均勻帶電導(dǎo)體球(殼)形成的電場(chǎng)的互動(dòng)教學(xué)

1、均勻帶電導(dǎo)體球（殼 ）形成的電場(chǎng)的互動(dòng)教學(xué)在普通高中物理選修3-1（人民教育出版社）“電場(chǎng)強(qiáng)度” 這一節(jié)的教學(xué)中，筆者根據(jù)教材的內(nèi)容舉了這一個(gè)例子：“一個(gè)半徑為 R的均勻帶電導(dǎo)體球（殼）電量為Qo求：離球心r （r>R）處的電場(chǎng)強(qiáng)度的大小?！睂W(xué)生甲解答（板演） ： 解： 在離球心r 處放一試探電荷q，該試探電荷受到的庫(kù)侖力F=KQq/r2 ,由電場(chǎng)強(qiáng)度的定義式：E=F/q,得：E=KQ/r2o師：同意同學(xué)甲的解法嗎？幾乎全班學(xué)生都同意學(xué)生甲的解法。甚至有學(xué)生說(shuō)教科書(shū)就是這樣做的。此時(shí)教師可以作一個(gè)簡(jiǎn)單小結(jié)： “在研究均勻帶電導(dǎo)體球（殼）在球外產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)，可以認(rèn)為全部電荷量集中在球心。在球

2、外的電場(chǎng)與點(diǎn)荷Q 形成的電場(chǎng)是相同的。 ”學(xué)生對(duì)上述結(jié)論是樂(lè)于接受的，一個(gè)物理問(wèn)題貌似得到了完美解決。但筆者認(rèn)為對(duì)均勻帶電導(dǎo)體球（殼）形成的電場(chǎng)有必要進(jìn)行深入探討，這樣才能加深對(duì)庫(kù)侖定律、電場(chǎng)強(qiáng)度的矢量性、點(diǎn)荷模型的深入理解，才能真正體現(xiàn)教材編 者的真實(shí)意圖。一、互動(dòng)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)“問(wèn)題”課堂教學(xué)中的互動(dòng)，包括學(xué)生與教師，學(xué)生與學(xué)生，學(xué)生與教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)情境之間的相互作用，是 “自主、 探究、合作”學(xué)習(xí)方式的體現(xiàn)。師：你們認(rèn)為教科書(shū)上說(shuō)的都是對(duì)的嗎？古人云“盡信書(shū)，則不如不讀書(shū)”（學(xué)生笑了），請(qǐng)你們認(rèn)真學(xué)習(xí)閱讀教材相關(guān)內(nèi)容，提出自己的想法和疑問(wèn)。給你們5 分鐘時(shí)間閱讀和思考。學(xué)生乙：均勻帶電導(dǎo)體球

3、，與均勻帶電導(dǎo)體球殼難道是一樣的嗎？（問(wèn)題一）學(xué)生丙：教科書(shū)中說(shuō)的是“均勻帶電球體”，而這個(gè)例子中卻又指的是“均勻帶電導(dǎo)體球”，難道這兩者之間沒(méi)有區(qū)別嗎？（問(wèn)題二）學(xué)生?。航炭茣?shū)搞錯(cuò)了吧？已知條件“r>R”應(yīng)該改成“r>>R”才對(duì)。（問(wèn)題三）學(xué)生戊：已知條件“ r>R”根本是多余的。在均勻帶電導(dǎo)體球的內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)E 仍是 KQ/r2。 （問(wèn)題四）課堂教學(xué)的過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生積極思考，鼓勵(lì)學(xué)生勇于質(zhì)疑，敢于提出“問(wèn)題”，這些“問(wèn)題”往往都是很好的教學(xué)資源。二、在互動(dòng)教學(xué)中解決“問(wèn)題”通過(guò)教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的互動(dòng)，解決問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)從以教師的教為中心向?qū)W生的主動(dòng)學(xué)習(xí)為中心的

4、教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，充分體現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中的主體地位。在互動(dòng)教學(xué)過(guò)程中動(dòng)態(tài)生成的“問(wèn)題”更能體現(xiàn)學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，接近學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，更能吸引學(xué)生投身于與對(duì)問(wèn)題的探究。在教學(xué)過(guò)程中動(dòng)態(tài)生成的“問(wèn)題”不一定要教師給予全部解決，學(xué)生與學(xué)生之間的互動(dòng)交流也可以使有些問(wèn)題得到有效的解決。教師在此過(guò)程中只起恰到好處的引導(dǎo)作 用。1 問(wèn)題一的解決通過(guò)小組討論。學(xué)生 A:由于同種電荷相互排斥，所以 帶電導(dǎo)體球所帶的電荷只能均勻分布在導(dǎo)體球的表面，所以實(shí)心球與空心球（球殼）的帶電情況沒(méi)有區(qū)別。顯然在高中學(xué)生的知識(shí)與能力范圍內(nèi)做出這樣的分析，已經(jīng)足夠了。2問(wèn)題二的解決師：導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別在于自由電荷的多少。導(dǎo)

5、體中有大量的自由電荷，而絕緣體中幾乎沒(méi)有自由電荷，即使絕緣體帶有凈電荷，凈電荷也很難在它內(nèi)部自由移動(dòng)。學(xué)生丙：我明白了如果“均勻帶電球體”是絕緣材料做的，則電荷均勻分布在球的內(nèi)部。而“均勻帶電導(dǎo)體球”的電荷只能均勻分布在球的表面。通過(guò)教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的互動(dòng)過(guò)程中的“問(wèn)題”的解決，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識(shí)的自主構(gòu)建。3問(wèn)題三的解決學(xué)生丁陳述理由：E=KQ/r2 只適用于是點(diǎn)電荷形成的電 場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算。只有當(dāng)r>>R時(shí)帶電球（殼）才能看做點(diǎn)電荷，而r 不太大時(shí)，帶電球（殼）顯然不能看做點(diǎn)電荷。所以教科書(shū)出錯(cuò)了。課堂情境：很多學(xué)生對(duì)學(xué)生丁的表述都認(rèn)可了。（學(xué)生丁“露出了勝利的微笑”）

6、師：設(shè)地球質(zhì)量為 M,且為均質(zhì)球體，半徑為 R,質(zhì)量 為 m 的人站在地球表面，問(wèn)：地球?qū)θ说奈槎嗌佟ＩR聲）：F=GMm/R2。學(xué)生B:按同學(xué)丁的邏輯，萬(wàn)有引定律只適用于質(zhì)點(diǎn)問(wèn)的相互作用力。人站在地球表面，顯然地球也不能視為質(zhì)點(diǎn)。所以F=GMm/R2不能用來(lái)表示地球?qū)θ说囊?。師：難道我們前面講的全都錯(cuò)了嗎？課堂情境：學(xué)生扎堆討論開(kāi)了師：教材中關(guān)于均勻帶電球體在球外產(chǎn)生的電場(chǎng)“ E=KQ/r2” 的得出過(guò)程只用了四個(gè)字： “可以證明”， 那我們可以證明嗎？如果可以，說(shuō)說(shuō)你們的設(shè)想，給你們幾分鐘的 時(shí)間討論與思考。學(xué)生C:采用“微分法”的思想。把帶電球殼分割成N個(gè)點(diǎn)電荷，且N 越大越好

7、，這樣每個(gè)點(diǎn)電荷在離球心r 處的電場(chǎng)強(qiáng)度均可算出，再進(jìn)行矢量疊加。師：這種想法完全正確，但這些矢量的疊加運(yùn)算要用到高等數(shù)學(xué)的知識(shí)。所以高中物理教學(xué)中具體的證明過(guò)程是不作要求的。地球?qū)θ说娜f(wàn)有引力也可以用這種思想方法證明。我們通過(guò)“微元法”的思想來(lái)思考，然后結(jié)合高等數(shù)學(xué)的方法可以證明E=KQ/r2 是正確的，我們可以認(rèn)為： “均勻帶電球體（球殼）在球外產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)，可以認(rèn)為全部電荷集中在球心。在球外的電場(chǎng)與點(diǎn)荷Q 形成的電場(chǎng)是相同的?！保ò鍟?shū)）學(xué)生?。ㄐ挠胁桓剩何胰?wèn)問(wèn)我讀大學(xué)的哥哥看。通過(guò)這個(gè)問(wèn)題的解決讓學(xué)生知道：在研究帶電球體（外）的電場(chǎng)分布時(shí)并不是把帶電球體視作點(diǎn)電荷處理，而是采用了微元法

8、和矢量疊加的方法得出，讓學(xué)生進(jìn)一步理解了庫(kù)侖定律的適用條件和電場(chǎng)強(qiáng)度的矢理性。4問(wèn)題四的解決學(xué)生戊陳述理由：如果把均勻帶電導(dǎo)體球的電荷量等效集中于球心，則球心可以看做一個(gè)點(diǎn)電荷，顯然在球內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)仍為E=KQ/r2。學(xué)生D:教科書(shū)里強(qiáng)調(diào)r>R時(shí)才滿足E=KQ/r2,但并沒(méi) 有說(shuō)球內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)是多少，我想球內(nèi)的場(chǎng)太復(fù)雜了，無(wú)法表述 吧。對(duì)于均勻帶電球殼內(nèi)部的電場(chǎng)分布情況對(duì)高中學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)難題，需要教師的引導(dǎo)和幫助。師： 當(dāng)研究帶電球殼內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布時(shí)，帶電球 （殼）形狀和大小顯然不能忽略了，此時(shí)還能把帶電球（殼）看做點(diǎn)電荷嗎？生：不能。師：如果戊同學(xué)的想法是正確的，那靠近球心處的場(chǎng)強(qiáng)分布到底

9、是零還是無(wú)窮大？生：師：我們也可用微元法試求一下均勻帶電球殼內(nèi)某一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)。設(shè) P 為球面內(nèi)任意一點(diǎn)，過(guò) P 點(diǎn)引兩條直線交球面于a、b、 c、 d 四點(diǎn) （如圖） ， 且 ab 和 cd 為極小的弧，則三角形aPb和三角形cPd 相似。令：aP=r1, dP=r2,以ab為直徑的薄圓面所帶的電量為Q1,以cd為直徑的薄圓面所帶的電量為Q2O如果在P點(diǎn)引入一試探電荷 q,則試探電荷受到 Q1和Q2 的作用力，且這對(duì)作用力為一對(duì)平衡力，相互抵消。以此類推，整個(gè)球面上的電荷對(duì)球面內(nèi)任意一點(diǎn)P 的試探電荷的作用力為零。即：球面內(nèi)任意一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為零。用高斯定理求解均勻帶電球殼內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)是很簡(jiǎn)單的，但是

10、對(duì)于高中學(xué)生來(lái)說(shuō)只能用他們能理解的方法去求解。均勻帶電球殼內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)為零的證明，在高中物理教學(xué)中雖不作要求，但筆者認(rèn)為在動(dòng)態(tài)、互動(dòng)的教學(xué)過(guò)程中，教師如果草率地回避不作分析，可能會(huì)挫傷學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；相反， 如果加以科學(xué)合理的引導(dǎo)，用學(xué)生力所能及的方法加以分析 證明，對(duì)于學(xué)生科學(xué)方法的學(xué)習(xí)，加深對(duì)概念規(guī)律的理解是有益無(wú)弊的。三、互動(dòng)教學(xué)的思考1 課堂教學(xué)的過(guò)程是一種互動(dòng)的過(guò)程互動(dòng)教學(xué)，從學(xué)生的角度說(shuō)，是通過(guò)與教師、教學(xué)內(nèi)容、同學(xué)和教學(xué)情景的相互作用，不斷形成新的理解的過(guò)程。從師生對(duì)話的角度說(shuō)，教學(xué)過(guò)程存在很多不確定的偶然因素；從教師角度說(shuō)，要求教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和課堂中的不斷變化的具體情況，尤其

11、是課堂互動(dòng)中反映出來(lái)的學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解情況，及時(shí)地確定后續(xù)教學(xué)方向和教學(xué)行為。在互動(dòng)教學(xué)中通過(guò)學(xué)生、教師和教學(xué)內(nèi)容之間相互作用不斷進(jìn)行新的知識(shí)的構(gòu)建，也包括不斷形成新的問(wèn)題。2正確的教師角色定位是互動(dòng)教學(xué)的前提新課標(biāo)指出：學(xué)生是學(xué)習(xí)的主人，教師是學(xué)生學(xué)習(xí)的組織者、引導(dǎo)者和合作者。教師角色轉(zhuǎn)變的重心就在于使傳統(tǒng)意義上的教師教和學(xué)生學(xué)不斷讓位于師生互教互學(xué)，彼此形成一個(gè)真正的“學(xué)習(xí)共同體”。這就使原來(lái)具有極強(qiáng)確定性的課堂教學(xué)變得相對(duì)有更多的不確定性了。在這樣的課堂中，教師的角色不僅僅是“教”者、 “述”者、 “問(wèn)”者，而且是“學(xué)”者、 “思”者、 “聽(tīng)”者，更是整體活動(dòng)進(jìn)程的靈活調(diào)度者和局部

12、障礙的排除者，是課堂信息的捕捉者、判斷者和組織者。因此，教師要有互動(dòng)生成的意識(shí)。課堂教學(xué)應(yīng)該是一個(gè)互動(dòng)生成的過(guò)程。在多向互動(dòng)的課堂中，不斷進(jìn)行智慧的交流、 思維的碰撞，讓學(xué)生的創(chuàng)造性思維得到充分的體現(xiàn)。3捕捉互動(dòng)生成的教學(xué)資源是互動(dòng)教學(xué)的源泉所謂互動(dòng)教學(xué)資源，是指在課堂教學(xué)活動(dòng)過(guò)程中，由師生互動(dòng)而生成的有利于課堂教學(xué)的氛圍、環(huán)境、信息和機(jī)會(huì)等方面的資源。課堂教學(xué)是沒(méi)有彩排的，每一次都是現(xiàn)場(chǎng)直播。而“現(xiàn)場(chǎng)直播”的課堂最具有鮮活性、生命力。當(dāng)學(xué)生心靈開(kāi)放、思維多向、行為活躍時(shí)，課堂定會(huì)因不可預(yù)測(cè)因素的出現(xiàn)而波瀾起伏。也許， 偶然的因素會(huì)使教師措手不及，但是，若能巧妙地處理不可預(yù)測(cè)的因素，將其轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，定能掀起學(xué)生認(rèn)知沖突的高潮，激發(fā)學(xué)生的情緒，激活學(xué)生的思維，課堂也會(huì)因此而更加生動(dòng)活潑，充滿生活的樂(lè)趣。4熟練駕馭課堂教學(xué)的能力是互動(dòng)教學(xué)的保證互動(dòng)教學(xué)對(duì)教師提出了更高的要求。教師在課堂教學(xué)中要想充分體現(xiàn)“互動(dòng)”特色，教師不僅要認(rèn)真鉆研教材，了解學(xué)生，從學(xué)生的實(shí)際出發(fā)，周密考慮課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，同時(shí)要分析和估計(jì)學(xué)生在“互動(dòng)”中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，以及教師又該如何應(yīng)對(duì)這些可能出現(xiàn)的問(wèn)題，等等。這要求教師不僅具有廣博的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，而且要具有較