采用類比教學減輕學生認知負荷的探索
——以“庫侖定律”的教學為例

呂有功

（江蘇省沙溪高級中學，江蘇 太倉 215411）

采用類比教學減輕學生認知負荷的探索
——以“庫侖定律”的教學為例

呂有功

（江蘇省沙溪高級中學，江蘇 太倉 215411）

類比法是科學家在建立定律時應用的一種重要科學方法。根據著名心理學家維果茨基根據實驗提出“最近發展區”理論，采用類比法教學，既可以減輕減輕學生認知負荷，又可以加深學生對知識的理解。

類比；認知負荷；庫侖定律

依據最近發展區理論，在“最近發展區”內進行的教學是促進學生發展的最佳時機。然而在有些課堂教學中，教師往往沒有找準最近發展區，教學內容與學生的認知水平不符合，既增加了學生的認知負荷，又不能取得很好的教學效果。下面，筆者就以庫侖定律為例，談談如何通過類比教學減輕學生的認知負荷。

一、教而知惑，惑而求索

“庫侖定律”是高中物理選修3-1第一章靜電場的第二節，在教學中我產生了以下兩點困惑：（1）庫侖定律應該是定性研究和定量研究的結果，而教材上庫侖定律的內容卻出現在定性研究和定量研究之間。這定量的關系式到底怎么得來呢，讓人有些費解。（2）庫侖扭秤實驗涉及到用扭絲的轉角間接測量靜電力變化的比值關系，由于涉及扭力和力矩平衡等知識，學生比較陌生，存在一定的認知困難。帶著這兩個困惑，我嘗試以“顯化科學方法”的方式展開“庫侖定律”的教學設計，力求降低學生進入電磁學的學習門檻，使類比的思想逐步滲透到學生的腦海中。

二、趣味實驗，激發興趣

教學片段1：師：用毛皮摩擦過的橡膠棒靠近易拉罐，會發生什么現象？實驗現象：易拉罐被橡膠棒吸引滾動起來了。師：為什么橡膠棒能把易拉罐吸引走，這其中隱藏了什么樣的物理學知識，是否與帶電體間的相互作用有關呢？相信我們學完庫侖定律后就可以來解釋相關知識。教學感悟：在新課程的引入時，我通過生活中常見的器材設計趣味實驗，以激發學生的學習興趣，調動他們學習的積極性和主動性。

三、演示探究，引入類比

教學片段2：師：電荷間作用力的大小決定于哪些因素呢？我們通過實驗來探究。實驗演示。實驗過程：第一步：首先讓小球A帶電，控制P1、P2、P3下方三個小球所帶電荷量相同，觀察并比較P1、P2、P3下方三個帶電小球受到A球的作用力大小。第二步：控制帶電小球A電量和位置不動，不斷增大右側小球所帶的電荷量，觀察并比較帶電小球所受到A球的作用力大小。師：通過上述實驗我們可以猜測電荷間作用力的大小與哪些因素有關呢？生：可能與距離、電荷量大小、球的形狀和大小有關。師：前面力學中我們在研究物體間相互作用關系時是如何處理物體的形狀和大小的？生：當物體的大小和形狀在所研究的問題中可以忽略時，我們可以把物體簡化為一個點。師：處理帶電體間相互作用力的時候，當帶電體的形狀、大小以及電荷分布可以忽略不計，我們同樣可將它看作是一個幾何點，這個點稱為點電荷。教學感悟：關于“點電荷”的知識，教師無需進行講解，可

教學片段4：師：如果用電荷量類比質量，帶電體間的相互作用力可以如何表達呢？生師：猜想之后我們就需要進行實驗驗證，可是電荷間的作用力比較小該如何處理呢？同學們可以先談一下我們在學習萬有引力時是如何測得引力常量的，其原理是什么？生：1789年由卡文迪許設計了卡文迪許扭秤實驗，其原理利用了兩次放大。（1）盡可能地增大了T型架連接兩球的長度使兩球間萬有引力產生較大的力矩，使桿偏轉。（2）盡力增大弧度尺與系統的距離使小鏡子的反射光在弧線上轉動了較大角度。師：庫侖扭秤實驗介紹。教學感悟：庫侖扭秤實驗涉及到扭絲的轉角間接測量靜電力變化的比值關系、扭力概念、平衡知識。這些知識不僅枯燥而且不易理解，教學中通過引導學生回顧卡文迪許扭秤實驗，并熟悉其放大原理有利于學生接受庫侖扭秤實驗的設計思路。

不同對象在某些方面具有相同或者相似性，通過類比可以找到在其他方面也具有相同和相似的性質。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。本節課以類比為主線，深化了學生對庫侖定律的理解，彰顯了物理教學的邏輯性。因此，教師在教學中要力求尊重物理學史，減輕學生的認知負荷，提高課堂實效。通過引導學生回顧力學中的質點的概念及應用條件，進而思考對帶電體間相互作用力問題如何處理帶電體的形狀與大小。通過類比，學生很自然地理解了帶電體本身的大小跟它們之間的距離相比可以忽略時，帶電體就可以看作點電荷。

四、回顧歷史，巧妙類比

教學片段3：師：帶電體間相互作用力隨電荷量的增大而增大，隨距離的增大而減少。這與我們以前學過的什么力比較相似呢？生：萬有引力。師：帶電體間相互作用力與萬有引力真的很相似嗎？展示月球受到萬有引力做圓周運動和電子受到正電荷的吸引力做圓周運動的動態圖。展示歷史材料（材料略）。師：能否說普利斯特列發現了電荷間的引力與距離的平方成反比規律。學生討論。教學感悟：用新舊知識類比法學習物理知識，能起到事半功倍的效果。課堂教學中通過學生已學的知識萬有引力定律、天體的運動，把學生的思維從陌生的微觀粒子運動帶到熟悉的宏觀天體運動的情境中。根據歷史資料，學生能加深普利斯特列根據類比思維提出電力也服從反平方定律這一科學猜想的重要意義。

五、定量探究，深化類比

[1]吳燕丹.庫侖定律教學的高端備課[J].物理通報,2014(05).

[2]姜益華，杭建明.關于庫侖定律表述的思考[J].物理教學探討,2002(02).

G424

A

1008-3561（2015）21-0077-01

呂有功（1979－），男，江蘇太倉人，中學一級教師，從事高中物理教學與研究。