注重科學(xué)探究 發(fā)展核心素養(yǎng)
——對(duì)“庫侖定律”教學(xué)的思考

范 兵

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

黃幸福

(武漢市江夏區(qū)金口中學(xué) 湖北 武漢 430208)

熊建文

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂》(以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)明確提出要發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng),引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程,體會(huì)科學(xué)研究方法,養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣,增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力[1].在新課程改革的背景下,物理教師應(yīng)該通過不同方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)探究;然而在日常教學(xué)中,受多種因素制約,教師依然難以貫徹《課程標(biāo)準(zhǔn)》所提出的教學(xué)理念,往往只重視物理知識(shí)的講授,容易忽視科學(xué)探究的重要性.因此,本文以高中物理必修三第九章第2節(jié)“庫侖定律”的教學(xué)實(shí)踐為例[2],分析如何通過科學(xué)探究來實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)的目的.

1 “庫侖定律”的教材分析

“庫侖定律”是靜電學(xué)核心內(nèi)容之一,本小節(jié)的重點(diǎn)就是引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)探究庫侖定律過程中的科學(xué)思想和方法,而實(shí)驗(yàn)就是實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究的重要載體.教材中對(duì)實(shí)驗(yàn)的描述,是通過一幅示意圖(圖1)說明的,即包含了在電荷量一定時(shí),電荷間的作用力跟電荷間的距離有關(guān)的信息.但是用目前普通中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備(圖2)很難觀察到課本示意圖描述的現(xiàn)象,主要原因是:由于空氣中存在帶電微粒,帶電體(即圖1中的球C)所帶的電荷量會(huì)迅速減少,要讓全班學(xué)生清楚地觀察到懸掛的小球在3個(gè)不同距離時(shí)小球偏移角度的大小很困難,即難以保證在較長時(shí)間內(nèi)帶電體與懸掛小球所帶電荷量保持不變.其次,懸掛的帶電小球的受力大小是從偏移角度看出來的,兩球的間距難以固定,因?yàn)槠平嵌雀淖兊臅r(shí)候,由于靜電力的影響,懸掛的小球與帶電體間的距離也會(huì)隨著改變.在課前實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí),發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)可見度不高,如果教師演示并講授,學(xué)生參與的機(jī)會(huì)少,教學(xué)效果可能會(huì)大打折扣.

圖1 教材中演示實(shí)驗(yàn)示意圖

圖2 電荷間的作用力演示器

2 “庫侖定律”的教學(xué)重構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)更好的教學(xué)效果,將該演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生探究實(shí)驗(yàn).由于實(shí)驗(yàn)室可用于懸掛的帶電小球質(zhì)量較大,受力相同的情況下偏移角度小,可見度低.經(jīng)過不斷嘗試用自制的鋁箔小筒代替小球效果較好,將干凈的鋁箔(中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室均有配備)剪成約3.0 cm×3.0 cm小塊,然后卷成直徑約0.80 cm的圓柱狀小筒用細(xì)線懸掛起來,因?yàn)樾⊥操|(zhì)量小,受力相同的情況下偏移角度大,在實(shí)驗(yàn)中效果更明顯.由于實(shí)驗(yàn)室中固定的帶電體是為演示實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的,數(shù)量不夠?qū)W生分組實(shí)驗(yàn)的要求,嘗試用帶絕緣柄的其他器材代替,發(fā)現(xiàn)演示靜電感應(yīng)的枕形導(dǎo)體組拆開后可以代替帶電體,如圖3所示,拿出幾臺(tái)枕形導(dǎo)體讓學(xué)生共用,這樣器材問題便得到解決.在解決實(shí)驗(yàn)器材短缺的基礎(chǔ)上,遵循物理教學(xué)過程的規(guī)律,運(yùn)用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法,為實(shí)現(xiàn)既定的教學(xué)目標(biāo),對(duì)教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行的規(guī)劃、安排與決策[3],設(shè)計(jì)出了本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)流程圖,如圖4所示.

圖3 枕形導(dǎo)體

圖4 “庫侖定律”的教學(xué)流程圖

2.1 提出問題 引發(fā)思考

師:在上節(jié)課中同學(xué)們學(xué)習(xí)了“電荷”,知道電荷間存在相互作用力,那么請(qǐng)同學(xué)們猜測(cè)一下這種力的大小跟哪些因素有關(guān)呢?

生:與電荷量的多少有關(guān)……

師:當(dāng)我們提到電荷間的相互作用力,往往會(huì)聯(lián)想到兩個(gè)物體之間的作用力,那么我們之前學(xué)過什么定律是關(guān)于兩物體間相互作用力大小的呢?

生:萬有引力定律.

師:很好!請(qǐng)大家回憶質(zhì)點(diǎn)間的萬有引力大小與哪些因素有關(guān)?

生:物體的質(zhì)量、物體的間距.

師:好的,那我們今天所研究的電荷間的作用力可能與哪些因素有關(guān)呢?(在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)大多學(xué)生都能夠作出正確的猜想)請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)手中的實(shí)驗(yàn)器材和課本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案,進(jìn)行定性實(shí)驗(yàn)證實(shí)猜想.

設(shè)計(jì)意圖:因?yàn)樵谏弦还?jié)“電荷”的教學(xué)中,學(xué)生已經(jīng)知道電荷間的相互作用力表現(xiàn)為引力或斥力,加之課本示意圖的提示作用,學(xué)生很容易想到用于懸掛的小球跟固定小球(即帶電體)帶同種電荷,通過觀察細(xì)線偏移角度大小,可以間接說明小球受力大小.

2.2 設(shè)計(jì)方案 驗(yàn)證猜想

為探究電荷間相互作用力的大小與電荷量和間距之間存在怎樣的關(guān)系,通過控制變量法,設(shè)計(jì)了兩組探究實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)1:保持帶電體和鋁箔小筒的帶電荷量不變,探究電荷間的作用力與距離之間的關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)2:保持帶電體與鋁箔小筒的距離不變,探究電荷間的作用力與鋁箔小筒的帶電荷量之間的關(guān)系.

將學(xué)生分為8個(gè)小組(4人/組),讓他們以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,并讓他們將實(shí)驗(yàn)探究的觀察結(jié)果記錄在學(xué)生自行設(shè)計(jì)的表格中,如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果記錄表

學(xué)生在分組實(shí)驗(yàn)時(shí),很容易直接觀察到電荷量一定時(shí),距離越大,電荷間的作用力越小.在移動(dòng)桌面的帶電體使之盡可能接近懸掛小筒時(shí),還能夠清楚觀察到細(xì)線偏移角度變大,從而說明間距變小,電荷間的作用力變大.實(shí)驗(yàn)中還觀察到學(xué)生創(chuàng)造性地用羊毛衫摩擦塑料尺作為起電器(可節(jié)省組內(nèi)學(xué)生同時(shí)使用器材需要等待的時(shí)間),然后接觸懸掛的鋁箔小筒,也可以清楚觀察到小球之間的斥力大小跟它們的間距有關(guān).

在進(jìn)一步探究電荷間的作用力大小跟電荷量關(guān)系時(shí),絕大多數(shù)小組幾乎無需教師提示,自然而然地會(huì)拿另一個(gè)相同的不帶電小筒接觸一下懸掛的帶電小筒,分走懸掛小球的部分電荷量(在上節(jié)課的教學(xué)中已經(jīng)提到過相同帶電體接觸時(shí)電荷量的分配),可以明顯看出偏移角度減小,從而分析出電荷間的作用力跟電荷量的關(guān)系.

設(shè)計(jì)意圖：實(shí)驗(yàn)探究是人們探索自然規(guī)律、獲取科學(xué)知識(shí)的重要手段,是綜合的、關(guān)鍵的科學(xué)能力和素養(yǎng)的體現(xiàn)[4].通過定性的探究實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了科學(xué)探究的機(jī)會(huì),培養(yǎng)學(xué)生收集、處理信息的能力和基于證據(jù)形成猜想的能力,同時(shí)為教師進(jìn)一步講授庫侖定律的定量描述做好鋪墊.

2.3 類比推導(dǎo) 定量描述

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究驗(yàn)證了自己的猜想是正確的,并且得出結(jié)論——電荷間的作用力隨距離增大而減小,隨電荷量的增大而增大.教師進(jìn)一步明確電荷間的作用力就是庫侖力(或靜電力).學(xué)生思維已異?；钴S,此時(shí)提示學(xué)生:剛才的探究只是電荷間受力的定性認(rèn)識(shí),要探究庫侖力大小的定量關(guān)系,還需要精密的實(shí)驗(yàn)探究.這時(shí)介紹庫侖扭秤的結(jié)構(gòu)原理及物理學(xué)史,得出:當(dāng)電荷量不變時(shí),庫侖力F與距離r的二次方成反比;當(dāng)電荷間的距離不變時(shí),庫侖力F與電荷量的乘積成正比的結(jié)論.然后將庫侖力與萬有引力進(jìn)行類比,類比過程如圖5所示,引導(dǎo)學(xué)生歸納出庫侖定律的公式;最后對(duì)庫侖定律的內(nèi)容、表達(dá)式和適用條件進(jìn)行詳細(xì)解釋.

圖5 庫侖力與萬有引力的類比流程圖

設(shè)計(jì)意圖:通過介紹庫侖扭秤的實(shí)驗(yàn)原理和歷史趣事來引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,讓學(xué)生感受物理學(xué)思想方法的美妙,樹立創(chuàng)新意識(shí),受到科學(xué)態(tài)度的熏陶[4].同時(shí)通過庫侖力和萬有引力的類比教學(xué),不僅培養(yǎng)學(xué)生數(shù)理結(jié)合、分析推理的思維能力,還能將科學(xué)方法滲透到教學(xué)中,讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)的奇妙.

2.4 實(shí)踐應(yīng)用 能力提升

習(xí)題是鞏固學(xué)生知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力的重要載體,在講述完庫侖定律后,精選例題來進(jìn)行教學(xué)活動(dòng).

【例題】一個(gè)靜止的電荷量為e的質(zhì)子位于圓心,一個(gè)帶電為-e的電子以速度v和軌道半徑r圍繞著質(zhì)子做勻速圓周運(yùn)動(dòng),其中質(zhì)子和電子的大小可以忽略不計(jì).設(shè)質(zhì)子的質(zhì)量為M,電子的質(zhì)量為m,靜電力常量為k,引力常量為G,各物理量的數(shù)值如表2所示.

表2 各物理量的數(shù)值

請(qǐng)你比較一下作用于氫原子中電子和質(zhì)子之間的萬有引力和靜電力的大小,可以看出萬有引力大約是靜電力的( )倍.

A.10-10B.10-20C.10-30

D.10-40E.10-50F.10-60

設(shè)計(jì)意圖:習(xí)題的教學(xué)活動(dòng)利于學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到在研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)時(shí),由于萬有引力遠(yuǎn)小于庫侖力,電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)可以忽略萬有引力的影響;同時(shí)鞏固學(xué)生所學(xué)的知識(shí),掌握庫侖定律的應(yīng)用.

3 教學(xué)啟示

讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程,學(xué)習(xí)物理學(xué)的研究方法,注重科學(xué)探究能力的培養(yǎng),關(guān)注學(xué)生關(guān)鍵能力在實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐層面的發(fā)展,這是發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)的重要手段[5].通過“庫侖定律”的教學(xué)實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)有以下幾點(diǎn)是值得注意和思考的.

3.1 重實(shí)驗(yàn) 經(jīng)歷科學(xué)探究

讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程,使之掌握科學(xué)研究的方法比直接教給學(xué)生知識(shí)更重要.在本節(jié)課教學(xué)過程中,學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)花費(fèi)了較多時(shí)間,在進(jìn)行例題教學(xué)時(shí),時(shí)間顯得比較倉促.但通過課后作業(yè)反饋發(fā)現(xiàn),學(xué)生對(duì)庫侖定律的知識(shí)掌握情況良好,這說明通過科學(xué)探究能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣,引發(fā)他們對(duì)物理問題的討論熱情,激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的潛力.

3.2 重行動(dòng) 克服實(shí)驗(yàn)困難

由于普通高中存在教學(xué)器材配備不足、使用不便等諸多問題,導(dǎo)致探究性實(shí)驗(yàn)難以開展,但只要積極想辦法,總可以找到能夠說明物理原理的實(shí)驗(yàn)方法和器材.同時(shí)作為物理教師,課前的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和投入是上好一堂課的關(guān)鍵.為了把庫侖定律的演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生探究實(shí)驗(yàn),在器材的準(zhǔn)備過程中遇到一些困難:如嘗試過在泡沫球外包裹一層錫箔做懸掛小球,由于難以把小球做成相同的大小,最后還是選定用鋁箔,將鋁箔做成幾十個(gè)大小基本相同的小筒,既滿足作為懸掛小球使用,也方便作為改變小球電荷量的移電工具.

在以往“庫侖定律”的教學(xué)過程中,有教師是通過庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)的介紹來講授庫侖定律,學(xué)生基本上是被動(dòng)接受知識(shí)的.但通過科學(xué)探究,學(xué)生體驗(yàn)到探究過程的樂趣,當(dāng)教師再講授精密的庫侖扭秤定量實(shí)驗(yàn)時(shí),學(xué)生注意力很集中,很樂意并容易接受知識(shí);同時(shí)也能讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)研究往往需要在定性探究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行反復(fù)嚴(yán)密的定量實(shí)驗(yàn)而獲得嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)知識(shí),從而激發(fā)學(xué)生將來積極投身科學(xué)研究的熱情,這有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

3.3 重育人 培養(yǎng)核心素養(yǎng)

課堂教學(xué)既要傳授物理學(xué)的知識(shí)和原理,更要培養(yǎng)學(xué)生形成良好的思維習(xí)慣,并使之了解科學(xué)家們探索物理規(guī)律的艱辛歷程.物理學(xué)雖是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué),但是并不是所有規(guī)律都要求學(xué)生探究解決,學(xué)生的探究活動(dòng)是學(xué)習(xí)物理學(xué)的重要方法.在學(xué)生取得初步探究結(jié)論后,教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生了解物理理論(或規(guī)律)的發(fā)展歷程和科學(xué)家們研究該問題的思想和方法.準(zhǔn)確的物理概念的講授和嚴(yán)密的科學(xué)推理的教學(xué)過程仍是物理課堂教學(xué)的重要手段,但如果能創(chuàng)造條件讓學(xué)生參與科學(xué)探究,則既可以讓學(xué)生獲取豐富的感性認(rèn)識(shí),又可以充分調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)積極性,便能夠達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果.

總之,在日常的物理教學(xué)中,要落實(shí)《課程標(biāo)準(zhǔn)》提出的教學(xué)目標(biāo),全面提高學(xué)生的核心素養(yǎng),就要盡量想辦法吸引學(xué)生主動(dòng)參與到科學(xué)探究中,讓他們親歷物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程,獲得創(chuàng)造性的情感體驗(yàn),增進(jìn)對(duì)物理概念和物理研究過程的理解,這樣也有利于學(xué)生形成發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題的意識(shí),發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力.