庫侖定律教學(xué)的高端備課*

孫婷婷 鄭友進 左桂鴻

(牡丹江師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 黑龍江 牡丹江 157011)

庫侖定律是高中物理第九章第2節(jié)的內(nèi)容,在第1節(jié)中,學(xué)生學(xué)習(xí)了電荷相關(guān)的基本知識,如電荷的概念、性質(zhì)以及3種起電方式等.第2節(jié)“庫侖定律”開始探討電荷之間的作用力.這樣編排比較符合學(xué)生的認(rèn)知水平.然而,在進一步研究教材第九章第2節(jié)“庫侖定律”時,筆者發(fā)現(xiàn)教材在這一節(jié)中存在多處邏輯缺陷.本文將指出這些問題,并進行逐一分析.此外,筆者將結(jié)合高端備課的新思路,對庫侖定律進行重新設(shè)計,以期提高庫侖定律教學(xué)效果,并為其他章節(jié)的教學(xué)帶來新思路.

目前,學(xué)術(shù)領(lǐng)域?qū)τ诟叨藗湔n這一新領(lǐng)域的研究尚不成熟,然而學(xué)者們對高端備課的研究熱情卻十分高漲.物理高端備課是指以物理課程與教學(xué)理論為基礎(chǔ),以科學(xué)方法為導(dǎo)向,從而進行既符合學(xué)生認(rèn)知習(xí)慣,又符合教學(xué)基本邏輯的教學(xué)設(shè)計.結(jié)合高端備課新思路的物理教學(xué)更加重視方法的傳授,體現(xiàn)“從物理知識傳授到物理方法教育,再到物理思想形成”的核心理念,這更加符合新時代對人才的需求.

1 現(xiàn)行教材的邏輯缺陷

現(xiàn)行人教版高中物理教材第九章第2節(jié)“庫侖定律” 采取了問題-庫侖定律具體內(nèi)容-庫侖的實驗-靜電力計算的編寫順序.首先,教材以問題作為導(dǎo)入,引導(dǎo)學(xué)生探究帶電體與小球間的作用力與距離和電荷量的關(guān)系.然后,教材中直接呈現(xiàn)了庫侖定律的具體內(nèi)容,并引出了靜電力的概念.在學(xué)生明確庫侖定律內(nèi)容后,引領(lǐng)他們探究庫侖實驗,綜合實驗結(jié)論,得出關(guān)系式

式中k=9.0×109N·m2/C2.最后,利用關(guān)系式

在例題中引導(dǎo)學(xué)生探究萬有引力和庫侖力的大小關(guān)系,得出萬有引力遠(yuǎn)小于庫侖力,在研究微觀帶電粒子的相互作用時,可以忽略萬有引力.

筆者認(rèn)為,這一節(jié)的教材編寫存在4個主要問題.

第一,在第一部分“問題” 中,教材中的表述 “帶電體C與小球間的作用力會隨距離的不同怎樣改變呢? 在同一位置增大或減小小球所帶的電荷量,作用力又會怎樣變化?” 具有引導(dǎo)性,默認(rèn)了電荷間的作用力與距離和電荷量兩個因素有關(guān),存在邏輯斷點.筆者認(rèn)為,若想探究電荷間作用力隨距離和電荷量怎樣改變,首先要明確電荷間作用力與這兩個因素有關(guān),至少要進行相關(guān)猜想和假設(shè),這更加符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律.

第二,在第一部分 “問題” 之后,教材中直接呈現(xiàn)了庫侖定律的具體內(nèi)容.然而從第一部分的實驗現(xiàn)象,學(xué)生僅能得出庫侖定律的初步規(guī)律,若想得到一般規(guī)律,還要學(xué)習(xí)庫侖實驗,所以,這部分的教材編排跳躍性太大,且不符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,仿佛這一節(jié)的學(xué)習(xí)就是為了讓學(xué)生明確庫侖定律的具體內(nèi)容.事實上,學(xué)生通過這一節(jié)的學(xué)習(xí),經(jīng)歷庫侖定律的得出過程更為關(guān)鍵.

第三,教材中僅呈現(xiàn)了庫侖定律的具體內(nèi)容,卻沒有單獨強調(diào)庫侖定律的適用條件,只解釋了什么是點電荷,對于為什么適用于研究真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力卻避而不談,學(xué)生在課前預(yù)習(xí)過程中很容易忽略這部分知識,導(dǎo)致對庫侖定律的理解無法深入本質(zhì).

第四,教材中介紹完庫侖定律相關(guān)內(nèi)容后便戛然而止,并未引導(dǎo)學(xué)生思考電荷間相互作用是否需要介質(zhì),為下一節(jié) “電場 電場強度” 做鋪墊.

我們認(rèn)為,庫侖定律的教學(xué)核心在于: 怎樣幫助學(xué)生理解庫侖定律的得出過程,而不是僅掌握庫侖定律的具體內(nèi)容.因此,教師在講授庫侖定律時,應(yīng)當(dāng)遵照學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,先引導(dǎo)學(xué)生借助實驗經(jīng)歷物理概念和規(guī)律的得出過程,然后獲得一般規(guī)律,最終歸納總結(jié)為庫侖定律的具體內(nèi)容,這幾步符合教學(xué)的基本邏輯,更為重要的是符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律.因此,不可顛倒也不能跳躍.

為了教學(xué)的順利進行,教師在進行教學(xué)設(shè)計時要明確教材在這一節(jié)中的上述邏輯缺陷,盡量規(guī)避這些問題.首先,教師在頭腦中要形成符合教學(xué)邏輯的教學(xué)順序,避免教學(xué)跳躍性太大,出現(xiàn)邏輯斷點.此外,教師還要明確教學(xué)重點,并試圖站在學(xué)生角度體會這一節(jié)中的難點知識,在保證知識點不遺漏的情況下,使教學(xué)有所側(cè)重且符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律.最后,教師要有意識地在新授課中融入已經(jīng)學(xué)過的知識,達(dá)到復(fù)習(xí)的目的,還要在新授課后引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)新知識,使新舊知識相鏈接.從而形成以科學(xué)方法為導(dǎo)向,既符合教學(xué)邏輯,又能適應(yīng)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的教學(xué)設(shè)計,這也是高端備課的精髓.

2 庫侖定律教學(xué)的高端備課

鑒于教材在這一節(jié)中出現(xiàn)的上述4個主要問題,筆者將采取符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律以及物理教學(xué)基本邏輯的高端備課新嘗試,以規(guī)避這些問題,旨在物理教學(xué)過程不出現(xiàn)邏輯斷點,且符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律.

結(jié)合高端備課教學(xué)流程圖 (圖1)的庫侖定律新授課中,教師在確保學(xué)生能夠準(zhǔn)確掌握新知識的前提下,應(yīng)將教學(xué)重點放在物理規(guī)律的得出過程上,引導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)方法為導(dǎo)向經(jīng)歷庫侖定律的得出過程,深入本質(zhì)理解庫侖定律的具體內(nèi)容,并明確庫侖定律關(guān)系式的物理意義.具體教學(xué)步驟如下.

(1)首先,教師要向?qū)W生明確: 電荷間確實存在作用力,這是在回顧舊課,引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想上一節(jié)學(xué)習(xí)的“同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引”.然后,通過與萬有引力類比,讓學(xué)生猜想這種電荷間的作用力與什么因素有關(guān).由此得到電荷間的作用力可能與電荷之間的距離以及電荷量有關(guān).這一步正彌補了教材中出現(xiàn)的邏輯斷點.

(2)教師借助教材在這一節(jié)“問題” 中呈現(xiàn)的實驗裝置,自主創(chuàng)設(shè)實驗情境,引導(dǎo)學(xué)生探究電荷間的作用力隨電荷間的距離以及電荷量的不同怎樣改變.學(xué)生先進行猜想,然后教師借助多媒體進行實驗演示,通過實驗現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生得出庫侖定律的初步規(guī)律 (電荷間的作用力與電荷量成正比,與電荷間的距離成反比).得出初步規(guī)律后,教師可以引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計實驗裝置進行探究,從而加深學(xué)生對這部分知識的理解.

(3)引導(dǎo)學(xué)生探究庫侖扭秤實驗,明確實驗原理,即“兩個帶電小球間的作用力與這兩個小球中心之間的距離的平方成反比” 的得出過程.然后再借助扭秤實驗中帶電小球接觸不帶電小球后電荷量平分原理解釋電荷間的作用力與電荷量的乘積成正比.由此就得到了庫侖定律的一般規(guī)律,即 “在一定條件下,電荷間的作用力與它們的距離的二次方成反比,與它們的電荷量的乘積成正比”.

(4)利用上述一般規(guī)律,引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)出庫侖定律的具體內(nèi)容,具體內(nèi)容中不僅包括上述一般規(guī)律,還應(yīng)該明確庫侖定律的適用條件并引入庫侖力的概念和方向,由此構(gòu)成了庫侖定律的完整內(nèi)容.針對庫侖定律適用條件,要避免解釋含糊不清,應(yīng)向?qū)W生解釋清楚“適用條件是什么”和“為什么”兩個問題.

(5)同樣利用上述一般規(guī)律,引導(dǎo)學(xué)生類比萬有引力關(guān)系式得到庫侖定律關(guān)系式

這一步雖然簡單,但十分關(guān)鍵,能夠幫助學(xué)生理解關(guān)系式的物理意義,并建立科學(xué)的思維模式.

(6)引導(dǎo)學(xué)生思考萬有引力與庫侖力的大小關(guān)系,先進行猜想,再思考教材中的“例題1”,最終得出微觀粒子間的萬有引力遠(yuǎn)小于庫侖力,更為重要的是教師要幫助學(xué)生在頭腦中建立一種概念: 在研究微觀帶電粒子的相互作用時,可以忽略萬有引力,只研究庫侖力.這一步既簡化了計算過程,又在一定程度上掃清了學(xué)生的認(rèn)知障礙.

(7)在前6步中,庫侖定律相關(guān)內(nèi)容已向?qū)W生介紹完畢,教師可以給學(xué)生布置一個課后作業(yè):思考電荷之間相互作用是否需要介質(zhì)? 從而為下一節(jié) “電場 電場強度” 做鋪墊,也能督促學(xué)生做好課前預(yù)習(xí),并且在頭腦中建立起前后知識之間的聯(lián)系.因此,這一步不可或缺,將是連接新舊知識的關(guān)鍵一步.

庫侖定律的高端備課教學(xué)步驟如圖1所示.

圖1 庫侖定律的高端備課教學(xué)步驟

至此,學(xué)生既掌握了新知識,又能準(zhǔn)確理解新知識的得出過程及物理意義,從而做到知其然亦能知其所以然.此外,學(xué)生通過這一節(jié)課的學(xué)習(xí),能夠輕松建立起前后知識之間的聯(lián)系.這些均得益于上述以科學(xué)方法為導(dǎo)向的高端備課教學(xué).

教師教的目的是為了學(xué)生的學(xué),且在很大程度上會影響學(xué)生的學(xué).因此,教師教的質(zhì)量至關(guān)重要,這就要求教師把握正確的教學(xué)邏輯,在教學(xué)過程中不拘泥于教材,且能夠創(chuàng)造性地利用教材.從而進行科學(xué)的教學(xué)設(shè)計.教師可以結(jié)合上述高端備課教學(xué)流程圖,以科學(xué)方法為導(dǎo)向,消除學(xué)生的錯誤前概念,并引導(dǎo)他們以探究的方式開展學(xué)習(xí),從而保證學(xué)生明確所學(xué)知識的得出過程,而不局限于知識本身,這將對他們未來的學(xué)習(xí)大有裨益.

3 比較與啟示

為矯正高中物理教材的邏輯缺陷,教師可以采用高端備課新思路進行教學(xué)設(shè)計,通過這種思路進行的教學(xué)設(shè)計邏輯清晰且直接有效,更有助于教師教學(xué),也更利于學(xué)生學(xué)習(xí).以下是兩種教學(xué)過程的對比研究,以期為中學(xué)物理教學(xué)帶來幫助和啟示.

(1)兩種教學(xué)過程的對比分析——真探究和偽探究

在庫侖定律教學(xué)的高端備課新嘗試中,教師更加注重學(xué)生的探究過程,而不是急于給出結(jié)論,這種教學(xué)方式更有助于學(xué)生提高探究以及邏輯推理等方面的能力.在庫侖定律的高端備課教學(xué)流程圖(圖1)中,我們能夠看出,基于此流程圖展開的教學(xué)更加注重學(xué)生的學(xué)習(xí)過程,并引導(dǎo)學(xué)生在探究過程中掌握正確的方法.在圖1 中,我們共經(jīng)歷了4步才最終推演出庫侖定律的具體內(nèi)容,其中前3步均為庫侖定律的得出過程,第4步依據(jù)庫侖定律的一般規(guī)律歸納總結(jié)為庫侖定律的具體內(nèi)容,可見得出結(jié)論并不是學(xué)生學(xué)習(xí)的首要目的,在學(xué)習(xí)過程中獲得能力和方法才至關(guān)重要.總之,結(jié)合高端備課新思路進行的教學(xué)能夠保證學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中進行“真探究”,這也是探究式教學(xué)的關(guān)鍵.

然而,如果教師僅基于教材中“庫侖定律”的現(xiàn)有內(nèi)容和邏輯開展教學(xué),學(xué)生確實能夠?qū)W到新知識,也能依據(jù)教材中設(shè)置的 “問題”情境進行探究,但這種探究屬于偽探究.在本文的第一部分“現(xiàn)行教材的邏輯缺陷”中,筆者已指出教材在這一節(jié)“問題”中的表述具有引導(dǎo)性,這種引導(dǎo)屬于負(fù)向引導(dǎo).這一節(jié)剛開始就帶領(lǐng)學(xué)生探究電荷之間的作用力隨電荷間的距離以及電荷量怎樣變化,直接默認(rèn)了電荷間的作用力與這兩個因素有關(guān).因此,這種探究屬于偽探究,看似合理,但究其本質(zhì),學(xué)生的探究過程實際上并不完整且缺乏合理性.

總之,中學(xué)物理教師在教學(xué)過程中要避免“偽探究”,這就需要教師在教學(xué)前進行高端備課,確認(rèn)教材中的探究過程是否完整,是否合理.若不完整,則要在教學(xué)設(shè)計中補全探究過程.若不合理,則要對探究過程進行矯正.其中,探究過程是否合理側(cè)重于探討的是教學(xué)邏輯問題.

(2)兩種教學(xué)過程的對比分析——理清教學(xué)邏輯,順應(yīng)認(rèn)知發(fā)展

從微觀角度看,教學(xué)過程合理意味著某一部分的教學(xué)過程邏輯性強,契合學(xué)生的認(rèn)知水平.從宏觀角度看,教學(xué)過程合理則意味著整體教學(xué)邏輯強,教師在進行教學(xué)設(shè)計時,不僅理清了整體教學(xué)邏輯思路,還順應(yīng)了學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律.結(jié)合高端備課新思路進行的教學(xué)設(shè)計就能夠在保證教學(xué)邏輯合理的同時,滿足學(xué)生的認(rèn)知需求,順應(yīng)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展.

在“庫侖定律”這一節(jié)中,教材中的編排順序是: 問題-庫侖定律具體內(nèi)容-庫侖的實驗-靜電力計算,依據(jù)教材,學(xué)生先學(xué)習(xí)庫侖定律具體內(nèi)容,然后學(xué)習(xí)庫侖的扭秤實驗,但這樣編排并不符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律.學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展具有順序性,簡言之,學(xué)生需要先學(xué)習(xí)簡單的東西,這樣才更容易理解后續(xù)相對復(fù)雜的知識.因此,學(xué)生需要先探究庫侖實驗,明確電荷間作用力的一般規(guī)律,這樣才能歸納總結(jié)出庫侖定律的具體內(nèi)容.如果按照教材中的順序開展教學(xué),將會為學(xué)生設(shè)置認(rèn)知障礙,那么即使在后續(xù)的學(xué)習(xí)過程中消除了這種認(rèn)知障礙,這種違背學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的教學(xué)也很難達(dá)到最佳的教學(xué)效果.以此為鑒,結(jié)合高端備課思路進行的教學(xué)設(shè)計將擺脫教材中的原有邏輯編排,采用上述高端備課教學(xué)流程圖(圖1)中的教學(xué)順序,以期達(dá)到最好的教學(xué)效果.

中學(xué)物理教師在教學(xué)過程中要做到不拘泥于教材,且能創(chuàng)造性地應(yīng)用教材.教材僅是教學(xué)的輔助材料,若僅依靠教材開展教學(xué),將很難達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果.因此,為了達(dá)到最好的教學(xué)效果,教師在備課時,要注意理清教學(xué)邏輯,順應(yīng)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展.

(3)兩種教學(xué)過程的對比分析——承前啟后,聯(lián)系知識

教材在“庫侖定律”這一節(jié)中并沒有很好地“承上”和“啟下”,因此新舊知識之間的聯(lián)系并不明顯.教學(xué)中若想做好這方面的工作,充分顯現(xiàn)新舊知識間的聯(lián)系， 教師可以在備課時設(shè)置一個課前小問題,保證教師在新授課前， 將上一節(jié)內(nèi)容融合進來， 達(dá)到復(fù)習(xí)和聯(lián)系新舊知識的目的.此外， 教師可以在備課時設(shè)置課后作業(yè)， 引導(dǎo)學(xué)生在新授課后思考下一節(jié)的知識及新舊知識間的聯(lián)系， 達(dá)到預(yù)習(xí)和聯(lián)系新舊知識的目的.

例如，圖1所示的庫侖定律教學(xué)流程圖中,筆者就采取了這種方法,在新授課后,引導(dǎo)學(xué)生在課下思考，“電荷之間相互作用是否需要介質(zhì)? ”從而達(dá)到啟下的目的.

中學(xué)物理教師在教學(xué)過程中首先要有承前啟后的意識， 然后采取適當(dāng)?shù)霓k法將新舊知識聯(lián)系起來， 從而提高中學(xué)物理課堂的教學(xué)質(zhì)量和效率.