尊重認(rèn)知規(guī)律化解思維障礙

尊重認(rèn)知規(guī)律，化解思維障礙

電勢(shì)能、電勢(shì)和電勢(shì)差既是課標(biāo)內(nèi)容，也是電場(chǎng)部分的核心內(nèi)容。五種版本教科書對(duì)課標(biāo)內(nèi)容的處理各不相同。一、認(rèn)真解讀，領(lǐng)會(huì)課程標(biāo)準(zhǔn)要求教科書是依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)編寫的，要理解教科書應(yīng)先領(lǐng)會(huì)課程標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而更好地把握教科書編者的用意。課程標(biāo)準(zhǔn)要求：知道電勢(shì)能、電勢(shì)，理解電勢(shì)差。解讀電勢(shì)能是相對(duì)的，我們往往更關(guān)注電勢(shì)能的變化量。電勢(shì)差是反映電場(chǎng)本身性質(zhì)的物理量，是聯(lián)系電勢(shì)能變化與電場(chǎng)力做功的橋梁和紐帶，在電路與技術(shù)中應(yīng)用也較多，是教與學(xué)的重點(diǎn)。電勢(shì)能與電勢(shì)對(duì)應(yīng)，數(shù)值的大小與零電勢(shì)的選擇有關(guān)，是教與學(xué)的難點(diǎn)。因此，課標(biāo)對(duì)于電勢(shì)能和電勢(shì)的要求屬于了解水平，而對(duì)電勢(shì)差要求達(dá)到理解水準(zhǔn)。課標(biāo)凸顯用能量的觀點(diǎn)來(lái)分析電場(chǎng)的性質(zhì)，對(duì)于物理學(xué)習(xí)水平較好的學(xué)生可以適當(dāng)介紹一些等勢(shì)線和等勢(shì)面的知識(shí)，幫助學(xué)生加深對(duì)電場(chǎng)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也滲透了物理學(xué)的研究方法。二、五種版本編排知識(shí)結(jié)構(gòu)順序比較人教版一級(jí)主題分為“電勢(shì)能和電勢(shì)”“電勢(shì)差”，按“靜電力做功的特點(diǎn)—電勢(shì)能—電勢(shì)—等勢(shì)面—電勢(shì)差”的順序設(shè)計(jì)知識(shí)結(jié)構(gòu)。人教版的編排思路是突出以靜電力對(duì)試探電荷做功為切入點(diǎn)，首先引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)靜電力做功與路徑無(wú)關(guān)；接著與重力對(duì)物體做功與路徑無(wú)關(guān)進(jìn)行類比建立電勢(shì)能的概念，并且與重力對(duì)物體做功引起重力勢(shì)能的變化再次類比，得出靜電力做的功等于電勢(shì)能的減少量；與重力勢(shì)能進(jìn)行類比得知電勢(shì)能具有相對(duì)性；然后讓學(xué)生體會(huì)電勢(shì)能的大小與試探電荷的電荷量有關(guān)，不能用來(lái)描述電場(chǎng)的性質(zhì)；讓學(xué)生帶著尋找一個(gè)與試探電荷無(wú)關(guān)的、完全由電場(chǎng)性質(zhì)決定的、可以描述電場(chǎng)能的性質(zhì)的物理量去學(xué)習(xí)電勢(shì)，從而化解了建立電勢(shì)概念的學(xué)習(xí)難點(diǎn)，突出了電勢(shì)能和電勢(shì)差概念建立過(guò)程的學(xué)習(xí)重點(diǎn)，突顯了電勢(shì)能和電勢(shì)數(shù)值的相對(duì)性，這樣處理親和力強(qiáng)。教科版一級(jí)主題是“電勢(shì)差”，凸顯課標(biāo)理解電勢(shì)差的要求，按“電場(chǎng)力做功的特點(diǎn)—電勢(shì)差—電勢(shì)—電勢(shì)能”的順序設(shè)計(jì)知識(shí)結(jié)構(gòu)。教科版編排電勢(shì)能、電勢(shì)和電勢(shì)差的順序，與人教版恰好相反。教科版的編排思路是在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)電場(chǎng)力做功與試探電荷的電荷量q成正比，進(jìn)而得出與q的比值與q無(wú)關(guān)，引入電勢(shì)差的概念；再將電勢(shì)差與高度差類比，建立電勢(shì)的概念；然后用類比法建立靜電勢(shì)能的概念，確立電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能變化的關(guān)系。與人教版相比，建立電勢(shì)差和電勢(shì)能概念的跳躍性大，建立電勢(shì)的過(guò)程仍比較抽象。滬科教版一級(jí)主題是“研究電場(chǎng)的能的性質(zhì)”，分兩節(jié)編排。按“研究電場(chǎng)做功的特點(diǎn)—研究電荷在電場(chǎng)中的功能關(guān)系—電勢(shì)差—電勢(shì)—等勢(shì)面”的順序設(shè)計(jì)知識(shí)結(jié)構(gòu)。滬科教版的編排思路是想通過(guò)研究電荷在電場(chǎng)中的功能關(guān)系，很自然地過(guò)渡到電勢(shì)差的教學(xué)?；浗贪嬉患?jí)主題是“電勢(shì)和電勢(shì)差”，按“電勢(shì)差—電勢(shì)—等勢(shì)面”的順序設(shè)計(jì)知識(shí)結(jié)構(gòu)?；浗贪娴木幣疟辛死辖滩牡脑O(shè)計(jì)思路，但電勢(shì)能作為一個(gè)非常重要的概念和物理量，編者沒(méi)有單獨(dú)將其列出來(lái)編寫，而是將其淡化處理。除此之外，粵教版最大的不足是沒(méi)有很好地突出通過(guò)做功研究能量變化的科學(xué)思想。山東科技版將課標(biāo)主題“電場(chǎng)”編排為兩章，第一章標(biāo)題是“靜電場(chǎng)”，第二章標(biāo)題是“電勢(shì)能與電勢(shì)差”。第二章下設(shè)“電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能”“電勢(shì)與等勢(shì)面”“電勢(shì)差”“電容器電容”四個(gè)一級(jí)主題。相關(guān)內(nèi)容按“電場(chǎng)力做功的特點(diǎn)—電勢(shì)能—電勢(shì)—等勢(shì)面—尖端放電—電勢(shì)差與電場(chǎng)力做功—電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)差的關(guān)系—示波器的工作原理”的順序設(shè)計(jì)知識(shí)結(jié)構(gòu)。三、三個(gè)概念定義內(nèi)容表述的比較不同的版本，由于教科書的知識(shí)結(jié)構(gòu)不同，概念的表述存在差異，現(xiàn)將五種版本的表述歸納如表1所示。五個(gè)版本對(duì)電勢(shì)能定義表述基本相同，凸顯引入電勢(shì)能是因?yàn)殡妶?chǎng)力做的功與路徑無(wú)關(guān)，凸顯如果電荷沿不同路徑移動(dòng)時(shí)靜電力做的功不一樣時(shí)，不能建立電勢(shì)能的概念。仔細(xì)比較，會(huì)發(fā)現(xiàn)粵教版與另四個(gè)版本，在細(xì)節(jié)上存在差異：第一，除粵教版外，其余四種版本均推導(dǎo)了電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)，均凸顯了電勢(shì)能數(shù)值的可變性；第二，除粵教版外，其余四種版本既有定性描述，又有定量描述，其中人教版和教科版的定性描述比較到位，通俗易懂，學(xué)生容易接受。人教版、滬科教版和山東科技版對(duì)電勢(shì)定義的表述基本相同，均采用比值法定義物理量；教科版和粵教版均是從電勢(shì)的物理意義上定義電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)，不過(guò)粵教版的指向性更好。人教版和山東科技版因電勢(shì)的概念編排在電勢(shì)差前面，教科書用電場(chǎng)中兩點(diǎn)間的電勢(shì)的差值來(lái)定義電勢(shì)差；滬科教版、粵教版均用比值法定義電勢(shì)差；而教科版是根據(jù)電勢(shì)差的物理意義來(lái)定義電勢(shì)差的。四、三個(gè)物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系1.電勢(shì)能、電勢(shì)、電勢(shì)差的概念源自于電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)電場(chǎng)中的各點(diǎn)之所以可以引入電勢(shì)的概念，是由電場(chǎng)力對(duì)電荷做功與路徑無(wú)關(guān)的特性決定的。因此，電場(chǎng)力是保守力。正因?yàn)殡妶?chǎng)力是保守力，才可以引入電勢(shì)能。電場(chǎng)力做功引起電勢(shì)能變化，進(jìn)而引入電勢(shì)差。2.電勢(shì)的可變性和電勢(shì)差的不變性當(dāng)場(chǎng)源電荷的分布給定之后，靜電場(chǎng)中每一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)就唯一確定，但場(chǎng)中各點(diǎn)電勢(shì)值必須選定電勢(shì)零點(diǎn)做參考點(diǎn)后才能確定，而電勢(shì)零點(diǎn)可任意選擇。選擇不同的參考點(diǎn)，電場(chǎng)中各點(diǎn)的電勢(shì)值不同，而電場(chǎng)中兩點(diǎn)間電勢(shì)的差值不變，與參考點(diǎn)的選擇無(wú)關(guān)。電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)，從靜電場(chǎng)方程和環(huán)路定理出發(fā)，首先得到的是電勢(shì)差而不是電勢(shì)。五、學(xué)生的認(rèn)知水平與思維障礙分析高二學(xué)生熟知能的概念，具備用功來(lái)量度能量變化量或用能量變化量來(lái)量度功的習(xí)慣和能力，但學(xué)生學(xué)習(xí)重力勢(shì)能時(shí)沒(méi)有學(xué)習(xí)與重力勢(shì)能相對(duì)應(yīng)的物理量，如“重力勢(shì)”，因此建構(gòu)電勢(shì)和電勢(shì)差的概念，仍是比較困難的過(guò)程。建構(gòu)電勢(shì)、電勢(shì)差等概念之所以難，還有其他因素。傳統(tǒng)的教學(xué)，學(xué)生之所以不能順暢地將重力場(chǎng)中相關(guān)知識(shí)與方法遷移到電場(chǎng)中來(lái)，是因?yàn)閷W(xué)生沒(méi)有感受體驗(yàn)電場(chǎng)力做功與重力做功的類似性，而電荷有正負(fù)又使得電場(chǎng)力做功、電勢(shì)能的變化比重力做功、重力勢(shì)能的變化更復(fù)雜。電勢(shì)和電勢(shì)差相對(duì)抽象，先學(xué)電勢(shì)能再學(xué)電勢(shì)和電勢(shì)差，更符合從具體到抽象的認(rèn)知原則。新版本更注重突出科學(xué)思想和科學(xué)方法的傳播，除粵教版外，其余四個(gè)版本較好地突出了通過(guò)做功研究能量變化的科學(xué)思想。在分析電場(chǎng)力做功的特點(diǎn)之后，根據(jù)類似性就能很自然地得到電勢(shì)能的概念，隨后通過(guò)電勢(shì)能與檢驗(yàn)電荷的比值又得到了電勢(shì)。因此，筆者認(rèn)為人教版和滬科教版更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。六、教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)尊重認(rèn)知規(guī)律，凸顯內(nèi)在聯(lián)系1.教學(xué)中要解決的核心問(wèn)題如何從電場(chǎng)力做功的特性中發(fā)現(xiàn)類似性，并根據(jù)類似性引領(lǐng)學(xué)生建構(gòu)相關(guān)描述電場(chǎng)能性質(zhì)的相關(guān)概念是教學(xué)中要解決的核心問(wèn)題，而問(wèn)題解決的目的是強(qiáng)調(diào)三個(gè)概念建構(gòu)的過(guò)程而非三個(gè)概念的最終表述。電場(chǎng)中的功能關(guān)系和建構(gòu)電勢(shì)差的概念是教與學(xué)的重點(diǎn)，而定量定義電勢(shì)能和電勢(shì)的大小是教與學(xué)的難點(diǎn)。2.教學(xué)中要凸顯的幾個(gè)亮點(diǎn)①如何切入尋找突破口；②如何簡(jiǎn)化電場(chǎng)力做功跟移動(dòng)電荷的路徑無(wú)關(guān)；③如何凸顯內(nèi)在聯(lián)系的知識(shí)結(jié)構(gòu)；④如何運(yùn)用類比突破思維障礙；⑤如何凸顯教學(xué)重點(diǎn)和處理教學(xué)難度；⑥如何基于問(wèn)題解決建構(gòu)知識(shí)。電勢(shì)能是可變的，但電勢(shì)能的變化量是不變的，能量只有在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移中發(fā)生變化時(shí)才有實(shí)際意義。因此，我們不要過(guò)多地將精力糾結(jié)在電勢(shì)能數(shù)值的大小上，應(yīng)更多地關(guān)注電場(chǎng)力做功，關(guān)注電勢(shì)能的變化量，關(guān)注電勢(shì)能與其他形式的能的轉(zhuǎn)化。因此，電勢(shì)能采用定性定義，做到短、平、快。3.知識(shí)結(jié)構(gòu)要凸顯內(nèi)在聯(lián)系吸收教科版的提法，將第一個(gè)二級(jí)主題定為探究電場(chǎng)力做功的特點(diǎn)；由于電場(chǎng)中電勢(shì)相同的各點(diǎn)構(gòu)成的面叫等勢(shì)面，因此等勢(shì)面是二級(jí)主題電勢(shì)里應(yīng)討論的問(wèn)題，將等勢(shì)面單獨(dú)作為一個(gè)二級(jí)主題有點(diǎn)不妥，吸收滬科教版的做法，將等勢(shì)面列為一個(gè)三級(jí)主題。按照電勢(shì)能→電勢(shì)差→電勢(shì)順序，有利于理順電勢(shì)能與電勢(shì)的關(guān)系，從而降低電勢(shì)的教學(xué)難度。教學(xué)思路是電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)→將電場(chǎng)力做功與重力做功進(jìn)行類比→引出電勢(shì)能和電場(chǎng)中的功能關(guān)系→運(yùn)用類比，并用比值法定義電勢(shì)差→選擇參考點(diǎn)后引出電勢(shì)，然后：重力勢(shì)能的相對(duì)性→電勢(shì)能的相對(duì)性→電勢(shì)的相對(duì)性。這個(gè)思路傳承滬科教版的設(shè)計(jì)思路，凸顯通過(guò)做功研究能量變化的思想，從電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)切入，以電場(chǎng)中的功能關(guān)系為突破口，始終貫穿類比探究這條主線，逐一展示教學(xué)內(nèi)容，更好地理順關(guān)系，邏輯性強(qiáng)，跳躍性小，淡化電勢(shì)能和電勢(shì)定量描述的教學(xué)難度，學(xué)生易于接受。因此，教學(xué)內(nèi)容可按探究電場(chǎng)力做功的特點(diǎn)→電荷在電場(chǎng)中的功能關(guān)系→電勢(shì)差→電勢(shì)的邏輯關(guān)系設(shè)計(jì)知識(shí)結(jié)構(gòu)。教學(xué)中不論按什么樣的邏輯關(guān)系和知識(shí)結(jié)構(gòu)展示教學(xué)內(nèi)容，務(wù)必做到以下三點(diǎn)：（1）力求更加符合認(rèn)知規(guī)律，便于教與學(xué)。學(xué)生已有了電場(chǎng)力的概念，從力做功的角度研究電場(chǎng)力做功的特點(diǎn)。力對(duì)物體做功伴隨著能量的變化，研究電荷在電場(chǎng)中的功能關(guān)系，先得到電勢(shì)能的概念，再得到電勢(shì)差和電勢(shì)的概念。（3）力求加強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，特別是類比能力的培養(yǎng)。用重力場(chǎng)與電場(chǎng)類比，用熟知的重力場(chǎng)去認(rèn)識(shí)尚未了解的有相似規(guī)律的電場(chǎng)，從理性思維方面訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)探究能力。在教學(xué)過(guò)程中，著力突出類比的思維特征，適當(dāng)強(qiáng)調(diào)類比中的求證環(huán)節(jié)。旨在學(xué)生體驗(yàn)類比優(yōu)越性的同時(shí)，掌握電勢(shì)能電勢(shì)差的有關(guān)知識(shí)，力爭(zhēng)將三維目標(biāo)都放在合適位置上。4.從三個(gè)概念教學(xué)看課程內(nèi)容與教學(xué)內(nèi)容的關(guān)系教科書是編者在理解、領(lǐng)會(huì)課程標(biāo)準(zhǔn)的理念、目標(biāo)和要求的前提下，根據(jù)編者的教學(xué)研究成果而撰寫的。課程內(nèi)容在課堂教學(xué)中主要以教科書的形式出現(xiàn)，而教學(xué)內(nèi)