黄佳

摘  要：核心素养下PBL（Problem-Based Learning）教学法，就是学生在问题情境中自主学习，进行科学探究，进而解决问题的过程。文章以“电场强度”为例进行创新教学设计和分析，使学生形成正确的物理观念，培养学生的逻辑思维能力和科学探究能力，进而在这个过程中提升学生的物理学科核心素养。

关键词：核心素养;PBL教学法;科学探究;教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）1-0033-4

1    物理核心素养与PBL教学法的内在联系

物理核心素养由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度和责任”4个方面构成。物理核心素养是指学生在接受物理教育过程中逐步形成的适合个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，是学生科学素养的重要构成部分。如何在物理课堂教学中体现物理核心素养？什么样的教学设计才能促進学生物理核心素养的提升？笔者试图借助PBL教学法的创新应用来谈谈自己的一些想法。

PBL（Problem-Based Learning）教学法，也称为基于问题的教学或问题导向式教学，教学过程中的学生为了理解或者解决一个具体问题而进行自主学习的过程。PBL教学法是一种在真实问题情境中，以小组合作的学习形式，在教师引导下共同解决问题，学生在构建物理知识的基础上，发展自身的合作学习能力、问题解决能力及自主学习能力的一种教学方式。 PBL教学法的这些理念与优势和物理核心素养的要求不谋而合。PBL教学法完美呈现了培养学生物理核心素养的过程，即学生的学习过程是不断探究发现的过程，是解决真实问题的过程，并在解决问题的过程中提出新的问题，继而再解决新问题的不断循环递进的过程。

2    核心素养下PBL教学法的模型建构

基于问题的学习，就是通过系列的问题来推动持续性学习行为的活动，它要求学习活动以问题的发现与提出为开端，用有层次、结构化、可持续、可拓展的问题系统贯穿学生的学习过程和知识的整合过程，通过问题系统的解决，完成学习的有效迁移，实现知识的连续构建。基于此，基于PBL教学法的创新教学设计的基本流程如图1。

本教学设计通过分解教学目标来构建问题系统。把教学目标根据教学内容的内在关系分解为一个个递进的、具体的子任务，然后把由教学目标分解得到的教学子任务转化为问题的形式呈现给学生，从而构建问题系统。以“电场强度”为例，构建本节课的教学子任务和问题系统，并且由之生成课堂探究活动，如表1。

3    核心素养下PBL教学法在课堂教学中的实践

3.1    创设问题情境建立电场的概念

提出问题1：如图2所示，带电铝箔由于受到金属球给它的力而摆起一定的角度。 两个带电体之间没有相互接触，为什么会有力的作用呢？

学生小组讨论：两个带电体之间发生相互作用，历史上有两种观点，一种是“超距作用”的观点，还有一种是“场”的观点。

演示实验1：破解“超距作用”的观点。按照超距作用的观点，铝箔和金属球之间有无介质都不会影响两者的相互作用，这时用金属网罩住金属球时，发现铝箔摆动角度减小，受力减少。这样就简单地论证了“超距作用”观点的不足，并结合物理学史，让学生体会科学思维之美。从而建立了“场”的观念：电荷和电荷之间的相互作用也是通过电荷周围的特殊物质发生的，这种物质就是电场。

3.2    定性实验探究电场力与电场强弱的关系

笔者在实际教学中发现，如果按照教材的描述进行教学，学生可以“很轻松”地得到：E=。但是，绝大部分学生不明白为何要用力F来定义电场;其次，学生只知道是常量，而不知道为什么要将F和q相比。所以，建构电场强度概念的过程，是对学生逻辑思维能力进一步培养的过程。

提出问题2：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，我们如何判断电场的强弱呢？

学生小组讨论：电场看不见、摸不着，是物理学中的抽象概念，我们可以通过看得见、摸得着的物理量去研究电场，这个物理量就是电荷在电场中受到的电场力。

演示实验2：定性研究电场力与电场强弱的关系，实验现象如图3所示。铝箔靠近金属球时，绳子的偏角增大，表示所受到的电场力变大，说明该点的电场强度较强。

设计意图：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。本节课的电场以及后面要学到的电势能、磁场等概念，都用这样的思想进行研究。根据电场力的特性，我们可以通过研究电场力来完成对电场强弱的研究。但是，学生往往会简单地认为，电场力就可以直接用来表示电场的强弱。那么，如何破解这个难点呢？

提出问题3：可以用电场力的大小直接表示该点电场的强弱吗？

学生小组讨论：不能。电场力的大小还和试探电荷自身的带电量有关。根据演示实验2可知，同一试探电荷越靠近金属球所受电场力越大，说明越靠近金属球的地方场强越大。但是如果在靠近金属球的地方放一个带电量很小的试探电荷，所受的电场力有可能很小，这样电场力的大小就不能直接反映电场的强弱。

演示实验3：破解电场力与电场强弱关系的难点问题，实验现象如图4所示。通过不断减少铝箔的带电量，可以观察到距离金属球近的地方，铝箔所受电场力小。实验现象验证了学生小组讨论的结果是正确的。

3.3    理论探究电场强度的比值定义式

提出问题4：我们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，我们该如何定义该点电场的强弱呢？

学生小组讨论：根据演示实验2和演示实验3可知，研究过程中共涉及三个物理量，试探与电荷金属球间的距离（反映了电场的强弱），铝箔的带电量和铝箔所受的电场力，研究三者之间的关系要用到控制变量法。当用同一个试探电荷时，带电量相同，这时可以用所受电场力来表示该点电场的强弱。而当铝箔带电量不同时，不能直接用所受电场力的大小来表示电场的强弱，因为此时所受的电场力还和试探电荷的带电量有关。类比速度的定义方法，用位移与时间的比值表示物体运动的快慢，我们可以用铝箔所受的电场力除以带电量，得到单位电荷所受的电场力，用来表示电场的强弱。

理论验证建立电场强度的比值定义式。当距离金属球的位置固定时，该点的电场强弱也就确定了，改变铝箔的带电量，通过库仑定律得到铝箔所受的电场力，设计表格如表2。

学生总结提升：由表2可知，铝箔所受的电场力和带电量的比值是一个定值，这个定值与试探电荷的带电量无关，与所受电场力也无关，只反映了该点的场强大小，这种定义方法是比值定义法。物理学中把这个比值定义为电场强度E，E=。

3.4    半定量实验进一步构建电场强度的概念

提出问题5：我们通过理论探究完成了电场强度概念的构建，如何通过实验来验证呢？而且，理论探究过程中电场强度概念的得出是在点电荷电场模型下进行的，缺乏对一般性电场的延伸与拓展，电场强度的概念对一般电场也适用吗？

学生小组讨论：设计一个半定量实验来验证电场强度E与试探电荷和电场力无关，只与电场本身有关。由于设计这个半定量实验需要在一般的电场中完成，所以空间中的电场由一块带电金属板产生，这样就从点电荷的电场拓展到一般电场。在金属板的上方某一位置放置一个金属带电小球，实验过程中通过均分法改变金属球的带电量。根据牛顿第三定律，电子秤测量金属板受力的值就是金属球所受电场力的大小。实验装置如图5。

实验原理及步骤：通过相同金属小球等分电荷的原理，得到两个带电量相同的金属小球。把其中一个带电金属小球放在电场中的位置1，再通过等分电荷的原理改变金属球的带电量，测量金属球所受到的电场力。把另一个带电金属小球放在电场中的位置2，通过等分电荷的原理改变金属球的带电量，测量金属球所受到的电场力。把测量数据记录在表3中。

学生总结提升：由表3的数据，利用Excel表格得到图像（如图6）。根据实验现象得出结论：F与q的比值是一个定值，说明电场强度与试探电荷无关。并且，在电场中不同位置测得的比值不相等，说明电场强度与试探电荷无关，只与电场本身有关。

设计意图：通过半定量实验让学生体验完整的科学探究过程，提出问题—理论探究—定性实验—半定量实验，使学生能够更加清晰地构建出电场强度的概念，并且理解比值定义法的物理意义。

3.5    学以致用，理论探究点电荷场强的决定式

提出问题6：学习了电场强度的概念，你可以得出点电荷的场强公式吗？

学生小组合作：根据库仑定律F=k，可知，E==k。这就是点电荷周围的场强公式，与定性实验的结果相符合。并且点电荷的场强公式不同于电场强度的比值定义式，它是决定式，与场源电荷的带电量成正比，与离场源电荷距离的平方成反比。

4    反思与结语

为了突破“电场强度”教学中的重点、难点，笔者通过PBL教学法的教学模式，即：创设问题情境—发现问题、提出问题—分析问题、提出假设—自主探究、合作学习—归纳总结、解决问题—升华问题、合理拓展，降低了学生对于抽象物理概念理解的难度，培养了学生的科学思维能力，让学生更加容易理解比值法的含义以及如何利用比值法定义电场强度，引导学生经历物理概念的建构过程和科学探究的过程，提升了学生的物理核心素养。

参考文献：

[1]戴大勇.物理教学难点突破的方法与策略——以人教版高中物理3-1“电场 电场强度”为例[J].物理教师，2018，39（2）：33-36.

[2]王俊.還原概念建构情境 揭示科学思维过程——记“电场强度”概念建构教学[J].中学物理教学参考，2012，41（11）：22-23.

（栏目编辑    邓   磊）