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电场强度是高中物理教材中描述“场”这种特殊物质时遇到的第一个物理量,为了表达一个带电体的“场”对另一个带电体的“场”产生作用时的强度,引入了电场强度E这个概念,定义为单位试探电荷受到的电场力,即E=F/q。这是一个典型的用比值法定义的物理量,具有大小和方向。
由于“场”看不见、摸不着的特殊性,也限于中学阶段的实验条件,无法用真实的实验来进行探究性教学活动,只能以虚拟情景为载体进行探究性活动,我用“几何画板”开发了一个虚拟的探究电场属性的情境,很好地解决了这个问题。
一、教学目标分析
美国教育心理学家布鲁姆针对教学目标的制定,出版了《教育目标分类学》,他认为教学目标共有三个领域,分别是认知领域、情感领域和动作领域。这与新课程改革中“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”的三维目标体系极为吻合。本次教学活动中教学目标的制定我采用布鲁姆教育目标分类学中倡导的操作性语言来表述,使其能够对目标的达成度做出更准确的判断。
知识与技能:能够准确复述电场强度的定义;能准确写出描述电场强度的定义公式;能够准确描述孤立点电荷、等量同种与异种电荷等典型带电体电场线的分布情况;能在具体情境中判断出源电荷、检验电荷与电场强度的关系;能用图示的方法准确画出两个电场强度的矢量合成图;能够通过对电场线的疏密、走向等来具体判断电场的强度与方向。
过程与方法:熟悉在对电场这样的特殊物质的描述中,引入“试探电荷”的方法,通过比值定义电场强度。
情感、态度与价值观:通过对“场”这种特殊物质的了解,理解物理世界的物质性、客观性。
二、虚拟探究情境的开发
1.“点电荷电场”积件的开发
图1所示的是积件“探究电场强度E”的界面,主要包括以下几个部分。
⑴设置了可调节的变量。本积件以虚拟的情境为载体,充分体现“比值方法”定义物理量的思维过程:电场的强弱不能仅用电场力来描述,因为电场力与放入电场的试探电荷的电量和电性有关系,采用单位试探电荷的电场力来描述就解决了问题。因此,积件中设置的可调节变量有:源电荷Q的大小和电性、试探电荷q的大小和电性、两电荷间的距离r。电场力F是运用库仑定律计算得出的,并以矢量的方式展示在界面上。
⑵使用说明。为了便于学生的自主探究活动,界面中对积件的基本操作做了介绍,主要的功能有:①拖动界面上“q调节点”、“Q调节点”,可以连续改变电荷的带电量。②拖动“试探电荷”点,可以改变试探电荷在电场中的位置,试探电荷受到的电场力的大小、方向可以同步、动态显示。
③通过软件提供的“测算”和“计算”菜单,可以进行数据的模拟采集和定量研究。
2.等量同(异)种电荷电场叠加的积件开发
积件界面如图2所示。⑴可调节的参量:两个源电荷的电量与电性、两个源电荷间的距离。⑵E叠加的“平行四边形定则”:拖动源电荷改变两个源电荷间的相对位置,观察界面中场强合成的动态变化图。
设计意图:本次教学活动中,设计的虚拟情境是探究性活动开展的关键。学生通过虚拟的探究性情境,有基于自身思考、操作的探究性活动。学生要成为整个探究性活动的主体,积件只是辅助学生深入思考问题的一个工具,学生可以在拖、看、算、思等一系列活动中逐步展开深层次的学习活动。
三、探究活动展示
本次活动以小组合作的形式开展,小组以2人~3人为宜。教学活动在网络教室中进行,课前印发一张本次探究活动的基本程序的说明,主要参考了物理新课程标准中关于“科学探究”活动的7个要素来设计。
设计意图:只有信息的流动、思想的碰撞,才能共享理解和智慧。预设的静态目标和动态生成目标的有机结合是促进学生学习过程开展的基础。学生提出的疑问、提交的作品等交互方式留下一个个鲜活的思维轨迹,是促进群体达成共识过程中真正有价值的信息。
探究活动一
⑴选定界面中的“r”、“试探电荷q”、“电场力F”的测量值,利用“度量”菜单下的“制表”功能,将三组测量值用列表的方式表示在屏幕上。
⑵保持试探电荷的位置不变,用鼠标拖动“q调节点”,可以改变试探电荷q的电量与电性,然后双击表格,可以将同时测得的三组值填入表格中,重复六组后,积件界面显示如图3。
在电场中一个确定位置上放置不同的电性和电量的试探电荷时,试探电荷所受的电场力F的大小和方向都会发生变化,在得到图3中的数据后,教师有意识地引导学生观察电场力随试探电荷电量大小变化的趋势。之后,要求学生用鼠标拖动“试探电荷”点,观察“试探电荷q”与“电场力F”之间大小变化关系。学生在上述操作和记录的两项活动中得出如下结论:源电荷对试探电荷的电场力随着“试探电荷q”的变大而变大,也就是说电场力会与“试探电荷q”有关系。
探究活动二
⑴调用“几何画板”自带的计算器,逐项计算“电场力F/试探电荷q”的比值,计算结果如图4所示。
⑵先计算“电场力F/试探电荷q”的比值,再选定界面中的“试探电荷q”、“电场力F”、“F/q”的测量值,利用“度量”菜单下的“制表”功能,将三组测量值用列表的方式表示在屏幕上,如图5所示。
设计意图:探究活动二中用两种方法计算单位试探电荷所受到的电场力,不论哪种方法,都可以看到,“电场力F/试探电荷q”的比值是一个常数。这个环节突出表现了将技术作为一种认知活动工具的思想,计算机掌握在学生手中,一些活动都是学生在探究问题的引导下展开的,结论是学生自己思考的自然产物,不是教师给出的。
探究活动三
改变“试探电荷q”的位置,“电场力F/试探电荷q”的比值是一个不同的常数,如图6所示。
探究活动四
改变源电荷的大小,“电场力F/试探电荷q”的比值是一个不同的常数,如图7所示。
设计意图:探究活动三和四让学生独立操作、思考,得出结论。为了给学生提供一个可以随时进行交流的空间,我在网络化学习环境中设置了“你问我答”栏目,很好地实现了学生间、师生间的互动交流。
探究活动五
⑴等量同种电荷连线中垂线上的场强叠加:双击屏幕上的“等量同种电荷连线中垂线上的场强”按钮,再双击“动画演示”按钮,观察合场强的大小变化规律(先变大再变小)。⑵改变两个源电荷间的相对位置,重复⑶中的探究,可以得到合场强的大小变化规律总是先变大再变小。⑶等量异种电荷连线中垂线上的场强叠加:双击屏幕上的“等量异种电荷连线中垂线上的场强”按钮,再双击“动画演示”按钮,观察合场强的大小变化规律,如图8所示。
设计意图:这个环节是本次探究活动的一个难点,对于“合场强的大小变化规律总是先变大再变小”这个结论,定性分析只能进行这样的推理:在两个电荷连线的中点,在离两个电荷连线的无穷远电场强度为零,那么这两个点之间按照逻辑推理应该是先变大再变小。这样的纯理性思考不能完全打开学生的认知世界,上述积件运用“几何画板”能直观动态演示合场强变化规律的特点,将“合场强的大小变化规律总是先变大再变小”这个结论直接展示出来,学生可以任意停留在一个位置上观察此时的电场强度大小和方向,也可以通过动画演示的方式呈现电场强度的整体变化规律。
四、教学反思
1.学习活动分表层学习、深层学习和成效性学习,对于物理学科,新课程倡导的探究性学习是开展深层学习活动的方向。探究性学习方式要求在教学活动中,学生通过自主地发现问题、实验、操作、搜集与处理信息、表达与交流等探索活动,获取知识、技能和情感体验,发展探索精神和创新能力。
2.基于虚拟情境的学习,要注意把构建物理问题时的科学性放在第一位。“几何画板”在构建物理问题的情境时,设计者是通过对问题模型的提炼,运用科学的计算得到的演示效果。学生可以通过预设的参数调节设置,根据需探究问题的步步引导,与情境进行对话,从而获取习得。
3.本次探究性学习活动以网络化学习环境为依托,突出了网络环境对学习活动的支持,包括实时的人机对话、阶段性探究成果的展示、以文本为载体的探究性资源的提供以及学伴和教师提供的学习支持等。
(作者单位:江苏常熟市教育局教科室)
由于“场”看不见、摸不着的特殊性,也限于中学阶段的实验条件,无法用真实的实验来进行探究性教学活动,只能以虚拟情景为载体进行探究性活动,我用“几何画板”开发了一个虚拟的探究电场属性的情境,很好地解决了这个问题。
一、教学目标分析
美国教育心理学家布鲁姆针对教学目标的制定,出版了《教育目标分类学》,他认为教学目标共有三个领域,分别是认知领域、情感领域和动作领域。这与新课程改革中“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”的三维目标体系极为吻合。本次教学活动中教学目标的制定我采用布鲁姆教育目标分类学中倡导的操作性语言来表述,使其能够对目标的达成度做出更准确的判断。
知识与技能:能够准确复述电场强度的定义;能准确写出描述电场强度的定义公式;能够准确描述孤立点电荷、等量同种与异种电荷等典型带电体电场线的分布情况;能在具体情境中判断出源电荷、检验电荷与电场强度的关系;能用图示的方法准确画出两个电场强度的矢量合成图;能够通过对电场线的疏密、走向等来具体判断电场的强度与方向。
过程与方法:熟悉在对电场这样的特殊物质的描述中,引入“试探电荷”的方法,通过比值定义电场强度。
情感、态度与价值观:通过对“场”这种特殊物质的了解,理解物理世界的物质性、客观性。
二、虚拟探究情境的开发
1.“点电荷电场”积件的开发
图1所示的是积件“探究电场强度E”的界面,主要包括以下几个部分。
⑴设置了可调节的变量。本积件以虚拟的情境为载体,充分体现“比值方法”定义物理量的思维过程:电场的强弱不能仅用电场力来描述,因为电场力与放入电场的试探电荷的电量和电性有关系,采用单位试探电荷的电场力来描述就解决了问题。因此,积件中设置的可调节变量有:源电荷Q的大小和电性、试探电荷q的大小和电性、两电荷间的距离r。电场力F是运用库仑定律计算得出的,并以矢量的方式展示在界面上。
⑵使用说明。为了便于学生的自主探究活动,界面中对积件的基本操作做了介绍,主要的功能有:①拖动界面上“q调节点”、“Q调节点”,可以连续改变电荷的带电量。②拖动“试探电荷”点,可以改变试探电荷在电场中的位置,试探电荷受到的电场力的大小、方向可以同步、动态显示。
③通过软件提供的“测算”和“计算”菜单,可以进行数据的模拟采集和定量研究。
2.等量同(异)种电荷电场叠加的积件开发
积件界面如图2所示。⑴可调节的参量:两个源电荷的电量与电性、两个源电荷间的距离。⑵E叠加的“平行四边形定则”:拖动源电荷改变两个源电荷间的相对位置,观察界面中场强合成的动态变化图。
设计意图:本次教学活动中,设计的虚拟情境是探究性活动开展的关键。学生通过虚拟的探究性情境,有基于自身思考、操作的探究性活动。学生要成为整个探究性活动的主体,积件只是辅助学生深入思考问题的一个工具,学生可以在拖、看、算、思等一系列活动中逐步展开深层次的学习活动。
三、探究活动展示
本次活动以小组合作的形式开展,小组以2人~3人为宜。教学活动在网络教室中进行,课前印发一张本次探究活动的基本程序的说明,主要参考了物理新课程标准中关于“科学探究”活动的7个要素来设计。
设计意图:只有信息的流动、思想的碰撞,才能共享理解和智慧。预设的静态目标和动态生成目标的有机结合是促进学生学习过程开展的基础。学生提出的疑问、提交的作品等交互方式留下一个个鲜活的思维轨迹,是促进群体达成共识过程中真正有价值的信息。
探究活动一
⑴选定界面中的“r”、“试探电荷q”、“电场力F”的测量值,利用“度量”菜单下的“制表”功能,将三组测量值用列表的方式表示在屏幕上。
⑵保持试探电荷的位置不变,用鼠标拖动“q调节点”,可以改变试探电荷q的电量与电性,然后双击表格,可以将同时测得的三组值填入表格中,重复六组后,积件界面显示如图3。
在电场中一个确定位置上放置不同的电性和电量的试探电荷时,试探电荷所受的电场力F的大小和方向都会发生变化,在得到图3中的数据后,教师有意识地引导学生观察电场力随试探电荷电量大小变化的趋势。之后,要求学生用鼠标拖动“试探电荷”点,观察“试探电荷q”与“电场力F”之间大小变化关系。学生在上述操作和记录的两项活动中得出如下结论:源电荷对试探电荷的电场力随着“试探电荷q”的变大而变大,也就是说电场力会与“试探电荷q”有关系。
探究活动二
⑴调用“几何画板”自带的计算器,逐项计算“电场力F/试探电荷q”的比值,计算结果如图4所示。
⑵先计算“电场力F/试探电荷q”的比值,再选定界面中的“试探电荷q”、“电场力F”、“F/q”的测量值,利用“度量”菜单下的“制表”功能,将三组测量值用列表的方式表示在屏幕上,如图5所示。
设计意图:探究活动二中用两种方法计算单位试探电荷所受到的电场力,不论哪种方法,都可以看到,“电场力F/试探电荷q”的比值是一个常数。这个环节突出表现了将技术作为一种认知活动工具的思想,计算机掌握在学生手中,一些活动都是学生在探究问题的引导下展开的,结论是学生自己思考的自然产物,不是教师给出的。
探究活动三
改变“试探电荷q”的位置,“电场力F/试探电荷q”的比值是一个不同的常数,如图6所示。
探究活动四
改变源电荷的大小,“电场力F/试探电荷q”的比值是一个不同的常数,如图7所示。
设计意图:探究活动三和四让学生独立操作、思考,得出结论。为了给学生提供一个可以随时进行交流的空间,我在网络化学习环境中设置了“你问我答”栏目,很好地实现了学生间、师生间的互动交流。
探究活动五
⑴等量同种电荷连线中垂线上的场强叠加:双击屏幕上的“等量同种电荷连线中垂线上的场强”按钮,再双击“动画演示”按钮,观察合场强的大小变化规律(先变大再变小)。⑵改变两个源电荷间的相对位置,重复⑶中的探究,可以得到合场强的大小变化规律总是先变大再变小。⑶等量异种电荷连线中垂线上的场强叠加:双击屏幕上的“等量异种电荷连线中垂线上的场强”按钮,再双击“动画演示”按钮,观察合场强的大小变化规律,如图8所示。
设计意图:这个环节是本次探究活动的一个难点,对于“合场强的大小变化规律总是先变大再变小”这个结论,定性分析只能进行这样的推理:在两个电荷连线的中点,在离两个电荷连线的无穷远电场强度为零,那么这两个点之间按照逻辑推理应该是先变大再变小。这样的纯理性思考不能完全打开学生的认知世界,上述积件运用“几何画板”能直观动态演示合场强变化规律的特点,将“合场强的大小变化规律总是先变大再变小”这个结论直接展示出来,学生可以任意停留在一个位置上观察此时的电场强度大小和方向,也可以通过动画演示的方式呈现电场强度的整体变化规律。
四、教学反思
1.学习活动分表层学习、深层学习和成效性学习,对于物理学科,新课程倡导的探究性学习是开展深层学习活动的方向。探究性学习方式要求在教学活动中,学生通过自主地发现问题、实验、操作、搜集与处理信息、表达与交流等探索活动,获取知识、技能和情感体验,发展探索精神和创新能力。
2.基于虚拟情境的学习,要注意把构建物理问题时的科学性放在第一位。“几何画板”在构建物理问题的情境时,设计者是通过对问题模型的提炼,运用科学的计算得到的演示效果。学生可以通过预设的参数调节设置,根据需探究问题的步步引导,与情境进行对话,从而获取习得。
3.本次探究性学习活动以网络化学习环境为依托,突出了网络环境对学习活动的支持,包括实时的人机对话、阶段性探究成果的展示、以文本为载体的探究性资源的提供以及学伴和教师提供的学习支持等。
(作者单位:江苏常熟市教育局教科室)