡膠棒帶的電荷叫做負(fù)電荷.這就是正負(fù)電荷定義的來源.

設(shè)計(jì)意圖:深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動(dòng)建構(gòu),活動(dòng)與體驗(yàn)是其核心特征.學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體而不是機(jī)械的知識(shí)接收器,需要親身經(jīng)歷知識(shí)的形成與發(fā)展過程[6].本環(huán)節(jié)以問題鏈引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程,達(dá)到對(duì)正負(fù)電荷定義的深度理解,而不僅僅停留于對(duì)某一固定搭配的記憶.同時(shí)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)以兩條膠帶檢驗(yàn)帶電種類的簡(jiǎn)易方法,能夠利用膠帶判斷生活中帶電物體所帶的電荷種類,促進(jìn)知識(shí)的遷移與應(yīng)用,也為下一環(huán)節(jié)的演示實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ).

2.3 環(huán)節(jié)三:探究3種起電方式的微觀機(jī)制

2.3.1 摩擦起電的微觀機(jī)制

展開追問：

(1)為什么當(dāng)我們用橡膠棒與毛皮摩擦?xí)r帶負(fù)電荷,而與絲綢摩擦?xí)r則帶正電荷?

(2)同學(xué)們?cè)僮屑?xì)觀察表1還能得到什么結(jié)論呢?(多媒體演示圈出相互摩擦的PVC管與毛皮,如圖5所示.)

圖5 相互摩擦的PVC管與毛皮對(duì)膠帶的作用情況

得到結(jié)論:PVC管與毛皮相互摩擦之后,PVC管帶負(fù)電荷,而毛皮帶正電荷.

問題7：如何解釋兩個(gè)物體相互摩擦之后,一個(gè)帶正電荷而另一個(gè)帶負(fù)電荷,摩擦起電的微觀機(jī)制是什么?用圖示法畫出摩擦起電的微觀機(jī)制.(目標(biāo):摩擦起電的微觀解釋)

學(xué)生由初中原子結(jié)構(gòu)模型分析可得不同物質(zhì)的原子核束縛電子的本領(lǐng)不同.當(dāng)兩個(gè)物體摩擦?xí)r,哪個(gè)物體的原子核束縛電子的本領(lǐng)弱,它的一些電子就會(huì)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體上.失去電子的物體帶正電,得到電子的物體因?yàn)橛辛硕嘤嚯娮佣鴰У攘康呢?fù)電荷.這種起電方式我們就叫摩擦起電.PVC管與毛皮摩擦起電的圖示表征如圖6所示.

圖6 摩擦起電圖示表征

2.3.2 接觸起電的微觀機(jī)制

展開追問：(1)除了摩擦起電,還有什么方法能使物體帶電呢?(2)同學(xué)們還記得在初中我們?cè)抿?yàn)電器來檢驗(yàn)物體帶電嗎?那驗(yàn)電器的原理是什么呢?

教師講解:我們由同種電荷相互排斥可以判斷金屬箔片張開則驗(yàn)電器帶電,進(jìn)而判斷接觸驗(yàn)電器的物體帶電,驗(yàn)電器并沒有進(jìn)行摩擦而帶電,則說明這是另一種帶電方式.那么驗(yàn)電器所帶電荷與帶電物體有什么關(guān)系呢?

【實(shí)驗(yàn)4】(1)用與毛皮摩擦后的PVC管接觸金屬球;(2)將金屬球靠近膠帶A、B.如圖7所示.

圖7 接觸起電實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

問題8：當(dāng)我們用帶負(fù)電荷的PVC管接觸驗(yàn)電器時(shí),驗(yàn)電器也帶上了負(fù)電荷,那驗(yàn)電器上的負(fù)電荷從哪里來呢?用圖示法畫出其微觀機(jī)制.(目標(biāo):接觸起電的微觀解釋)

從微觀角度解釋接觸起電：當(dāng)一個(gè)物體帶電時(shí),如果接觸另一個(gè)導(dǎo)體,電荷會(huì)轉(zhuǎn)移到這個(gè)導(dǎo)體上,使這個(gè)導(dǎo)體也帶電.這種起電方式就叫接觸起電,其圖示表征如圖8所示.

圖8 接觸起電圖示表征

2.3.3 感應(yīng)起電的微觀機(jī)制

教師提問:不接觸驗(yàn)電器能否檢驗(yàn)物體是否帶電?當(dāng)我們用帶電PVC靠近但不接觸驗(yàn)電器的金屬片會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢?

【實(shí)驗(yàn)5】(1)將PVC管與毛皮摩擦;(2)將摩擦后的PVC管靠近但不接觸驗(yàn)電器的金屬片.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖9所示.

圖9 驗(yàn)電器感應(yīng)起電實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

【實(shí)驗(yàn)6】(1)在帶絕緣支架的枕形導(dǎo)體兩端掛上金屬片;(2)將與毛皮摩擦后的PVC管移近其中一個(gè)金屬球;(3)保持PVC管不動(dòng),將枕形導(dǎo)體的兩端分開;(4)將枕形導(dǎo)體的左端和右端分別靠近膠帶A、B.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖10所示.

圖10 金屬導(dǎo)體感應(yīng)起電實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

得到結(jié)論:不接觸也能使物體帶電.靠近PVC管的導(dǎo)體帶正電荷,與PVC管帶異種電荷;遠(yuǎn)離PVC管的導(dǎo)體帶負(fù)電荷,與PVC管帶同種電荷.

問題9：如何解釋如上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并用圖示法畫出其微觀機(jī)制.(目標(biāo):感應(yīng)起電的微觀解釋)

展示金屬微觀結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行微觀解釋:當(dāng)一個(gè)帶電體靠近導(dǎo)體時(shí),由于電荷間相互吸引或排斥,導(dǎo)體中的自由電荷便會(huì)趨向或遠(yuǎn)離帶電體,使導(dǎo)體靠近帶電體的一端帶異種電荷,遠(yuǎn)離帶電體的一端帶同種電荷.像這樣由帶電體靠近導(dǎo)體而導(dǎo)致自由電子重新分布的現(xiàn)象,就是我們所說的靜電感應(yīng)現(xiàn)象,利用靜電感應(yīng)使金屬導(dǎo)體帶電的過程叫作感應(yīng)起電.圖示表征如圖11所示.

圖11 金屬導(dǎo)體感應(yīng)起電圖示表征

設(shè)計(jì)意圖:本環(huán)節(jié)學(xué)生在經(jīng)歷從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象到其圖示表征再到其微觀解釋的過程中,建構(gòu)對(duì)3種起電方式的深度理解,區(qū)別于傳統(tǒng)教學(xué)中純粹進(jìn)行理論分析,本環(huán)節(jié)以多個(gè)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新給學(xué)生提供宏觀現(xiàn)象的支撐,學(xué)生從中自主建構(gòu)對(duì)知識(shí)意義的理解,最終達(dá)到深度理解的程度.

2.4 環(huán)節(jié)四:總結(jié)歸納 回歸本質(zhì)

問題10：總結(jié)以上3種起電方式的圖示表征,你能發(fā)現(xiàn)電荷的總量有何規(guī)律嗎?(目標(biāo):總結(jié)得到電荷守恒定律)

總結(jié)歸納:由3種起電方式的圖示表征我們可以得到結(jié)論——電荷既不會(huì)創(chuàng)生,也不會(huì)消滅,它只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體,或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分;在轉(zhuǎn)移過程中,電荷的總量保持不變.這個(gè)結(jié)論叫作電荷守恒定律.

設(shè)計(jì)意圖:通過總結(jié)以上3種起電方式,自然而然歸納得到電荷守恒定律.學(xué)生從大量現(xiàn)象認(rèn)識(shí)其本質(zhì),進(jìn)而達(dá)到對(duì)兩種電荷的深度理解.

3 結(jié)束語

本文旨在從深度學(xué)習(xí)的視角,通過基于問題鏈的體驗(yàn)式學(xué)習(xí),給學(xué)生提供清晰的階梯導(dǎo)向,打破學(xué)生淺層學(xué)習(xí)的習(xí)慣,一步一步達(dá)到對(duì)知識(shí)的深度理解.通過豐富的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)與演示實(shí)驗(yàn),從微觀角度加深其對(duì)3種起電方式本質(zhì)的理解,有利于學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì),對(duì)學(xué)生靜電部分的深度學(xué)習(xí)有一定的幫助.基于問題鏈的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)給學(xué)生提供“腳手架”自主建構(gòu)知識(shí),激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思考,而不是一味地灌輸,將學(xué)生當(dāng)作只會(huì)記憶的知識(shí)接收器.