“静电场及其应用”单元教学设计

摘   要：单元作为课程实施的基本单位，以主题为中心，对相关教学内容进行重组和整合，促进教学内容的结构化，且单元教学能有效发展学生的物理学科核心素养。以“静电场及其应用”为例，基于单元教学，通过主题任务驱动子任务的方式，促进学生物理学科核心素养的发展。

关键词：单元教学；物理核心素养；任务驱动；静电场

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）1-0033-4

从整体与部分的关系来看，大单元教学设计有利于学生通过学科学习逐步形成正确价值观、必备品格和关键能力［１］。针对牛顿时代“力的超距传播”难题，法拉第提出了“场”的概念。“场”内容新颖且抽象。因此，将人教版高中物理第九章《静电场及其应用》视为课程实施的单元，从单元教学背景、单元学习目标、单元学习主题、单元学习活动及单元学习评价五个方面进行教学设计。

１    单元教学背景

教材分析：通过对比新旧人教版教材关于“静电场”主题下教学内容的章节安排发现，新人教版把“静电场”由原来的一章拆分为现在的两章，先介绍静电场自身的性质，再介绍静电场中的能量，编排顺应学生的认知发展规律。《静电场及其应用》这一章包含了四节内容，是学生首次学习电磁学的知识，并将在力学中初步建立起来的力学知识进一步应用于对静电现象的讨论，同时又为下一章《静电场中的能量》中的电功、电势、电势差及分析带电粒子在电场中的运动奠定基础，具有承上启下的作用，对学生形成合理的知识结构有重要意义。

本单元的章节结构如图１所示，以实验为基础，通过观察体验，探索本质，形成规律特征，进而综合应用规律。教学内容分为两个层次，即由第一节、第二节、第三节组成的基础知识层次，以及第四节的应用层次。教材首先以摩擦起电入手，引入电荷量的概念以及电荷守恒定律，对应第一节“电荷”；接着探究电荷间相互作用的定量关系，对应第二节“库仑定律”；接下来从力的视角提出电场的概念，完成第三节“电场 电场强度”的学习；第四节“静电的防止与应用”侧重介绍静电知识在生产生活中的应用和防止。

课标分析：通过对课标分析，发现课标更加注重对学生物理观念的建构以及科学思维的培养，从而发展学生的综合应用能力。

学情分析：第一，初中阶段学生对静电知识、磁场知识已有了解，但仅停留在感性认识上；第二，学生初步具备了科学探究的意识及能力，了解科学探究的基本思路，但探究方法比较单一，探究思维深度较浅；第三，学生对用物理量之比定义新物理量的方法有一定经验。总的来说，学生构建点电荷模型、电荷守恒定律、探究电荷间相互作用的定量规律、学习电场的概念等已具有良好的基础。

２    单元学习目标

教学目标：在物理观念目标上，通过实验渗透物质观、运动和相互作用观；在科学思维目标上，要求构建模型，推理论证；在科学探究上，体会科学探究过程中假设、猜想、验证的重要性；在科学态度与责任上，培养应用科学知识实事求是地解决实际问题的意识。

重点和难点：１.理解并应用库仑定律；２.电场概念的建立；３.点电荷、匀强电场等理想化模型的建立；４.电场线概念的建构。为了突破重点和难点，以实验为基础，设置大情境，完成目标任务，具体在课时任务中体现。

３    单元学习主题

基于物理情境的教学设计较传统课堂有更深层次的建构，目的是让学生能够在环环相扣的物理情境中积极地思考问题［２］。以“静电摆球”趣味现象为大情境，围绕运动观和相互作用观大概念，通过构造内容结构，展开大单元教学活动，推动单元主题任务的完成。要了解“静电摆球”的原理，就需要从了解“静电”的基础知识开始。因此，首先就设置与“静电摆球”现象中“静电”相关的知识为主题任务。其次，再将主题任务设定为四个分任务。任务一，电荷及电荷守恒定律；任务二，探究电荷间相互作用的定量关系；任务三，如何描述静电场？任务四，“静电摆球”的原理。

４    单元学习活动

学习活动应从学生的认知基础出发，借助一系列问题，帮助学生经历概念的得出过程，真正理解概念建立的意义［３］。为了完成以上安排的四个任务，具体课程实施如下：

任务一：电荷及电荷守恒定律。将其分解为三个子任务。

子任务１：复习初中学过的静电知识，引发学生的前概念。

子任务２：回顾与静电相关的物理学史，初步认识电荷，构建电荷量的概念。

子任务３：感受生活中的静电现象，探究起电的方式及本质，归纳出电荷守恒定律，掌握元电荷、比荷等概念，体会电荷的量子属性。

任务二：探究电荷间相互作用的定量关系。包括四个子任务。

子任务１：创设情境，提出问题，定性探究电荷间的相互作用力。

核心问题：分析影响带电体相互作用力大小的主要因素及次要因素。其中，带电体的大小、形状及电荷分布作为次要因素。

子任务２：回顾“库仑定律”的形成史。其中，重点是库仑类比万有引力定律，坚信“平方反比”规律，设计精巧的实验，对电荷间的作用力展开研究。

核心问题：认识扭秤装置的结构，了解库仑扭秤的工作原理（图2）。并提问利用扭秤装置如何测量微小力？如何测量两个带电小球间的距离及带电小球的电荷量？库仑利用扭秤装置得到了什么结论？在实验中用到了哪些思想方法？

子任务３：利用现代技术定量探究电荷间的相互作用力，进一步验证库仑定律（图３）。

核心问题：库仑通过实验总结得到库仑定律，在定律的内容中，他又修订了哪些条件？这些条件是否需要同时具备？

子任务４：在具体的情境中判断电荷间相互作用力的方向，比较静电力与万有引力。

任务三：如何描述静电场？该任务既是对库仑定律的深入理解，进一步明确了两电荷之间作用的本质是通过电场来实现的；又为后续电路、磁场的学习作铺垫，具有承前启后的作用。将任务三分解为三个子任务，具体设计如下。

子任务１：电荷间的相互作用如何传递？

活动１：回顾上节实验，观察现象。

核心问题：两个带电体之间没有相互接触，为什么会有力的作用呢？具体分析如图４所示。

活动２：破解“超距作用”的观点，同时为静电屏蔽留下伏笔。通过类比初中磁场的学习，学习法拉第的“场”的观念，认识电场是电荷周围客观存在的一种特殊物质，电场对放入其中的电荷有力的作用。

核心问题：电荷周围存在一种特殊的物质叫电场，但是电场看不见、摸不着，如何判断电场的强弱呢？引导学生构建试探电荷模型时，检验电荷必须具备什么条件？因此，教师应利用科学思维引导学生，学会用看得见、摸得着的物理量去完成对抽象物理量的研究，培养学生的建模能力。

子任务２：如何定量描述电场的强弱？

核心问题：可以通过电场力来研究电场的强弱，却不能用电场力的大小直接表示电场的强弱。那么，该如何定义某点的电场强弱呢？教师可引导学生类比速度，构建电场强度的比值法定义。让学生经历猜想、假设、理论验证的过程，从而得到逻辑思维能力的培养。

活动３：定量探究电场力和电场强度的关系（控制变量法），探究记录如表１所示。

核心问题：试探电荷放在电场中不同位置，所受静电力的方向是否相同？正、负试探电荷在同一位置所受静电力的方向怎样？怎样定义电场强度的方向呢？初中怎样定义磁场的方向？

活动４：画出场源电荷，并画出球面上各点的电场强度。

核心问题：推导出点电荷场强的公式。以点电荷为球心、以ｒ为半径的球面上，各点电场强度的大小和方向有怎样的关系？从特殊到一般，明确场强叠加原理。在几个点电荷共同形成的电场中，如何求某点的电场强度呢？

子任务３：如何形象地描述电场中各点的电场强度？

活动５：类比磁感线引入电场线，学生分组设计并进行实验，利用塑料丝模拟点电荷、等量异种电荷、等量同种电荷所产生电场的电场线（图５）。

活动６：观察现象，引入匀强电场。

核心问题：什么是匀强电场？其电场线具有什么特点？哪些电场可视为匀强电场？如何利用塑料丝模拟带等量异种电荷的平行金属板的电场线。

任务四：“静电摆球”的原理。将其分解为三个子任务。

子任务１：演示“静电摆球”实验，解释主题任务，激发学生对静电应用的兴趣。摇动静电起电机，让导体板间带等量异种电荷。锡纸包裹的小球与某平板相碰，带上了与之同号的电荷，由于相斥小球弹回，飞向另一极板。接触后又带上与此板同号电荷，斥力作用下小球又被弹回，小球在导体板间来回运动。

子任务２：建立模型说明金属导体放入电场后会发生什么。

核心问题：什么是静电平衡状态及静电平衡状态下导体的特点。

子任务３：认识尖端放电、静电屏蔽和静电吸附。

５     单元学习评价

为了更好地落实物理学科核心素养，实现教、学、评一体化，把单元学习评价分为两部分：单元作业设计和单元学习评价。其中，单元作业设计分为研究性作业和实践性作业。研究性作业设置为：观看ＢＢＣ纪录片《电的故事》，交流观后感；查阅资料，总结冬季去除身上静电的方法。研究性作业的布置重在培养学生理论联系实际。实践性作业设置为：用所学知识和身边材料设计简单的静电除尘演示器。实践性作业旨在进一步发展学生科学探究、科学思维、科学态度与责任，在潜移默化中形成物理观念。最终以素养为本位，实现育人目的。

《布卢姆教育目标分类学》指出，对学生的评价分为形成性评价和终结性评价［４］。因此，将单元学习评价分为形成性评价和终结性评价。形成性评价如表２所示，学生通过本单元的学习，完成既定的活动目标，能够从教材中提炼静电现象的本质，并能应用规律解释现象，最后通过构建“静电场及其应用”单元知识结构图展示学习情况。形成性评价分为三个阶梯式评价层次：层次一为通过学习把本章内容写出来并梳理逻辑顺序；层次二是在层次一的基础上，进一步把章节概念及规律写出来；层次三不仅要梳理知识的逻辑顺序，写出章节概念及规律，还要把静电现象中所渗透的力学思想提炼出来。每一层次均采取自我评价、小组评价和教师评价三种评价方法，最终完成课堂效果检测。

终结性评价针对物理学科核心素养考查，如表３所示。

６    结  论

围绕核心概念——运动和相互作用观、物质观，设计学习过程，以主题任务驱动子任务引领学生完成教学目标。结合主题、情境、内容等带领学生梳理知识的内在逻辑，让学生在从认识静电现象到利用静电知识的过程中，发展学科思维，关注物理学科与技术、社会和经济发展的联系，最终实现教育的育人价值。

参考文献：

［１］骆文洲．基于核心素养的高中物理大单元教学设计——以“静电场”为例［Ｊ］．中学教学参考，２０２３（８）：４５－４７．

［２］祁红菊．创设学习场，构建“学”的课堂——以新人教版“电场  电场强度”第一课时教学为例［Ｊ］． 湖南中学物理，２０２２，３７（１２）：４６－４８，４５．

［３］廖军玲，陈忠．“静电场”单元教学设计［Ｊ］．中学物理，２０２１，３９（１）：１７－２１．

［４］洛林·Ｗ.安德森．布卢姆教育目标分类学［Ｍ］．蒋小平，张琴美，罗晶晶，等，译．北京：外语教学与研究出版社，２００９．

（栏目编辑    邓   磊）

收稿日期：２０２３－０８－２４

作者简介：刘丹（１９９２－），女，中学二级教师，主要从事高中物理教学工作。