凸顯方法教育 培養(yǎng)核心素養(yǎng)
——以“庫侖定律”教學(xué)為例

(東北師范大學(xué)附屬中學(xué)，吉林 長春 130021)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出：要培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，要求“高中物理課程注重體現(xiàn)物理學(xué)科的本質(zhì)，從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等方面提煉學(xué)科育人價(jià)值，充分體現(xiàn)物理學(xué)科對(duì)提高學(xué)生核心素養(yǎng)的獨(dú)特作用，為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對(duì)現(xiàn)代和未來社會(huì)發(fā)展的挑戰(zhàn)打下基礎(chǔ)?！盵1]要達(dá)成上述目標(biāo)，學(xué)生則需要能夠掌握物理知識(shí)與方法，能夠熟練運(yùn)用方法，將物理研究的方法、思想遷移到新領(lǐng)域的學(xué)習(xí)、研究中。物理方法的掌握涉及物理知識(shí)、物理實(shí)驗(yàn)、知識(shí)運(yùn)用等諸多方面，教學(xué)中通過凸顯方法的教育，可以促進(jìn)知識(shí)教學(xué)更高效、實(shí)驗(yàn)效果更明顯、知識(shí)的應(yīng)用更靈活，學(xué)生會(huì)覺得有興趣、有信心、愿意學(xué)、主動(dòng)學(xué)。有了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，才能保證學(xué)生真正掌握知識(shí)、習(xí)得方法，實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。本文以“庫侖定律”教學(xué)為例，具體談?wù)勅绾瓮癸@科學(xué)方法的教育。

1 基于學(xué)生已掌握的方法導(dǎo)入新課

學(xué)生學(xué)習(xí)新內(nèi)容之前掌握了一些物理知識(shí)、方法，這是學(xué)生學(xué)習(xí)的起點(diǎn)。教師必須以此為基礎(chǔ)開展教學(xué)，這樣教學(xué)才有針對(duì)性，也才能滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求?；趯W(xué)生基礎(chǔ)的教學(xué)設(shè)計(jì)，貼近學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”，學(xué)生的核心素養(yǎng)能更好地得到提升。

在學(xué)習(xí)“庫侖定律”之前學(xué)生已經(jīng)掌握了定性探究的基本方法，掌握了控制變量法，教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)基于定性探究實(shí)驗(yàn)和控制變量法導(dǎo)入新課，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，可得到兩個(gè)電荷間相互作用力與電荷量的定性關(guān)系。然后引導(dǎo)學(xué)生思考：哪些因素會(huì)影響電荷間的相互作用？對(duì)作用力的大小有什么影響？

圖1

2 基于類比法的猜想

在科學(xué)探究中猜想是一種常用的重要科學(xué)方法，“有理有據(jù)的猜想可以讓科學(xué)探究少走彎路。教師恰當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生猜想，將學(xué)生興趣引導(dǎo)到被探究的問題上來，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，凝聚學(xué)生注意力。猜想從學(xué)生所熟悉的知識(shí)或事實(shí)出發(fā)，有利于降低問題難度，具有較好的可接受性?！盵2]

通過對(duì)電荷間相互作用力的定性探究，得出“距離越大作用力越小，電荷量越大作用力越大”的結(jié)論后，學(xué)生憑直覺容易將電荷之間的相互作用力與必修2中學(xué)習(xí)的萬有引力建立聯(lián)系，猜想電荷之間的相互作用力是否與萬有引力相似？電荷間的作用力是否與電荷量的乘積成正比，與二者距離的平方成反比呢？通過類比萬有引力，猜想電荷間相互作用力的表達(dá)式，為后續(xù)庫侖定律的得出奠定基礎(chǔ)。

3 運(yùn)用模型方法建構(gòu)新模型

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)要求從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等四個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，為學(xué)生的長遠(yuǎn)發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。其中“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。[1]模型建構(gòu)是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，也是重點(diǎn)，只有順利建構(gòu)模型，學(xué)生才能弄懂、弄通物理知識(shí)的邏輯聯(lián)系，才能靈活運(yùn)用物理知識(shí)。在教學(xué)中，應(yīng)該重視讓學(xué)生基于已有模型，運(yùn)用模型方法建構(gòu)新模型，這有利于拉近學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)生之間的距離，讓學(xué)生感到親切、更愿意學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

在“庫侖定律”的教學(xué)中，需要建構(gòu)點(diǎn)電荷這一物理模型。由于點(diǎn)電荷與學(xué)生熟悉的質(zhì)點(diǎn)在引入的目的、采用的科學(xué)方法、使用的條件等方面都高度相似，教學(xué)中可以通過復(fù)習(xí)質(zhì)點(diǎn)、類比質(zhì)點(diǎn)來建構(gòu)點(diǎn)電荷這一理想化模型，從而降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。

4 學(xué)習(xí)庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)的巧妙方法

物理教學(xué)必須以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)?zāi)転閷W(xué)生學(xué)習(xí)提供符合其認(rèn)知規(guī)律的環(huán)境；實(shí)驗(yàn)?zāi)芘囵B(yǎng)學(xué)生的興趣，激發(fā)學(xué)生的求知欲望；實(shí)驗(yàn)是發(fā)展學(xué)生能力和使學(xué)生得到科學(xué)方法訓(xùn)練的重要途徑；實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的道德素養(yǎng)和科學(xué)作風(fēng)。[3]實(shí)驗(yàn)往往蘊(yùn)含豐富的科學(xué)思想和方法，通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生不僅可以獲取、理解知識(shí)，更能領(lǐng)悟物理思想，習(xí)得物理方法，提升核心素養(yǎng)。物理教學(xué)中應(yīng)重視挖掘?qū)嶒?yàn)的教育、教學(xué)功能，要凸顯實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)方法教育。

庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)是第一個(gè)定量研究電學(xué)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，電學(xué)研究由此從定性進(jìn)入定量。庫侖在實(shí)驗(yàn)中遇到的三大困難為：沒有專門工具測量微弱靜電力、沒有規(guī)定電荷量單位和不清楚帶電體上電荷量分布、難以確定電荷間距離。為了解決這三大困難，庫侖設(shè)計(jì)了蘊(yùn)含豐富科學(xué)研究方法的扭秤實(shí)驗(yàn)。

4.1 控制變量法

在定量研究電荷間的作用力與電荷量、距離等關(guān)系時(shí)，采用控制變量法。先保持固定的球和可動(dòng)的球所帶電荷量不變，改變距離，得到兩球作用力與二者距離間的關(guān)系；再保持兩球間距離不變，改變電荷量，得到二者相互作用力與電荷量的關(guān)系；最后，綜合上述得到的結(jié)論，得出定量研究結(jié)果。

4.2 轉(zhuǎn)化法

根據(jù)扭力定律，扭轉(zhuǎn)力矩與懸絲的扭轉(zhuǎn)角度成正比，與懸絲直徑的4次方成正比，與懸絲的長度成反比，將微小靜電力的測量轉(zhuǎn)化為對(duì)扭轉(zhuǎn)角度的測量，通過懸絲扭轉(zhuǎn)角度的大小來判斷扭力的大小。

4.3 均分電荷量法

4.4 放大法

為了測量微弱的庫侖力，利用杠桿原理，使較小的力通過較長的力臂產(chǎn)生較大的力矩，放大作用效果。

5 基于理想模型法的科學(xué)研究

理想模型是物理經(jīng)常采用的一種科學(xué)研究方法，體現(xiàn)了抓住主要因素，忽略對(duì)研究對(duì)象、研究結(jié)果影響較小的次要因素的研究思想。在“庫侖定律”的教學(xué)中，點(diǎn)電荷模型的建構(gòu)及適用條件凸顯了科學(xué)研究中抓住主要因素、忽略次要因素的研究方法。

6 運(yùn)用已學(xué)方法解決新問題

學(xué)生在學(xué)習(xí)中總會(huì)遇到新問題、新情景，讓學(xué)生利用已經(jīng)掌握的知識(shí)、已經(jīng)學(xué)會(huì)的科學(xué)方法去分析、解決新問題是教學(xué)的重要任務(wù)。只有這樣學(xué)生才算是真正理解了物理學(xué)本質(zhì)，才能夠?qū)崿F(xiàn)知識(shí)的遷移，實(shí)現(xiàn)物理知識(shí)的融會(huì)貫通。

如果一個(gè)帶電體受到多個(gè)靜電力時(shí)，學(xué)生還會(huì)求其合力嗎？將靜電力與以前所學(xué)的重力、彈力、摩擦力等融合在一起，學(xué)生還能夠正確解決問題嗎？為此可以給學(xué)生呈現(xiàn)如下兩個(gè)練習(xí)題，訓(xùn)練學(xué)生的思維，運(yùn)用科學(xué)方法分析新情景、解決新問題。

練習(xí)題1：如圖2所示，點(diǎn)電荷Q1=+2×10-14C和Q2=-2×10-14C分別放置在A、B兩點(diǎn)，C是AB垂直平分線上的一個(gè)點(diǎn)，AB=AC=BC=6×10-2m。C點(diǎn)有一個(gè)電子，求它所受庫侖力的大小和方向。

圖2

練習(xí)題2：如圖3所示，絕緣細(xì)繩將質(zhì)量3g的帶電小球B懸掛在鐵架臺(tái)上，將電荷量為Q=-4.0×10-6C的帶電球A靠近球B，兩帶電小球均可以看成點(diǎn)電荷。當(dāng)兩個(gè)帶電小球在同一高度且相距r=20cm時(shí)，繩與豎直方向成α=30°夾角，A、B球均靜止，g取10m/s2，求B球所受的靜電力和電荷量q。

圖3

練習(xí)題1需在進(jìn)行矢量運(yùn)算時(shí)運(yùn)用平行四邊形定則的一般方法。練習(xí)題2要求學(xué)生會(huì)用受力分析的方法；研究對(duì)象處于平衡態(tài)時(shí)，能根據(jù)其所受合力為零，列方程解決問題；分析物體的受力后，可采用正交分解法處理受力，列方程得出結(jié)果，對(duì)于受力個(gè)數(shù)為3時(shí)的平衡態(tài)，采用合成法更方便，作圖時(shí)要先確定其中兩個(gè)力的合力方向，并與第三個(gè)力相反。