核心素養視域下的“激疑·對話·拓展”教學策略初探
——以人教版物理“庫侖定律”為例

葉副權 顧建新

(1. 泰興市第一高級中學,江蘇 泰州 225400; 2. 泰興市教師發展中心，江蘇 泰州 225400)

20世紀以來,隨著新科技革命的挑戰,諸多教育教學理論應運而生,如認知-結構學習理論、建構主義學習理論、最近發展區理論等,對當代教學實踐產生了深刻的影響.新世紀以來,圍繞新課程改革,開展課堂教學模式與教學策略的研究更是蔚然成風,提煉出如“以學定教,以教導學”、“合作學習”等理論觀念.結合上述理論成就及多年的教育教學實踐,我校提出的“激疑·對話·拓展”課堂教學策略得以初步形成,它具有一定的校本特色,更具有突出學生主體地位的共性.此教學策略在教學環節的融合上,相互間關系如圖1所示.

圖1 實施“激疑·對話·拓展”策略的基本結構

“激疑·對話·拓展”課堂教學策略突出了學生主體地位,在策略實施中又充分發揮了教師的主導作用,即“激疑,指導學生自主探究; 對話,誘導學生思維發展;拓展,引導學生深度質疑”.

下面以高中物理人教版選修3-1第1章靜電場第2節庫侖定律設計與授課為例,例說“激疑·對話·拓展”課堂教學策略在物理教學中的應用.

1 做好教材分析與學情分析,明確核心素養在章節內容上的具體呈現

教學設計首先需要明確所教內容的內在聯系與學科地位作好知識體系分析.本節庫侖定律,通過前面的學習,學生已經對電荷間作用力的方向有了初步的認識.在此基礎上,進一步探究靜電力的規律.庫侖定律是一個實驗探究性定律,即通過探究“影響電荷間相互作用的因素”發現并歸納出庫侖定律的基本內容.庫侖定律在物理學中占有相當重要的地位,不僅是牛頓引力理論的發展,高斯定理的有力支撐,也是電磁學發展史上人類提出的第一條定量定律,是學習電磁學知識的前提.

其次要對學生的學習情況作一個認知分析.作為高一下學期的高中生,學生已初步掌握了用實驗探究物理規律的基本方法,并有較強的動手能力,具有較好的思考、質疑、交流與合作的學習習慣.學生通過上一節“電荷及其守恒定律”的學習,已經知道自然界中的兩種電荷以及使物體帶電的方式,掌握了電荷守恒定律內容及基本應用.這些都為學生自主學習、合作探究、解決問題的順利進行奠定了良好的基礎.

最后基于教材及學情的分析,科學界定本節教學目標中物理學科核心素養的具體呈現.

物理觀點:通過學習,知道點電荷的概念,掌握庫侖定律,理解庫侖定律的含義及其公式表達,知道靜電力常量.深化電荷間相互作用的基本認識并會用庫侖定律的公式進行有關的計算.

科學思維:通過點電荷模型的建構,發展學生抽象概括能力,通過回顧萬有引力定律猜想庫侖定律的表達形式,發展學生邏輯推理能力;通過對庫侖定律的定性猜想,掌握探究物理規律的一般方法即控制變量法;通過實驗方案的設計、檢驗與修正,發展學生科學論證,質疑創新能力.

科學探究:通過實驗讓學生探究影響電荷間相互作用力的因素,總結出庫侖定律.引導學生“基于觀察和實驗提出物理問題,形成猜想和假設,設計實驗與制定方案,獲取和處理信息,基于證據得出結論作出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力”,[1]提升學生科學探究意識與探究能力.通過展示讓學生知道庫侖扭秤的實驗原理.感受物理學家庫侖科學探究的思想方法;

科學態度與責任:通過將庫侖力與萬有引力的類比,使學生體會自然規律的多樣性與相似性.在教學活動組織中,通過合作學習,培養學生共同探究和團隊協作精神,引導學生在探究中遵守科學倫理,提升科學責任意識.

本節課在知識上的教學重點是庫侖定律內容,教學的難點是對點電荷概念的理解.

2 應用“激疑·對話·拓展”教學策略科學設計教學流程,結合課堂教學實際例說教學策略的實施

結合教材分析與學情分析,本節課的教學流程圖,如圖2所示.

圖2 庫侖力定律授課流程設計

2.1 規律探究階段主要有3塊組成,由觀察類比到定性分析再到定量分析

(1) 猜想影響庫侖力的因素及點電荷模型建立.

激疑:兩個帶電體之間的作用力到底和哪些因素有關?它們之間又有著怎樣的關系呢?[2]經典電磁學認為原子內電子繞核作勻速圓周運動,電子繞核運動類似與我們曾經學習過的哪個運動?

對話(師生):通過兩個運動的類比,我們猜想到影響庫侖力的因素有兩個,距離與電量.如果帶電體之間的距離比較遠,比它們自身大很多時,請同學思考一下,它們的大小和形狀及電荷的分布對所研究的相互作用力影響大嗎?此帶電體我們稱為“點電荷”,類似于力學中的“質點”模型,請同學們類比“質點”思考“點電荷”是怎樣的帶電體?[2]

圖3 庫侖力定律與萬有引力定律類比

拓展:請說給同桌聽一聽,有同學說“體積小的一定能看成點電荷,體積大的一定不能看成電點荷”,你贊同嗎?

設計意圖:通過類比思維的應用,由電子繞核運動與地球繞日運動形式的相似,引導學生猜想受力情況的相似性及所受作用力的決定因素、定性關系的相似性.在點電荷模型的建立中類比思維又一次得到拓展,促進了學生科學思維的發展.

(2) 通過將演示實驗轉化為探究實驗,讓學生親歷探究庫侖定律的影響因素過程.

激疑(設計實驗):研究一個量和多個量的關系時,我們通常采用什么方法?(控制變法).下面請同學們根據控制變量法的原理,在表1、表2中填寫與本實驗相關的物理量.

表1 保持________不變

表2 保持________不變

對話(師生):我們每組領取到“一臺電荷間作用力演示器,一根橡膠棒,一塊毛皮,一只帶絕緣柄的金屬球, 刻度尺一把”,首先請同學們結合提供的儀器(圖4),思考一下儀器設計者是如何顯現盒內小球受力大小的?假設小球所受作用力水平向右,你能否解出此力與細線偏角的關系?

圖4 探究電荷間的相互作用

圖5 受力分析

解:圖5為小球受力分析圖，小球處于平衡F=Gtanθ.

對話(師生):本實驗中距離的改變較容易,只要在滑槽內移動金屬球底座就行了,問題是電量這一塊,我們如何獲得電荷呢?(摩擦起電);如何讓小球帶電呢?(接觸起電);內小球如何讓它帶電呢?(吸引后再接觸起電);又如何改變小球的帶電荷量呢?(拆分法,摩擦橡膠棒多接觸幾次增加小球帶電量).

拓展(親歷探究):通過剛才的操作方案的設計,下面請同學們分組實驗,驗證一下我們的猜想.

實驗結論:兩電荷間的距離越大或電荷量越小,庫侖力越小.

拓展(觀察驗證)課本上也提供了一種探究方案,我們共同觀看一下實驗視頻,認真體會控制變量法及靜電實驗的操作技巧.

設計意圖:在學生猜想的基礎上,進行定性探討,促進了學生對物理規律意義的深刻理解、庫侖定律不僅是電磁學的基本定律,也是學習電磁學部分的前提.本實驗更是引入電場概念的敲門磚,所以本節課讓學生親歷探究過程并通過觀察視頻驗證,增強了對靜電知識的感知,對后繼電磁學知識的學習具有重要的意義,也是有效落實“科學探究”與“科學態度與責任”的探索.

(3) 通過文本閱讀、觀察實物演示與視頻展示,師生共溯庫侖定律探究實驗.

激疑(科學猜想):請你結合萬有引力定律大膽猜想兩帶電體之間的相互作用力即庫侖力和它們之間的距離及所帶電量間具體的定量關系,是不是這樣的定量關系呢?我們上面的實驗僅是定性的,并不能證實我們的猜想,這一科學問題的解決是由法國學者庫侖完成的.

對話(自主學習):現在讓我們回溯一下偉人的實驗歷程,庫侖在研究過程中,發現兩帶電體之間的靜電力一般不太明顯,請根據以前所學的知識“幫助”庫侖思考一下,有沒有什么方法把力的效果放大一些?請對照庫侖扭秤“掛圖(PPT)”自主閱讀課本內容,了解實驗方法、原理與操作細節,結束后請向同桌介紹一下庫侖扭秤測量的原理.

拓展(情境學習)請大家觀看實驗視頻再一次驗證自己的理解.體會庫侖扭秤實驗的技巧,即小量放大的原理及電量確定的方法.

設計意圖:通過類比推理進行庫侖定律表達式的猜想與假設,參照萬有引力表達式進行數學建模,再進行實驗驗證既是一種科學方法,更是對學生科學思維方式的培養.由于庫侖扭秤實驗不便于作演示實驗或學生實驗,但基于向學生提供真實實驗情境的思想,通過選用MOOC視頻庫中庫侖扭秤實驗錄相,為學生解決本實驗中高度不確定性問題的探索提供資源支撐.庫侖扭秤實驗對檢驗庫侖定律具有重要意義,引導學生回溯庫侖扭秤實驗,有利于促進學生樹立求真、實證、創新的科學態度.[3]

2.2 課堂中的拓展訓練,從選題到教學同樣可實施“激疑·對話·拓展”的教學策略

拓展1:請同學們體會一下微觀粒子間的萬有引力和庫侖力的異同.

例1.已知氫核的質量是1.67×10-27kg,電子的質量是9.10×10-31kg,在氫原子內它們之間的最短距離為5.3×10-11m.試比較氫原子中氫核與電子之間的庫侖力和萬有引力.(課本P8)[3]

小結:使用庫侖定律計算時要用電荷量的絕對值代入,方向由“同斥異吸”確定,研究微觀粒子間的相互作用時,可以把萬有引力忽略.

激疑:我們由萬有引力定律類比發現了庫侖定律的表達式,那你能否類比庫侖力對萬有引力作幾點猜想.庫侖力有引力與斥力,但萬有引力只有相互吸引的力,沒有相互排斥的力,有沒有萬有斥力;電荷上有負電荷,物質上有沒有負物質呢?兩力的公式上如此相似,兩類力能不能進行理論的統一呢?希望同學們多多努力,能為科學的發展作出貢獻.

設計意圖:通過對電子和質子間的靜電引力和萬有引力的深入比較,引導學生對兩力的異同進一步認識,在解題上得到準確應用,在科學興趣上得到激發.通過“反類比”引導學生發散思維與創新思維,引導學生對科學本質的探索,促進學生科學思維的發展.

拓展2:空間有多個點電荷時,怎樣求其中一個點電荷受到的力?

圖6 對第3個點電荷受力分析

例2.真空中有3個點電荷,它們固定在邊長50 cm的等邊三角形3個頂點上,每個點電荷所帶電量均為2×10-6C,求它們各自所受的庫侖力.[4]

激疑1.若q1與q2連線上有均勻分布的電荷，q3的受力方向是否改變？

激疑2.如果點電荷是受到均勻帶電球的作用,其受力方向又如何呢?此時公式中r如何確定呢?

設計意圖:深化對庫侖力的內涵外延的認識,使學生深刻理解靜電力同樣具有力的共性,遵循牛頓三定律,遵循力的平行四邊形定則.任何一個帶電體都可以看成是由許多點電荷組成的.任意兩點電荷之間的作用力都遵守庫侖定律.用矢量求和法則求合力.對復雜形狀的帶電體可利用微積分計算求出庫侖力.

結束前通過引導學生自我對話,實現對知識及方法的掌握與提煉,形成如下的認識.

本節課,在科學猜想的基礎上,采用控制變量法探討帶電體之間的靜電力與它們攜帶的電荷量及它們兩者距離之間的關系.在探究過程中,學會了點電荷的理想模型.知道兩點電荷之間的相互作用力滿足庫侖定律,深刻體會到類比思想在我們人類探索未知世界的重要作用,感受到物理世界的和諧與魁麗.

設計意圖:讓學生真正感悟、體驗到規律的來龍去脈,并讓學生帶著“問題”離開教室,有力激發學生對未知世界的興趣,投身科學研究的熱情與理想.

2.3 布置閱讀與練習,在作業的設計思路上可滲透“激疑·對話·拓展”教學策略的原則

如本節課拓展內容布置如下：

(1) 復習本節課文及閱讀科學漫步.

(2) 完成“問題與練習”,其中1、2、4做到作業本上.

(3) 登錄學校網站(http://www.txyg.com/)到學科平臺中物理組教學資源欄目,結合自己興趣閱讀下列文章.

① 廖洪忠.“萬有引力定律和庫侖定律類比研究”.物理教學，2009，36(06).17-20.

② 徐在新、錢振華 .“庫侖定律的精確度”物理教學,2010，32(4).4-6.

設計意圖:拓展是學生學習的一個關鍵環節,它反映了教育價值的導向,是教育質量提升的重要載體,本拓展遵循復習、鞏固、提升的原則,先行布置學生復習章節知識,自我內化所學內容.通過閱讀“科學漫步”擴展學生視野,開拓認知范圍.后通過“問題與練習”布置,引導學生深度學習,形成解決問題的能力,最后為便于學生在“自我對話”中促進其對問題的探索,盡力提供學生與專家對話的機會,將相關前沿論文通過學校網站呈現,努力實現“分層教學,因材施教”的教育理想.

3 優化“激疑·對話·拓展”教學策略的實施,總結凝練策略的調控措施

“激疑·對話·拓展”教學策略,旨在通過課堂實踐,努力促進學生科學思維的發展,使學生正真成為學習者,提升物理核心素養.為使教學過程最優化,使核心素養的培養更充分有力,結合上課實踐體會提出3種調控措施.

3.1 激疑中適當放慢學習過程

無論是科學思維還是創新思維的培養都需要充分思考的時間,適當放慢學習過程,才能保障學生有時去思考、去發現,去生疑,由疑生趣,使學生對問題本身產生興趣,促進學生積極主動的學習.本節課在組織學生利用“電荷間作用力演示器”半定性地探究庫侖定律的實驗中,激發出了學生許多具體疑問,如在毛皮摩擦橡膠棒讓橡膠棒帶電的實驗環節中,摩擦時間的長短、摩擦與位置選擇、長度有無要求、方向是單向還是往復、摩擦前是否需要對毛皮干燥等,放慢學習過程,才能留下發現和提問的機會,促進學生的積極思考和思維習慣的發展.

3.2 對話中適當放寬教學范圍

學生提出的問題多種多樣,設計的方案不盡相同,也是學生思維發展的充分表現,其中不泛有思維的火花與創新的起點,我們當盡力保護,做好引導與解釋,激發學生因疑生趣的思維原點.如本節課中,在理論上,萬有引力與庫侖力產生機理“相似性”的提問;實驗中,讓橡膠棒上的電荷轉移到金屬球上與兩金屬球接觸起電操作上的不同;數學應用中,采用矢量三角形與正交分解方法在解決電學中三力平衡中的優選等,都要求教學不能完全拘泥于教學要求與大綱,更不能隨口吹滅思維的火苗.當適當放寬教學范圍,不唯教材,不唯大綱,以發展學生核心核素,關鍵能力為選擇標準.

3.3 拓展中倡導深度學習的理念

思維能力是智力的核心,而思維的深刻性又是評價思維能力發展的重要指標,進行物理學科的深度學習能有效促進學生智力的發展,拓展應貫穿在教學過程的始終,進行逐層遞進的問題設計,才能有助于課堂教學目標的實現.如建立了電荷間的相互作用即庫侖定律后,規律上,它與萬有引力的不同有哪些呢?如微觀世界里,相比與庫侖力,萬有引力對電荷的運動狀態改變的影響為何可忽略不計?電荷有正負電性,物質有沒有正負物質性,你所定義的負物質與反物質、暗物質的區別是什么?應用上,如出現了第三個電荷,多個庫侖力的運算規則是什么?受三力平衡是采用矢量三角形法還是正交分解的方法呢?更多點電荷或均勻帶電體對點電荷的作用,采用對稱法、割補法還是先微元后積分的方法呢?只有通過深度學習,學生的思維能力,解決問題的能力才能得到充分發展,創新意識與能力才能得到培養與提升.

課堂時間是發展學生核心素養的最寶貴的資源.如何最大限度的用于發展學生,促進學生的核心素養的形成,是一個時代話題,也是新課程改革的一項重大任務,作為一名普通高中物理教師,將永遠走在課改的路上.