培育物理学科核心素养的教学策略与实践步骤——以“静电的防止与利用”为例

原创 董友军 物理与工程

摘 要

以“静电的防止与利用”为例，探索基于物理学科核心素养的教学策略与实践。其教学策略包括变“分析教材”为“研究课标”、变“学习知识”为“发展素养”、变“机械背诵”为“知识建构”、变“物理模型”为“生活情境”、变“发现问题”为“提出问题”、变“教师演示”为“学生体验”、变“教师告诉”为“学生总结”、变“解答习题”为“解决问题”八个策略。其实践步骤包括研究课标、明确学情、确立目标、科学探究、课堂小结、课后作业等六个过程。

关键词 核心素养；教学策略；实践步骤

Abstract Taking “the prevention and utilization of static electricity” as an example, this paper explores the teaching strategies and practice points based on the core quality of physics. Its teaching strategies include eight aspect: changing “analytical teaching material” to “research curriculum standard”, changing “learning knowledge” to “development literacy”, changing “mechanical recitation” to “knowledge construction”, changing “physical model” to “life situation”, changing “finding problems” to “asking problems”, changing “teacher demonstration” to “student experience”, changing “teacher telling” to “student summary”, and change “solving exercises” to “solving problems”. The practical steps include six processes: studying the curriculum standard, clarifying the learning situation, establishing the goal, scientific inquiry, classroom summary, and after-school homework.

物理学科核心素养是物理学科育人价值的集中体现，是学生通过物理学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力，它主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面[1]。若仅以知识为线索开展教学，容易导致课堂教学聚焦于知识，只专注学生获得知识而忽视学生物理学科核心素养的培养。因此，物理教师应该结合学生实际，创造性地开展教学工作，将培育物理学科核心素养贯穿整个教学过程。

1 培育物理学科核心素养的教学策略

策略是指在不同的教学条件下，为达到不同的教学结果所采用的方式、方法、媒体的总和。教学策略是指在教学过程中，为了完成教学目标，依据教学的主客观条件，特别是学生实际情况，对所用的教学顺序、活动程序、组织形式、教学方法和教学媒体等的总体考虑。通俗地说，教学策略就是教学各个环节遵循的思想和方法。笔者任教高中物理 20 多年，比较了解一线物理教师的备课习惯、教学理念、教学方法等。针对高中物理教师存在的不足，笔者提出八个教学策略（如表 1 所示），可以有效地培育学生物理学科核心素养，并以“静电的防止与利用”为例[2,3]进行具体说明。

策略一、在备课资料上，变“分析教材”为“研究课标”

研究课标是教学起点。课标是指《普通高中物理课程标准》，它指引物理教学的正确方向。很多物理教师在备课时，只分析教材而不研究课标，容易造成教学目标单一、教学难易失当、教学方式随意。对于一节教学内容，主要研究“内容要求”“活动建议”“教学提示”“学业要求”等。如“静电的防止与利用”这一节，其内容要求为“了解生产生活中关于静电的利用与防护”，明确指出了教学层次是“了解”。因此，教师在上课时，不要刻意加大难度，造成学生负担过重。

策略二、在教学目标上，变“学习知识”为“发展素养”

发展素养是教学最终目标。素养是指物理学科核心素养，它包括物理知识，但物理知识不是物理学科核心素养的全部。知识是素养的载体，通过知识的获得过程，可以发展学生的素养。基础教育课程承载了党的教育方针和教育思想，规定了教育目标和教育内容，是国家意志在教育领域的直接体现。高中物理课程旨在落实立德树人根本任务，提升学生物理学科核心素养，为学生终身发展奠定基础。教师不要为了提高学生高考成绩，而只注重学生学习知识，应该要注重体现物理学科本质，发展学生物理学科核心素养。如通过学习“静电平衡”，不仅要学生学习静电平衡概念、静电平衡特点等物理知识，还要引导学生建构“尖端放电”“静电屏蔽”等物理模型，并设置“尖端放电实验”“静电屏蔽实验”进行验证，培养学生证据、解释、交流等科学探究能力。

策略三、在学习方式上，变“机械背诵”为“知识建构”

建构主义理论指出，学习是学习者基于自己的知识经验、主动对新信息加工处理、进行有意义知识建构的过程[4]。“机械背诵”只是关注知识结论，不了解知识的形成过程，会让学生变成“知其然而不知其所以然”，缺乏对知识的深刻理解[5]。“知识建构”是以学生为中心，教师创设符合教学内容的情境，让学生尽可能参与学习过程，激发学生的学习兴趣，揭示知识之间的联系，组织学生协作讨论，不时提出恰当的问题，引起学生思考和争论，并设法将讨论引向深入，从而让学生自己发现规律、建构知识[6]。如学习“静电除尘”，教师不是要求学生机械背诵静电除尘原理，而是通过创设静电除尘实验，让学生参与实验过程，并引导学生分析静电除尘原理。通过实验与分析过程中，促使学生对知识进行自我建构。

策略四、在课堂引入上，变“物理模型”为“生活情境”

现代汉语规范词典指出，情境是指某一段时间和空间许多具体情形的概括。生活情境是指与学生生活息息相关的情境。生活情境拉近了知识与学生之间的距离，让学习过程变得更有兴趣、更有价值。情境也是落实科学态度与责任的载体，选择好的情境，可以培养关注科学、技术、社会、环境的关系，让学生具有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感，同时还可以培养中华传统文化、中国革命文化等核心价值。如把尖端放电现象设置为“制作旗杆”，变物理模型为生活情境，可以培养学生应用物理知识解决生活实际问题的能力。通过融入国旗，还可以培养学生良好政治素质、道德品质和健全人格，使学生坚定中国特色社会主义道路自信、理论自信、制度自信和文化自信，引导学生形成正确的世界观、人生观、价值观。

策略五、在问题呈现上，变“发现问题”为“提出问题”

问题是指要求解答的题目。发现问题很重要，但提出问题更重要。提出问题是发现问题的凝练和升华，是知识的系统化和逻辑化，是后续分析问题、解决问题的方向，是问题探究链中最大创新、是问题驱动教学中核心环节。如做完静电除尘实验后，引导学生提出问题：为何加上高压，白烟雾消失？若交换高压正负极，还有除尘效果吗？……通过提出问题，让实验研究更加深入，也有利于提升学生高阶思维能力。

策略六、在实验设置上，变“教师演示”为“学生体验”

体验是指通过亲自实践获得的经验。教师演示，只是学生视觉的冲击，而学生体验，不但有视觉冲击，也包含多种感官的冲击。捷克教育家夸美纽斯说，“一切知识都是从感官开始的”[7]。这种论述反映了教学过程中学生认识规律的一个重要方面：体验可以使抽象的知识具体化、形象化，体验式教学是最直接、最有效的教学。如制作旗杆、尖端放电、静电屏蔽、静电除尘，都设置为学生实验，从教师演示变为学生体验，既提高了学习兴趣，也增强了知识理解，还培养了学生动手能力、沟通能力、合作能力等素养。

策略七、在规律得出上，变“教师告诉”为“学生总结”

认知发展心理学指出，只有经过学生思考，进行同化或顺应，才可以把书本知识转化为学生能力[8]。“教师告诉”只是教师的思维结果，无法促使学生思维发展。“学生总结”是学生在总结过程中不断反思、修改、完善，可以形成学生良好的思维品质和严谨的思维习惯，有利于培养学生物理学科核心素养。本节课教学过程中，很多重要的结论都不是“教师告诉”，而是通过教师引导，激发学生思考，促成“学生总结”。如“请同学们用自己的语言概括静电平衡概念”，学生经过思考、讨论，总结出“静电平衡特点”等。

策略八、在练习选择上，变“解答习题”为“解决问题”

认知心理学表明，要让学生真正理解知识，最有效的方式就是把知识应用于生活[7]。“解答习题”是指为了提升高考成绩，教师编制大量脱离生活实际的习题让学生反复练习，从而加重学生负担，磨灭学习兴趣，不利于学生的长远发展。“解决问题”是指依据生活、生产、科技、实验、自然现象为问题素材，引导学生用所学的物理知识去解决问题，让物理知识回归生活，体现了物理知识的价值，也让学生感受到物理学科的魅力，从而可以激发学生热爱物理、探索自然规律。本节课后作业，主要是以生活实际为背景素材，如 3 个课后练习的素材分别为“避雷针”“口罩中间层的熔喷布”“油罐车”，都以生活应用为背景，让学生应用所学物理知识，分析问题、解决问题，培养学生知识迁移能力。

2 培育物理学科核心素养的实践步骤

培育物理学科核心素养是学科育人的时代要求，也是物理教学的发展使命。其实践步骤包括研究课标、明确学情、确立目标、科学探究、课堂小结、课后作业（如图 1 所示）。研究课标是培育物理学科核心素养的教学起点，明确学情是培育物理学科核心素养的教学基础，确立目标是培育物理学科核心素养的教学方向，科学探究是培育物理学科核心素养的教学方式，课堂小结是培育物理学科核心素养的教学升华，课后作业是培育物理学科核心素养的教学巩固。还是以“静电的防止与利用”为例，说明培育物理学科核心素养的实践步骤[9]。

步骤一、研究课标

教师在上课之前，就应该研究课标所有内容，包括“课程性质与基本理念”“学科核心素养与课程目标”“课程结构”“课程内容”“学业质量”“实施建议”“附录”等。对于某节具体教学内容，除了要研究“内容要求”“活动建议”“教学提示”“学业要求”之外，还要认真“分析教材”，因为教材是课标的具体化、是知识的结构化。

步骤二、明确学情

学习本节前，学生已经学过了正负电荷、感应起电、静电力、电场、电场强度、电场线等电学知识，也学习了运动、力、牛顿运动定律等力学知识，为理解静电的防止与利用，奠定了理论基础。高一学生思维活跃，已具备知识的理解能力、观察能力、操作能力，有强烈的好奇心和求知欲，为学好本节内容提供了心理准备。学生存在的一些前概念，对理解新知会产生一些负面影响，如把尖端放电误认为导体尖端会直接放出电荷、把金属笼误以为不能实现静电屏蔽等。

步骤三、确立目标

(1) 物理观念：进一步认识场是物质存在形式的物质观念，认识在静电力作业下带电粒子做定向运动的运动与相互作用观念。

(2) 科学思维：建构静电平衡、静电屏蔽等物理模型，通过分析静电平衡、避雷针、静电除尘培养学生科学推理和科学论证。

(3) 科学探究：通过制作旗杆，培养学生问题、证据、解释、交流等科学探究。

(4) 科学态度与责任：宏观上分析静电的防止与利用，让学生认识事物具有两面性的科学本质，通过旗杆制作与优化、静电防止与利用案例，让学生体会科学、技术、社会、环境之间的关系，培养学生科学态度与社会责任。

步骤四、科学探究

科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制定方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并解释、交流、评估、反思的能力[1]。科学探究不是独自呈现、孤芳自傲，它与科学思维彼此融合、相得益彰。科学思维是指从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体应用[1]。科学探究中需要科学思维，科学思维中也需要科学探究。没有思维的探究是肤浅的，这样的探究不是科学探究；没有探究的思维是空洞的，这样的思维也不是科学思维。在“静电的防止与利用”教学中，笔者把科学探究分解为七个过程：设置情境、提出问题、理论分析、实验验证、得出结论、生活应用、动手制作。

1） 设置情境

设置情境包括学生实验、播放视频、图片展示等。根据认知心理学理论，设置情境要遵循直观体验优先原则，因此选择演示实验（如图 2）。首先转动起电机手柄，让起电机的金属球靠近验电器，学生发现验电器的金箔张开，说明验电器产生了感应起电。接着把起电机电荷中和，用金属笼罩住验电器，且保持验电器和起电机的位置不变。此时不要转动起电机手柄，先让学生猜一下会产生什么现象？很多学生说验电器的金箔还会张开，因为笼是有洞而不是全封闭。后再转动起电机手柄，学生发现验电器的金箔不张开，很多学生感到意外，造成认知冲突，激发了学生学习热情，也调动了学生探究欲望。

2） 提出问题

爱因斯坦说，提出问题比解决问题更重要。落实物理学科核心素养，教师要特别注重引导学生自己提出问题。

学生 A：金箔为什么不张开？

学生 B：金箔不张开，说明金箔上不带电，为何不带电呢？

学生 C：金箔不张开，说明没有产生静电感应，金属笼为何会阻碍验电器产生静电感应呢？

学生 D：金箔不张开，说明金属笼中没有电场，为什么金属笼中会没有电场呢？

……

通过学生观察实验现象，积极引导学生提出各种不同的物理问题，并把每个学生的问题都记录到黑板上，这既是对学生的鼓励，也是对学生的尊重。

3） 理论分析

理论是对现象的抽象提炼，具有概括性、普适性。教师要鼓励学生，用学过的物理理论去分析物理现象，既可以培养学生对理论的应用能力，也可以加深学生对理论的感悟。通过理论分析，可以增强模型建构、科学推理、科学论证等科学思维。为了降低学生认知难度，引导学生先分析长方形导体、再分析尖形导体、后分析空腔导体。

在长方形导体（如图 3）外部加一个水平向右的匀强电场 E1，导致长方形导体中电子定向运动到长方形导体最左边，这样长方形导体右边的正电荷与左边的负电荷形成新的电场，其电场强度为 E2，方向水平向左，当长方形导体中电子受到的静电力 eE1 = eE2 时，导体内部自由电子不再发生定向移动，把这样的状态称为静电平衡。

若把长方形导体左边变尖（如图 3），由于 eE1 可以使电子定向运动到最远处，所以电子都聚集在左边尖端处，则尖端处的电场强度非常大，会让周围的带电粒子受到很大的静电力，使带电粒子发生剧烈运动，并与空气分子碰撞而使空气分子中的正负电荷分离，产生空气电离现象。中性的分子电离后变成带负电的自由电子和带正电的离子，这些带电粒子在强电场的作用下加速，又撞击空气中的分子，使空气分子进一步电离，产生更多的带电粒子。那些与尖端所带电荷相反的粒子，由于被吸引而奔向尖端，与尖端上的电荷中和，相当于导体从尖端失去电荷，叫作尖端放电[2]。

若把长方形导体变成一个空腔导体（如图 3），由于长方形导体内部是处于静电平衡状态，即 eE1 = eE2，可以推导出 E1 = E2，又 E1、E2 方向相反，所以长方形导体内部合电场强度为 E = E1 - E2 = 0，即表示电场线只能在导体外部，不会进入导体之内。也就是说，无论导体外部电场是什么样，导体内部合电场强度都为 0。若把一个电学仪器放在封闭的金属空腔中，即使外壳有电场，但由于壳内电场强度保持为 0，外电场对壳内的仪器不会产生影响，金属壳的这种作用叫作静电屏蔽。若把金属壳换成金属笼，同样会产生静电屏蔽。

4） 实验验证

科学与迷信，其本质区别就是科学可以用实验验证，而迷信无法用实验验证。为了证实理论的正确性，给学生播放静电屏蔽真人演示视频（如图 4），让学生感受到科学的无穷魅力。由于学校实验器材充足，因此设置学生实验，让每一个学生都体验一下尖端放电现象（如图 5）。

5） 得出结论

通过理论分析和实验验证，最终引导学生自己总结出静电平衡特点：其内部无净剩电荷，电场强度为 0，导体壳（网）有静电屏蔽作用；其表面有净剩电荷，越尖锐处电场强度越大，可以使空气电离，产生尖端放电现象。这时再引导学生分析引入时的演示实验，既可以深化知识理解，也可以体现知识价值。

6） 生活应用

得出物理规律，就要引导学生在生产、生活、科技中进行应用。应用是研究物理规律的目的，静电的应用包括防止与利用。

（1） 静电防止。教师提出“如何防止静电”，引导学生思考，让学生自己总结出静电防止思路为“中和静电或屏蔽静电”，培养学生概括能力。接着教师介绍生活中静电防止的案例，如避雷针、静电释放器、高压线屏蔽、超高压工作服（如图 6）。对于难以理解的案例设置详细分析，培养学生分析问题、解决问题能力，如避雷针设置原理分析，让学生明白避雷针利用尖端放电的特性，能吸引附近的雷电流，通过导线将其导入大地，因此避雷针本质是“引雷”而不是“壁雷”，避雷针只是民间通俗说法，在专业领域叫接闪器[10]。对于重要的案例设置视频强化，如静电释放器，为了让学生重视静电释放器的作用，笔者专门播放了一个加油站静电引发火灾的视频，强化学生在生活中要重视静电的防止，以免给自己造成重大伤害。对于不重要的案例就图片展示，如高压线屏蔽、超高压工作服，可以扩大学生知识面，培养学生科学态度与责任。笔者上课时还顺便问了一下学生，每次加油都要用手摸一下静电释放器，万一忘记了就麻烦了，如何再去改进一下？有学生说，可以把静电释放器安放在油枪手柄处，只要手拿油枪，就同时接触了静电释放器，这样就不怕忘记，赢得了同学们雷鸣般掌声！

（2） 静电利用。教师提出“如何利用静电”，引导学生思考，让学生自己总结出静电利用思路为“先使空气电离，再让微粒带电、微粒受静电力而做定向运动”，培养学生概括能力。接着教师介绍生活中静电利用的案例，如静电除尘、静电喷漆、静电复印、场致发射显微镜（如图 7）。由于静电除尘是教学重点，因此设置了学生实验，学生亲自经历静电除尘实验，并引导学生进行理论分析，实现实验与理论的完美结合，让学生既有感性体验，又有理性分析。同样，对于非教学重点，就用图片展示介绍，从而扩大学生知识面。通过图片展示和学生列举，体现物理与生活的紧密联系，培养学生科学态度与责任。7） 动手制作

教师设置动手制作，让学生亲手制作一根旗杆：每 2 人 1 组，每组 1 面国旗、1 根金属棒、1 纸杯泥土，把桌面当作地面，在桌面上树起 1 根旗杆，让国旗在旗杆上高高飘扬。

制作完成后（如图 8），引导学生分析，学生交流讨论后达成共识：根据尖端放电知识，把旗杆上端弯成一个圆弧，有助于避免雷电事故；金属旗杆中部最好涂上绝缘漆或用绝缘橡胶包裹，避免漏电；避雷针是把电荷导入大地，所以旗杆必须与大地连接，且要深入地下较深，让导入地下的电荷容易扩散。通过对旗杆的优化过程，既促进了同学之间的相互交流，也促进了知识的内化，既培养了学生科学思维，也培养了学生爱国情怀、弘扬了革命传统文化。

步骤五、课堂小结

课堂小结就是对本节课进行梳理与提炼。教师引导学生从物理学科核心素养四个方面进行小结（如图 9），从而促进学生物理学科核心素养全面发展。在微观上，回顾物理知识，建构知识结构，有利于增强知识的灵活应用。在宏观上，把物理学上升到哲学高度：任何事物都有两面性，我们要根据其特点，既防止也利用。

步骤六、课后作业

作业是培育学生物理学科核心素养的重要环节。习题选择得好，不但可以减轻学生负担，而且还可以促进学生物理学科核心素养的发展；相反，若习题选择得不好，不但加重了学生负担，而且阻碍了学生物理学科核心素养的发展。在选择习题时，要偏重于联系生活的习题，让解题变成解决问题。学生在完成习题的过程，既巩固基础知识和加深知识理解，也培养学生思维能力和发展学生科学态度与责任。

1．如图 10 所示是模拟避雷针作用的实验装置，金属板 M、N 间有两个等高的金属体 A、B，A 为尖头、B 为圆头。将金属板 M、N 接在高压电源上，逐渐升高电源电压，首先观察到（ ）。

A．A 放电

B．B 放电

C．A、B 一起放电

D．A、B 之间放电

2．疫情期间，我国人民通过戴口罩来阻断疫情传播，体现了“人人为我、我为人人”的优良传统和守望相助的家国情怀。如图 11 所示，口罩中间层的熔喷布是一种用绝缘材料做成的带有静电的超细纤维布，它能阻隔几微米的病毒，这种静电的阻隔作用属于（ ）。

A．尖端放电

B．静电屏蔽

C．静电感应和静电吸附

D．静电感应和静电屏蔽

3．如图 12 所示，运输汽油等易燃易爆物品的车辆总有一条铁链拖在地上，这样做的目的是（ ）。

A．发出声音，引起路人注意

B．减缓车速，保证行车安全

C．把静电引入大地，避免因放电引起爆炸

D．与地面发生摩擦，在运输车上积累电荷

3 结语

培育物理学科核心素养的教学，既是时代前进的召唤，也是物理教学的使命。物理教学必须以发展学生物理学科核心素养为教学目标，教师把物理学科核心素养“溶解”到教学各个环节中，学生通过发现问题、分析问题、解决问题“结晶”出物理学科核心素养。顾明远教授说，“教书育人在细微处，学生成长在活动中”，作为中学物理教师，应该创造更多活动，让学生参与其中，在活动中学习物理、在活动中解决问题、在活动中发展思维、在活动中落实素养。

参考文献

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[2]人民教育出版社. 物理必修第三册[M]. 北京: 人民教育出版社, 2019.

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[8]董友军, 马北河, 朱建平. 落实“物理核心素养”的教学策略——以粤教版“作用力与反作用力”为例[J]. 物理教师, 2019, 40(3): 30-32.

DONG Y J, MA B H, ZHU J P. Implementing the teaching strategy of “physics core literacy”—Taking “force and reaction” of Guangdong Education Edition as an example[J]. Physics teachers, 2019, 40(3): 30-32. (in Chinese)

[9]董友军, 翟春城. 基于物理学科核心素养的实验教学模型与实践路径[J]. 中学物理教与学, 2021, 2: 45-50.

DONG Y J, ZHAI C C. Experimental teaching model and Practice Path Based on physics core literacy[J]. Middle School Physics Teaching and Learning, 2021, 2: 45-50. (in Chinese)

[10]中国物理学会期刊网.风力发电机上有避雷针？！谁能告诉我它藏哪了[R/OL]. https://mp.weixin.qq.com/s/MprAPMTYS7sILRHw0pKjtw (2021-05-15) [2021-06-10].

基金项目: 广州市黄埔区教育科学规划课题（名称：基于学习进阶的中学物理教学设计研究；编号：2020096）。

作者简介: 董友军，男，北京师范大学广州实验学校中学高级教师，主要从事中学物理教学，研究方向为中学物理教学，dongyoujun55@163.com。

引文格式: 董友军. 培育物理学科核心素养的教学策略与实践步骤——以“静电的防止与利用”为例[J]. 物理与工程, 2022, 32(1): 108-115.

Cite this article: DONG Y J. Teaching strategies and practical steps of cultivating the core literacy of physics—Take “prevention and utilization of static electricity” as an example[J]. Physics and Engineering, 2022, 32(1): 108-115. (in Chinese)

END

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