庫侖定律教學的高端備課＊

王 慧 邢紅軍

（首都師范大學物理系 北京 100048）

陳清梅

（北京中醫藥大學基礎部 北京 100102）

“庫侖定律”是現行人教版《高中物理·選修3－1》“靜電場”一章的內容，作為電磁學的基本定律，它不僅是力學向電磁學過渡的橋梁，而且是整個電磁學的基石.但是到目前為止，對庫侖定律的教學設計還存在諸多爭議.有鑒于此，我們擬采用高端備課的方式，運用類比法深化對庫侖定律的理解，以彰顯物理教學的邏輯，促進物理課堂的有效教學.

1 傳統教學設計存在的問題

查閱文獻發現，有關庫侖定律的教學設計基本都是以人教版教材為藍本，將教學活動按順序分為三個部分：

（1）通過實驗探究影響電荷間相互作用的因素，得到的結論是電荷間的相互作用力隨著電荷量的增大而增大，隨著電荷間距離的增大而減小；

（2）直接給出庫侖定律的內容，即：“真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上”；

（3）通過庫侖扭秤實驗得出庫侖定律的表達式

筆者基于物理教學的邏輯和學生的認知規律，以高端的視角對庫侖定律的教學進行了深入的剖析，結果發現，上述教學設計存在著“三個不符合”.

第一，教學順序與教學的邏輯不符合.庫侖定律理應是定性研究與定量研究的結果，而教材卻把庫侖定律的內容放在定性研究與定量研究之間，使得新知識的獲得既不能承前亦不能啟后，在定性實驗之后直接給出庫侖定律，很可能使學生產生錯誤認識，認為如果一個量隨著另一個量的增大而增大就是正比關系，反之就是反比關系.

第二，教學內容與學生的認知水平不符合.在知識層面，庫侖扭秤實驗涉及到用扭絲的轉角（庫侖扭秤的主要工作部件）間接測量靜電力變化的比值關系、涉及到扭力的概念和力矩平衡的知識，這些知識都遠遠超出了學生現有的認知水平.在技能層面，由于庫侖扭秤結構上的復雜性和操作上的精確性，重演這個實驗，需要介紹實驗器材、分析實驗原理、講解操作方法，學生難以自主駕馭.而且教學實踐表明，此實驗很難獲得想要的結果.

第三，探究實驗與歷史事實不符合.庫侖定律得以完備精準描述，并不只是一個扭秤實驗就能完成的，扭秤實驗只能驗證同號電荷間的相互作用力，而對異號電荷間的庫侖力則是庫侖通過電擺實驗得出.因此，教材通過庫侖扭秤實驗就得到庫侖定律是違背歷史事實的.

究其原因，探究實驗難辭其咎.由于實驗本身的難度打亂了從定性到定量得出結論的邏輯思路，使知識獲得的過程缺乏邏輯性，所以學生很難從整體上把握庫侖定律的內涵.事實上，庫侖定律的建立既是實驗事實的總結，也是理論研究的成果.在物理課堂教學中，學生間接經驗的獲得未必非要重演科學家的實驗，類比法同樣是科學家在建立定律時應用的一種重要科學方法，教學中沒有必要厚此薄彼.

鑒于此，本文嘗試突破傳統教學的局限，利用類比法使學生學習庫侖定律.這樣，既尊重了歷史史實、減輕了學生的認知負荷，又為后續學習電磁學提供了方法模型.

2 庫侖定律的高端備課

針對傳統教學以“科學探究實驗”為主的教學模式，我們以“顯化科學方法”的方式展開“庫侖定律”規律教學的高端備課，以期降低高二學生進入電磁學學習的門檻，搭建一座從力學向電磁學過渡的橋梁，使類比的思想逐漸滲透到學生的頭腦中.本次高端備課主要分為以下三個階段.

2.1 設計先行組織者 提供類比的可能

設計先行組織者，是奧蘇貝爾提供的一種重要的教學策略，它是先于學習任務本身呈現的一種引導性材料，設計“組織者”的目的是增加新舊知識之間的可辨性，以促進類屬性的學習［1］.

學生通過先前的學習，已經熟悉了天體的運動和萬有引力定律，掌握了原子的結構、電荷和電荷量的概念，知道了電荷之間存在著相互作用力.本節采用類比法的關鍵是讓學生領悟到新舊知識之間的聯系，找出它們的共同屬性.為了使新知識盡快納入到學生已有的圖式中，需要設計一個問題情境，即電子繞原子核運動的多媒體動畫，由學生分析電子的運動情況和受力情況，經由這一分析，學生容易聯想到行星繞太陽的運動.這樣一來，就把學生的思維從陌生的微觀粒子運動帶到熟知的宏觀天體運動的情境中，這一思維的過渡，能夠激發學生的想象力，使類比推理順利進行.

高端備課不同于教材編排，為了使教學更加符合邏輯，我們在定律建立之前就呈現靜電力和點電荷兩個概念，把它們作為“先行組織者”的一部分.這一處理，可以使學生在靜電力和萬有引力、點電荷和質點這兩組類比對象中建立聯系，增加類比的可行性.

2.2 從特殊到特殊 有效實施類比

在進行類比之前，首先向學生介紹類比法的定義.所謂類比法，就是根據兩個對象之間在某些方面具有的相同或相似性，推論它們在其他方面也可能相同或相似的方法，它既是一種創新思維方法，又是一種形象思維方法，其思維過程是從特殊到特殊［2］.高端備課依據這一思維過程進行的類比推理如下圖所示.（圖1表示類比推理的思路，圖2表示類比推理的具體過程）

圖1 類比推理的思路

圖2 類比推理的具體過程

如圖2所示，從“運動的相似性”到“定律表達的相似性”，這一推理思路簡單流暢，揚棄了復雜的實驗驗證，著眼于萬有引力和庫侖力之間的共同屬性，契合了學生的認知水平.

對于行星繞太陽運動的規律學生已經耳熟能詳，知道這是一個圓周運動的模型，并且萬有引力提供向心力；而對于電子繞原子核的運動相對比較抽象，但是學生通過化學課和上節課的介紹，容易接受電子在核外繞核做圓周運動這一事實，知道電子繞核運動的規律，離核越遠的電子受原子核束縛越小，即電子與原子核之間的作用力也是隨著距離的增大而減小的，這一規律與萬有引力有著驚人的相似.由動力學的知識可知，運動的相似性很可能是由于受力的相似性造成的.有了這一認知，就可以利用類比推理，仿照萬有引力定律的內容，嘗試表述電荷之間作用力遵從的規律.學生就能夠順利把萬有引力定律的內容遷移過來，把定律中“物體”改為“電荷”、把“質量”改為“電荷量”，并且可以寫出表達式

這樣，庫侖定律的雛形基本形成.

顯然，學生不可能想到把比例系數直接寫成k，也不可能把定律使用條件直接限制在“真空、靜止、點電荷”，也就是類比的結果會與定律本身有出入，但這并不影響本節課的教學效果，反而為講清庫侖定律的外延埋下伏筆.類比推理通過分析共性已經使學生理解了庫侖定律的內涵，即：庫侖力的大小滿足平方反比律，且與帶電體的電荷量有關.接下來通過分析上述差異，使學生了解庫侖定律的適用條件，即講清公式的外延.這樣，通過類比推理，求同存異，一個完整的庫侖定律就建立起來，“真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上.即：F＝

2.3 滲透物理學史 驗證類比結果

庫侖定律的建立是集多位科學家的分析研究成果于一體，最后由庫侖通過扭秤實驗和電擺實驗確認得出.因此，高端備課并不能止步于庫侖定律的順利得出，庫侖所做的驗證實驗也應該是本節的教學內容之一.

由于庫侖扭秤實驗和電擺實驗所涉及的知識和技能均超出了學生現有的水平，單獨介紹實驗會使得教學枯燥乏味，所以，通過與學生一起回顧庫侖定律發現前后科學家所做的工作和成就，一方面可以讓學生了解庫侖定律建立的背景及其過程，使學生的思維和科學家的思維產生共鳴，體會類比法的成功.另一方面可以增加學生的好奇心和求知欲，為下一步介紹驗證實驗做鋪墊.

介紹庫侖的實驗時應該重點突出兩點：第一，庫侖扭秤實驗只能驗證同號電荷間的庫侖力滿足平方反比關系，對于異號電荷間庫侖力的特點則是庫侖類比單擺實驗設計了一個電擺得出的.第二，庫侖當年實驗時，還不知道怎樣測量物體所帶的電荷量，甚至連電荷量的單位都沒有.根據電荷守恒定律，兩個相同金屬球接觸后電荷量將等量分配，可確定兩金屬球帶電荷量變化的比值關系.

這樣，通過物理學史的滲透，正本清源，旨在引起學生情感上的共鳴，使學生不僅僅增長了知識，而且對類比法有了深入的了解，并有利于“情感、態度、價值觀”的升華.

3 高端備課的啟示

總結以上高端備課的過程，可以得到以下幾點啟示.

3.1 高端備課應力求體現物理教學的邏輯性

教學的邏輯與思維的邏輯是一致的，知識本身的邏輯體系是影響教學效果的重要因素.傳統教學設計受探究實驗的限制，使教學存在明顯的邏輯缺陷，不利于間接經驗的有效獲得.高端備課直接采用類比法，以“類比的可能→類比的實施→類比的驗證”這樣一條邏輯路線展開，脈絡清晰、目標明確，使每一個教學步驟都處在學生的“最近發展區”里，既不低估，也不逾越，真正體現了循序漸進的教學原則.這樣的教學設計，借助科學方法表達了物理教學的邏輯性，由淺入深，由已知到未知，引導學生大膽推測，有利于激發學生探索意向、培養學生的邏輯思維能力.

3.2 高端備課應注重科學方法的顯性教育

物理學是一門具有方法論性質的科學.物理教學中不僅要教給學生基本概念和規律，更重要的是要教給學生學習物理的研究方法.而我國物理教材的編寫上則表現為對知識點的邏輯體系采用顯處理，而對物理知識的內在關系和物理方法，采用隱處理，即不在課本中寫明，而是讓學生自己去領悟，這是明顯偏離物理教育培養目標的［4］.由于本章以及整個電磁學知識的抽象性，后續學習用到類比法的頻次較多，顯化這一科學方法就顯得尤為重要.然而教材對科學方法采用了隱處理的方式，著重筆墨介紹了驗證實驗，這樣不利于知識的獲得.高端備課依據類比法的思維過程逐步展開，前承牛頓力學，使學生對萬有引力定律的認識得以升華；后啟電磁學，為之后電場、磁場中抽象概念的學習提供了方法模型.

3.3 高端備課應促進課堂教學有效性的提高

有效教學是指教師遵循教學活動的客觀規律，以盡可能少的時間、精力和物力投入，取得盡可能多的教學效果，從而實現特定的教學目標，滿足社會和個人的教育價值需求.新課改倡導以“科學探究”為主的課堂教學模式，而忽視了課堂教學有效性的提高.庫侖定律的教學設計大多側重于“探究實驗”，目的是為了通過探究活動發現基本的原理，像科學家那樣思考問題.但是由于實驗條件和學生知識水平的限制，有些實驗并不適合探究.如果在教學中一味追求形式，片面強調學生的主體作用，不僅浪費時間，而且問題并不能得到有效解決.高端備課運用類比法使新舊知識進行了有意義同化，突破了物理規律教學難點，從而有利于物理課堂教學有效性的提高.

1 陳琦，劉儒德.當代教育心理學.北京：北京師范大學出版社，2007.171

2 巨朝軍.類比推理微探.齊魯學刊，1999（4）

3 人民教育出版社，課程教材研究所.物理·選修3－1.北京：人民教育出版社，2007.5～6

4 喬際平，邢紅軍.物理教育心理學.南寧：廣西教育出版社，2002.96～97