陈德康 郝睿
摘 要：物理核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任. 物理是一门以实验为基础的学科，实验作为培养学生物理核心素养的手段显得尤为重要.在“两种电荷”这一节中，常见的教学方式是以讲授法为主，启发性的实验较少，多数是验证性实验.本文以实验为主线进行师生双边活动，利用简单器材培养学生科学思维，让学生体验科学理论演变的过程与建模方法，进而实现学科事实向学科观念的转化.
关键词：物理核心素养;两种电荷;实验教学;教学设计
文章编号：1008-4134（2019）16-0043 中图分类号：G633.7 文献标识码：B
基金项目：宁夏回族自治区高等教育教学改革项目（项目编号NXBJG2018020）.
作者简介：陈德康（1996-），男，江苏常州人，硕士研究生，研究方向：物理教学论.
通讯作者：郝睿（1975-），女，宁夏银川人，硕士，教授，研究方向：物理教学论.
2014年4月，教育部印发《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》，提出研究制定“学生发展核心素养体系”，并指出核心素养的内涵.随后修订的物理课程标准明确提出物理核心素养这个概念[1].较之于此前的三维目标，知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观，更注重发挥物理学科的育人功能与实现人的全面发展.其主要内容包括：物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任[2-3].
物理学科核心素养是科学素养的重要组成部分，科学思维又是物理学科核心素养的重要组成部分.在实际教学中，很多时候物理实验教学变成了教师的演示实验，学生变成了“看客”，实验作为培养学生核心素养的重要途径变成了一种形式，没能起到培养学生获取信息、处理信息、得出结论、做出解释的能力.本文以人教版“两种电荷”为例，围绕物理核心素养，以实验为主线，实现教学过程.
1 教学目标
A1：能根据实验现象描述带电物体之间存在的力.
A2：知道世界上只存在两种电荷，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引.
A3：通过亲身经历学科知识的诞生过程归纳出正负电荷相互作用的规律，在此基础上鼓励学生勇于质疑，设计表格，记录数据，培养学生的实证精神，学习科学研究方法.
A4：知道电中性、绝缘体、导体、电荷守恒的概念.理解起电是电荷的分离过程，不是创生过程.通过图像建立电荷守恒模型、得失电子模型、原子核微观模型，培养学生建立模型的意识与能力，训练学生的表象思维.
A5：在理解摩擦起电本质的基础上，设计一种方案，判断出教师提供的器材哪些容易得到电子，哪些容易失去电子.培养学生的科学探究能力和科学态度与价值观.
本文基于核心素养，设立四个环节，充分让学生参与课堂，建立“教师闭嘴型”课堂.教学流程图如图1所示.
2 教学过程
2.1 起步实验
教师准备打孔机，打下一些碎圆纸片，让学生将经毛皮摩擦过的塑料尺移近小纸屑，观察分析当尺靠近纸屑，有什么现象发生？当尺移近纸屑时，你是否观察到某些未曾预料到的结果？在观察这些现象后，思考当尺移近纸屑之前，有哪些力作用在纸屑上？当尺移近纸屑时，你能否推断出纸屑受到了哪些力的作用？根据对上述问题的思考，提出一种假设，以解释尺对纸屑的作用.学生在实验过程中发现，尺靠近时，许多小纸屑被尺子所吸引，有的同学会发现一些与其他人不一样的现象，比如小纸屑集中在尺子被摩擦的部分，小紙屑被吸附一段时间后，会掉下来.根据这些实验现象，教师引导学生作出假设，有一个较强的力作用在纸屑上，且这个力比向下的重力更大，那么摩擦过程中到底发生了什么呢？是不是摩擦过程中“产生”了一种特殊的力，使得尺子具有吸引轻小物体的性质？
【设计意图】本节课是电学的开端，学生认知里只有生活的一些常识，没有转化为物理观念.在摩擦尺子吸引小纸屑的实验环节中，相比教师演示实验，直接给出摩擦过的尺子带了电荷，本环节通过一连串的问题，从学生熟悉的受力分析入手，引导学生逻辑推导，为之后的起电、电荷概念、电荷间的相互作用打下基础.在观察尺与小纸屑相互作用的过程中，培养学生发现问题、提出假设猜想的科学探究意识.
2.2 探究实验
2.2.1 讲授带电物体的特性
（1）实验分析与总结
“起步实验”中提到的力和重力还是有区别的，实验中同学们发现尺子的吸引力会消失，而重力不会消失，且只有毛皮摩擦过的塑料尺才有这样的现象.
（2）科学探究历程
教师给学生介绍前人在摩擦起电上的研究历程，从古希腊泰勒斯发现摩擦过的琥珀可以吸引小物体到富兰克林的风筝实验，人类对该类现象的探索从未停止.
（3）得出结论
摩擦起电：人们将这种吸引轻小物体的特性称为“带电”，将物体经过摩擦而显示出的电荷相互作用的过程称为摩擦起电.
【设计意图】经过学生的观察分析，学生的认知从力学转向电学，通过人类摩擦起电研究历程的介绍，使学生获得起电概念.
2.2.2 追随前人脚步，探究电荷的本质
让学生两两分组合作，教师为学生准备透明胶带、剪刀等器材，利用简单的器材来揭示电荷的相互作用.
实验1：分别剪两段适当长度的胶带，将其分别粘在干燥、光滑的桌子上，留有几厘米的长度折叠做把手.接着迅速将胶带从桌子上拉起，将其背面靠近.学生会观察到两个胶带居然相互排斥，如图2所示.教师随即展开追问：为什么这个实验与起步实验现象不同呢？二者之间为什么没有相互吸引？经过学生讨论思考之后，教师揭示原因，原来两个胶带都与桌面产生了摩擦，相互排斥说明都带了电，由于带电方式相同，那么我们根据实验推理出一条带电物体重要的特性——带相同电荷的物体相互排斥.
实验2：在证明了同种电荷之间的相互作用特性后，如果是不同的电荷会是什么样的结论呢？教师指导学生进行探究实验，先将一条胶带粘在桌面上，再剪出另一条差不多长度的胶带，粘在第一条胶带的上面，使它们叠在一起，再拉住胶带的把手，使其离开桌面.用手指摩擦胶带，使得它们不再被手吸引，表明胶带的电荷已经被移走.此时，再将这两个胶带快速分开，又会发现什么现象呢？学生发现分开后胶带同时被手吸引，但是彼此靠近不再排斥，而是相互吸引，如图3所示.表明扯开后胶带又带电了，根据第一个小实验，学生推理得出，两个胶带带的不是同种电荷，是异种电荷.
小结：两种电荷：人类在之后的研究中发现，自然界只存在两种类型的电荷——正电荷和负电荷.构建正负电荷模型，正电荷：富兰克林将与丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷命名为正电荷;负电荷：与毛皮摩擦过的硬橡胶所带的电荷命名为负电荷.正负电荷具有同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引的特性.
实验3：教师随后展开追问：自然界是否存在第三种类型的电荷？如果没有，如何证明？教师提供塑料纸，布料，塑料袋等器材，学生利用上一个实验的两个胶带，通过摩擦使得不同的器材带电，发现绝大多数的带电物体会吸引一条胶带而排斥另外一条胶带，也就是所带电荷要么与胶带1相同，要么与胶带2相同.因此，不存在第三种类型的电荷.
【设计意图】在获得起电概念后，由学生完成三个小实验.实验1中通过两个胶带的起电方式相同推断出它们带的电荷相同，再根据实验现象，推理出同种电荷相互排斥.在此基础上，实验2观察到两个胶带相互吸引，表明两个胶带不是带的同种电荷，因此推理出异种电荷相互吸引.在实验3中，学生一般不会想到教师所提的问题，因为他们觉得自然界只有正负电荷是很正常的事情，是理所应当的.通过这个环节使学生养成善于质疑，不断探索的科学态度与责任，在问题解决的过程中培养了学生的实证意识[4].
三个小实验使学生获得了摩擦起电物理概念，建构了正负电荷模型.在实验过程中引导学生进行科学推理，得出正负电荷的特性.科学论证了自然界只存在两种电荷，培养了学生质疑创新的科学精神[5].
2.3 建构模型，探寻摩擦起电的本质
概念建构：1897年汤姆孙发现了电子，这种粒子质量很小，且带负电荷.在随后的时间，他的学生卢瑟福发现了带正电的原子核，提出了原子的核式结构.如果原子核所带的正电荷与核外电子所带的负电荷数量上相等，那么就说该原子呈电中性，整体不显电性，教师以氢原子和氦原子为例在黑板上画出微观结构图.
提出问题：那为什么两个物体摩擦过后，就会显电性呢？为什么有的物体带正电，有的带负电呢？你能用简单的示意图表示出来吗？
学生活动：以毛皮摩擦硬橡胶棒为例，从微观角度，画出电子转移的过程，如图4所示.做出猜想：在摩擦过程中毛皮原子中的电子转移到了硬橡胶棒上，且得到的电子与失去的电子是等量的.
分析推理：带电是因为原子核所带的正电荷与核外电子的数量不相等了，物体得到电子，电子的数量多了，就会显示负电.失去电子，物体就会带正电.摩擦过程中，不同的原子核束缚电子的能力不同，束缚能力强的物体会得到电子，带负电.反之，束缚力弱的就会失去电子，带正电.因此我们可以得出电荷守恒定律的概念：对于一个孤立系统，不论发生什么变化，电荷的代数和总是保持不变的.
展开追问：同学们现在知道为什么实验1中胶带带同种电荷，而实验2中，胶带相互扯开就带异种电荷了吗？
【设计意图】通过教师的讲解，利用图形与符号来培养学生的表象思维，构建原子核微观模型、得失电子模型、电荷守恒模型.让学生理解电荷不是被创生、消灭，而是发生了转移使得正负电荷分离.在学生获得知识的同时，运用它们解释刚刚自己所做实验的原理，从而做到理解学科事实，将其转化为学科观念[6].
2.4 概念区分
教师引导：在课堂刚开始的那个实验中，有些同学发现小纸屑大多数聚集在橡胶棒被摩擦过的部分，根据之前学习的知识，摩擦过的橡胶棒带了电，那为什么远离被摩擦的地方吸引效果不明显呢？学生经过思考，可能会有这样的猜想：是不是多余的负电荷积聚在被摩擦过的地方？
概念建构：有些物体不容易导电，因为它们不容易传导电荷，电荷在体内很难发生移动，这些物体称为绝缘体.例如：橡胶、玻璃、大多数塑料、干燥的木头等.
展开追问：同学们都知道相对于绝缘体的物质是导体，根据刚才的分析，大家可以推理得知电荷在导体内很难累积，容易自由移动，那么如何证明呢？
对于导体的带电方式，学生可能比较陌生，教师可以适当的提示，比如，我们还可以直接手拿着金属棒吗？为什么呢？我们一般使用起电机使得金属棒带电，教师提供绝缘胶、绝缘柄、手摇起电机、小纸屑等器材.
对比实验：
（1）学生用毛皮摩擦橡胶棒的一端，用另一端接近小纸屑，观察实验现象.
（2）直接手拿着金属棒会导致金属棒的电荷经过人手跑掉，利用起电机使得金属棒一端带电（如图5a所示），看看另一端能不能吸引小纸屑.
小结：对比两组实验现象，学生们发现，橡胶棒摩擦过的一端吸引小纸屑现象明显，远离摩擦端的部分不吸引小纸屑.而金属棒另一端可以吸引小纸屑，但是吸引力没橡胶棒那么大（如图5b所示）.因此，我们把容易导电、体内电荷容易发生移动的物体称为导体，不容易导电、体内电荷不容易发生移动的物体称为绝缘体.
【设计意图】在对比绝缘体与导体吸引小纸屑的实验中，学生根据老师的提示，从实验现象中得出结论，从本质上理解导体与绝缘体的区别，也避免了学生将导电与带电混淆，误认为绝缘体不能带电.
2.5 拓展应用
（1）动手体验：
在實验2中，同学们能分辨出来哪个胶带是带正电的吗？学生自己思考后发现可以运用电荷之间的相互作用的知识来解决这个问题.将丝绸摩擦过的玻璃棒分别靠近两个胶带，如果有胶带与玻璃棒相互排斥，说明该胶带带正电.
教師提供细线、支架、铜管、塑料棒、玻璃棒、铅笔、塑料袋、PVC管、铝箔等器材，让学生独立设计方案，检测哪些物体容易失去电子，哪些物体容易得到电子，尝试不同物体的组合，设计表格，观察实验现象，记录数据.学生之间合作做实验，将结果进行组间交流，
（2）解决问题：
在实际生活中，大型卡车后端常常拖有一根镶嵌金属丝的橡皮条或铁链，这有什么用呢？当发生闪电的时候，什么物质充当了导体？课后查阅资料，解决上述问题.
【设计意图】在设计方案与表格、记录数据的过程中掌握科学研究方法，培养学生的科学探究与科学思维.通过真实的问题情境内化学生所学的物理事实，并运用其解决实际问题，培养学生的科学态度与责任.
3 总结
最新的物理课程标准强调发展学生的学科思维，注重学生的学科实践，培养学生的推理能力.在“两种电荷”的教学设计中，以探究实验为主线，合理设计教学环节，渗透物理核心素养的培养，有利于学生学习学科事实的同时，形成科学思维，具备科学探究的方法，养成科学态度与责任[7].通过手摇起电机、胶带、绝缘胶等器材，可以让学生充分经历猜想、实验推理、归纳总结的过程，打造以学生为主体，教师为主导的课堂.
参考文献：
[1]申继亮.把握育人方向 创新育人模式——解读教育部《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》[J].基础教育课程，2015（03）：10-12.
[2]中华人民教育部.普通高中物理课程标准（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2018.
[3]罗莹.物理核心素养研究：物理知识与物理观念[J].物理教师，2018，39（06）：2-6.
[4]黄皓燕.追溯电荷的本源探究科学的本质[J].物理教师，2017，38（11）：2-5.
[5]沈伟云.基于科学思维培养的初中物理教学策略[J].物理教师，2018，39（10）：47-48.
[6]张华.论学科核心素养——兼论信息时代的学科教育[J].华东师范大学学报（教育科学版），2019，37（01）：55-65+166-167.
[7]李红玲.核心素养视角下初中物理教学策略浅析[J].新课程（下），2019（04）：52.
（收稿日期：2019-04-13）
