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尊重认知规律凸显内在联系化解思维障碍——五种版本教科书编排电势能电势电势差内容的比较

时间:2015-6-4 16:33:37更新 | 本文已帮助0

标签:尊重认知规律凸显内在联系化解思维障碍——五种版本教科书编排电势能电势电势差内容的比较

     电势能、电势和电势差既是课标内容,也是电场部分的核心内容.五种版本对课标内容的处理各不相同.解读课程标准,研读五种版本,凸显内在联系,化解思维障碍.

  一、认真解读反复领会课程标准要求

  教科书是依据课程标准编写的,理解教科书务必先领会课程标准,进而更好地把握教科书编者的用意.

  内容标准(4) 知道电势能、电势,理解电势差.

  解读  电势能是相对,我们往往更关注电势能的变化量.电势差是反映电场本身性质的物理量,是电势能变化与电场力做功联系桥梁和纽带,在电路与技术中应用也较多,是教与学的重点.电势能与电势对应,数值的大小与零电势的选择有关,是教与学的难点.因此,课标对于电势能和电势的要求属于了解水平,而对电势差要求达到理解水准.课标凸显用能量的观点来分析电场的性质,对于物理学习水平较好的学生可以适当介绍一些等势线和等势面的知识,帮助学生加强深对电场性质的认识,同时也渗透了物理学的研究方法.

  二、五种版本编排知识结构顺次比较

  人教版一级主题分为“电势能和电势”、“电势差”,按“静电力做功的特点—电势能—电势—等势面—电势差”的顺次设计知识结构.人教版的编排思路是突出了以静电力对试探电荷做功为切入点,首先引导学生认识静电力做功与路径无关;接着与重力对物体做功与路径无关进行类比建立了电势能的概念,并且与重力对物体做功引起重力势能的变化再次类比,得出静电力做的功等于电势能的减少量;与重力势能进行类比得知电势能具有相对性;然后让学生体会电势能的大小与试探电荷的电荷量有关,不能用来描述电场的性质;让学生带着寻找一个与试探电荷无关的、完全由电场的性质决定的、可以描述电场能的性质的物理量去学习电势,从而化解了建立电势概念的学习难点,突出了电势能和电势差概念建立过程的学习重点,突显了电势能和电势数值的相对性,这样处理亲和力强.

  教科版一级主题是“电势差”,凸显课标理解电势差的要求,按“电场力做功的特点—电势差—电势—电势能”的顺次设计知识结构.教科版编排电势能、电势和电势差的顺序,与人教版恰好相反.教科版的编排思路是在引导学生认识电场力做功 与路径无关的基础上,引导学生体验电场力做功 与试探电荷的电荷量 成正比,进而得出 与 的比值与 无关,引入电势差的概念;再将电势差与高度差类比,建立电势的概念;然后用类比法建立静电势能的概念,确立电场力做功与电势能变化的关系.与人教版相比,建立电势差和电势能概念的跳跃性大,建立电势的过程仍比较抽象.

  沪教科版一级主题是“研究电场的能的性质”,分两节编排.按“研究电场做功的特点—研究电荷在电场中的功能关系—电势差—电势—等势面”的顺次设计知识结构。沪科教版的编排思路是想通过研究电荷在电场中的功能关系,很自然地过渡到电势差的教学.

  粤教版一级主题是“电势和电势差”,按“电势差—电势—等势面”的顺次设计知识结构.粤教版的编排秉承了老教材的设计思路,但电势能作为一个非常重要的概念和物理量,编者没有单独将其列出来编写,将其淡化处理,除此之外,粤教版最大的不足是没有很好地突出通过做功研究能量变化的科学思想.

  山东科技版将课标主题“电场”编排为两章,第一章标题是“静电场”,第二章标题是“电势能与电势差”.第二章下设 “电场力做功与电势能”、“电势与等势面”、“电势差”、“电容器 电容”四个一级主题.相关内容按“电场力做功的特点—电势能—电势—等势面—尖端放电—电势差与电场力做功—电场强度与电势差的关系—示波器的工作原理”的顺次设计知识结构.

  三、三个概念定义内容表述的比较

  不同的版本,由于教科书的知识结构不同,概念的表述存在差异,现将五种版本的表述归纳如下:

 

  五个版本对电势能定义表述基本上相同,凸显引入电势能是因为电场力做的功与路径无关,凸显如果电荷沿不同路径移动时静电力做的功不一样时,不能建立电势能的概念.但仔细比较,会发现粤教版与另四个版本,在细节上存在差异:第一,除粤教版外,其余四种版本均推导了电场力做功与路径无关,均凸显了电势能数值的可变性;第二,除粤教版外,其余四种版本既有定性描述,又有定量描述,其中人教版和教科版的定性描述比较到位,通俗易懂,学生容易接受.

  人教版、沪科教版和山东科技版对电势定义的表述基本上相同,均是采用比值法定义物理量;而教科版和粤教版均是从电势的物理意义上定义电场中某点的电势,不过粤教版的指向性更好.

  人教版和山东科技版因电势的概念编排在电势差前面,教科书用电场中两点间的电势的差值来定义电势差的;沪科教版、粤教版均用比值法定义电势差;而教科版是根据电势差的物理意义来定义电势差的.

  四、三个物理量之间的内在联系

  1.能引入电势能电势电势差的概念源自于电场力做功与路径无关

  电场中的各点之所以可以引入电势的概念,是由电场力对电荷做功与路径无关的特性决定的.因此,电场力是保守力.正因为电场力是保守力,才可以引入电势能.电场力做功引起电势能变化,进而引入电势差.

  2.电势的可变性和电势差的不变性

  当场源电荷的分布给定之后,静电场中每一点的场强就唯一确定,但场中各点电势值必须选定电势零点作参考点后才能确定,而电势零点可任意选择,选择不同的参考点,电场中各点的电势值不同,而电场中两点间电势的差值不变,与参考点的选择无关.电场力做功与路径无关,从静电场方程和环路定理出发,首先得到的是电势差而不是电势.

  五、学生的认知水平与思维障碍分析

  高二学生熟知能的概念,具备用功来量度能量变化量或用能量变化量来量度功的习惯和能力,但学生学习重力势能时没有学习与重力势能相对应的物理量,如“重力势”,因此建构电势和电势差的概念,仍是比较困难的过程.

  建构电势、电势差等概念之所以难,还有其他因素.传统的教学学生之所以不能顺畅地将重力场中相关知识与方法迁移到电场中来,是因为学生没有感受体验电场力做功与重力做功的类似性,而电荷有正负又使得电场力做功比重力做功、电势能的变化比重力势能的变化变得更复杂.

  电势和电势差相对抽象,先学电势能再学电势和电势差,更符合从具体到抽象的认知原则.新版本更注重突出科学思想和科学方法的传播,除粤教版外,其余四个版本较好地突出了通过做功研究能量变化的科学思想.在分析电场力做功的特点之后,根据类似性就能很自然地得到电势能的概念,随后通过电势能与检验电荷的比值又得到了电势.因此,笔者认为人教版和沪科教版更符合学生的认知规律.

  六、教学设计应尊重认知规律凸显内在联系

  1.教学中要解决的核心问题

  如何从电场力做功的特性中发现类似性,并根据类似性引领学生建构相关描述电场能的性质的相关概念,而问题解决的目的是强调三个概念建构的过程而非三个概念的最终表述.电场中的功能关系和建构电势差的概念是教与学的重点,而定量定义电势能和电势的大小是教与学的难点.

  2.教学中要凸显的几个亮点

  ①如何切入寻找突破口;②如何简化电场力做功跟移动电荷的路径无关;③如何凸显内在联系的知识结构;④如何运用类比化解思维障碍;⑤如何凸显教学重点和处理教学难度;⑥如何基于问题解决来建构知识的.

  电势能是可变的,但电势能的变化量是不变的,能量只有在转化或转移中发生变化时才有实际意义.因此,我们不要过多地将精力纠结在电势能数值的大小上,应更多地关注电场力做功,关注电势能的变化量,关注电势能与其他形式的能的转化.因此,电势能采用定性定义,做到短、平、快.

  3.知识结构要凸显内在联系

  吸收教科版的提法,将第一个二级主题定为探究电场力做功的特点;由于电场中电势相同的各点构成的面叫等势面,因此等势面是二级主题电势里应讨论的问题,将等势面单独作为一个二级主题有点不妥,吸收沪科教版的做法,将等势面列为一个三级主题.按照电势能—电势差—电势顺序,有利于理顺电势能与电势的关系,从而化解电势的教学难度.教学思路是电场力做功与路径无关 将电场力做功与重力做功进行类比 引出电势能和电场中的功能关系 运用类比,并用比值法定义电势差 选择参考点后引出电势.再由重力势能的相对性 电势能的相对性 电势的相对性.这个思路传承沪科教版的设计思路,凸显通过做功研究能量变化的思想,从电场力做功与路径无关切入,以电场中的功能关系为突破口,始终贯穿类比探究这条主线,逐一展示教学内容,更好地理顺关系,逻辑性强,跳跃性小,淡化电势能和电势定量描述的教学难度,学生易于接受.因此教学内容可按探究电场力做功的特点—电荷在电场中的功能关系—电势差—电势的逻辑关系设计知识结构.

  教学中不论按什么样的逻辑关系和知识结构展示教学内容,务必做到以下三点:

  (1)力求更加符合认知规律,便于教与学.学生已有了电场力的概念,从力做功的角度研究电场力做功的特点.力对物体做功伴随着能量的变化,研究电荷在电场中的功能关系,先得到电势能的概念,然后再得到电势差和电势的概念.

  (2)力求更加科学地反映物理内容的内在联系.以匀强电场为例,首先得出由电场力做功与路径无关,引出电势能;接着,根据功能关系得出电场力做功在数值上等于电势能的变化,进而得到 ,即比值 只跟电场中A、B两点的位置和电场强度有关,反映了电场的性质,从而引出A、B间电势差的定义 ;最后选定参考点后,定义电势的概念.

  (3)力求加强学生科学探究能力,特别是类比能力的培养.用重力场与电场类比,用熟知的重力场去认识尚未了解的有相似规律的电场,从理性思维方面训练学生的科学探究能力.在教学过程中着力突出类比的思维特征,适当强调类比中的求证环节.旨在学生体验类比优越性的同时,掌握电势能电势差的有关知识,力争将三维目标都放在合适位置上.

  4.从三个概念教学看课程内容与教学内容的关系

  教科书是编者在理解、领会课程标准的理念、目标和要求的前提下,并根据编者的教学研究成果而撰写的.课程内容在课堂教学中主要以教科书的形式出现,而教学内容是师生为达到教学目标所进行的对话内容.“教学内容≠课程内容”,课程内容仅仅是提供给师生的基本的、共同的对话材料,用以发起、引导师生的对话行为,教学内容不仅涉及教材,而且也可能涉及师生的生活经验,以及为帮助学困生和学优生提高的补充材料.因此,教师在教学中应根据课程标准用好用活教科书.教师应充分利用各种教学资源,特别是各种版本资源,为课堂教学设计一个好的教学内容知识结构,切实上好每一节课.