基于ISLE的物理课程单元设计赏析

    温利平

    

    

    

    摘 要：在ISLE中，学生的概念理解能力、问题解决能力以及科学能力的应用得到鼓励和重视。ISLE通过实验设计、建立模型、使用多重表述、配套评估等方法帮助学生获得科学家的科研能力。

    关键词：电场;定性概念;单元设计;测试推理

    ISLE（Investigative Science Learning Environment）是一种互动教学方法，当学生建构和应用知识时，它帮助学生通过参与类似于物理学家的活动过程来学习物理。这些过程包括观察、发现模式，建构和测试模式的解释，用多种表述来推论物理现象。ISLE是一个综合性的学习体制。总之，相比于其他的课程体系，ISLE更能适应21世纪的科学教育教学。

    下面以电场为例，[1]展示ISLE的课程设计魅力。

    一、定性概念的建立与测试

    （一）表述和理由

    假设有两个质点的质量分别为m1和m2，分别带电q1，q2，根据所给条件完成下列表格，并分析物体的万有引力和静电力。

    （二）思考

    讨论引力作用和静电力作用的相似点和不同点。思考一下在没有直接接触的物体之间，引力和静电力产生的机制。

    （三）观察和解释

    组装一个不带电的验电器;一个泡沫管，毛皮，一个小的干净的玻璃烧杯（或者塑料杯）;一个小金属杯。通过以上器材完成下表中的实验并用电场的概念解释实验结果。

    （四）设计一个实验

    用一些你有的仪器设计一个实验。该实验能让你观察到两个物体间的静电作用力产生和消失，设计实验并记录结果。

    二、概念推理

    （一）描绘和原因

    （1）对下列表格中的每张图片，在给定的黑点上作出施力物体施加给受力物体的引力和场源电荷施加给试验电荷的电场力。填写下列表格。

    文字描述

    在给出的点上，用矢量箭头描绘出地球（原质量）作用在小物体（测试质量）上的引力。画箭头时用正确的相对长度。

    在给出的点上，用矢量箭头画出一个大的负电荷（场源电荷）施加给小的正电荷（测试电荷）上的电场力。

    在给出的点上，用矢量箭头画出一个大的正电荷（场源电荷）施加给小的负电荷（测试电荷）上的电场力。

    图片描述

    （2）用场去解释源物体怎样在不直接接触测试物体的前提下把力施加给测试物体的。讨论这些力的大小是如何依赖引力场的大小的，如何依赖引力场中测试物体质量大小的，如何依賴电场大小的，如何依赖电场中测试电荷大小的？

    （3）讨论源物体或者源电荷的存在是怎样改变空间的。你认为这种改变能延伸多远？

    （4）讨论是否由地球和测试物体组成的系统主宰着引力势能。讨论是否由场源电荷和测试电荷组成的系统主宰着电势能。引力势能是由源物质决定还是测试物质决定？电势能是由场源电荷决定还是测试电荷决定？

    （二）描绘和原因

    判断下图中A、B、C三个位置电场的大小和方向。

    （三）描绘和原因

    画出下列表格中所描述的带电体的电场线，标清楚电场线的切线。

    a.一个正点电荷

    b.一个两倍于a电量的正点电荷

    c.一个负点电荷

    d.一个两倍于c电量的负点电荷

    〗

    e.两个相距s的等量正点电荷

    f.两个相聚s的等量负点电荷

    g.一个小的正带电体和一个小的负带电体，二者相距s

    h.一个小的正带电体和一个小的负带电体，电量均为g中的两倍，且二者相距s

    （四）描绘和推论

    假设一个很小的带正电的物体在纸面上沿着图示方向进入下图电场线所描述的电场。

    （1）画出物体在该电场中的运动轨迹，标注出该粒子进入电场时初速度的方向。

    （2）讨论电场线是否带电粒子进入电场的轨迹。

    （五）描绘和推论

    下图是放在匀强电场中的中空金属盒的某一时刻（金属盒对外部电场的影响没有显示出来）。

    （1）表明由于外电场的存在而产生在金属盒上的电荷的分布。

    注意：如果电子从金属盒的一部分移动到另一部分，那么金属盒上缺少电子的那部分自然带正电，有过量电子的部分自然带负电。

    （2）画出分布在金属表面的感应电荷的电场线，并讨论盒子内部合电场的大小。

    （3）讨论如何用你在a和b中得出的结论来解释雷雨天你坐在轿车里是安全的。

    （4）画出盒子外部新的电场线分布图。盒子内部电子的重新分布如何影响外部电场？

    （六）推论

    完成下列表格：

    正场源电荷激发的电场中由A、B、C三点，比较它们的电势，电势最处是哪一点？找出至少一处与A点电势相等的地方。

    负场源电荷激发的电场中由D、E、F三点，比较它们的电势，电势最大处是哪一点？（注意：一个大的负数比一个小的负数要小）找出至少一处与E点电势相等的地方。

    （七）描绘和理由

    在下列表格中，画出地球的等势线，地球是引力势的源物质。想一想你怎样才能写出地球引力势的表达式，地球的引力势与电势类似。

    远离地球表面，此时地球可以被当成一个球体

    在地球表面附近，此时地球可以被当成水平面

    （八）表述和原因

    参考上列7中的a.d场源电荷和所画的电场线，画出等势面，在电场线的方向和电势变化之间找到一个模式（判断电场线的方向是沿着电势降低的方向还是电势升高的方向）。

    （九）解释

    有时候物理学家把电场中的等势线和地形学上的等高线进行类比。

    （1）解释怎样进行类比，并解释类比的有用之处。

    （2）描述等高线与山体的陡峭程度如何紧密联系。

    （3）用这种类比法画出下列电场的电场线并解释，电场的等势面如下图已经给出。

    （十）推论

    （1）画出无限大金属板的等势面和电场线，已知该金属板带负电。完成下列表格的各项任务以寻求帮助。

    画出带电板的草图，如下图所示

    画出等势线，标清电势最高点

    画出电场线

    （2）解释为什么电场线与带电金属板表面和等势面垂直。

    （3）两条电场线之间是不是同等间隔，两个等势面之间是不是也是同等间隔？解释。

    （4）检查电场线的位置和等势面的位置。讨论你得到的模式并解释。

    参考文献：

    [1]姚建民.以“学科+”的形式进行指向核心素养的物理学科课程设计——在单元设计视域下.物理教师，2018（6）：36-39.

    [2]褚珈宁.陶行知教育思想在教育中的应用——对物理科目教学的启发.科学咨询（科技·管理），2020，（11）：176.