以方法為主線開展教學設計培養核心素養——以“庫侖定律”教學為例

徐海菊

（江蘇省南通中學，江蘇 南通 226001）

普通高中物理新課程標準（2017年版）提出要培養學生的核心素養，要求“高中物理課程注重體現物理學科的本質，從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等方面提煉學科育人價值，充分體現物理學科對提高學生核心素養的獨特作用，為學生終身發展、應對現代和未來社會發展的挑戰打下基礎.”［1］學生要掌握物理的本質、要通過物理課程的學習為終身發展、應對現代和未來社會發展的挑戰打下基礎，學生必須能夠牢固掌握物理知識與方法，能夠熟練運用方法，將物理研究的方法、思想遷移到新領域的研究中.物理方法的掌握涉及物理知識、物理實驗、知識運用等諸多方面，教學中通過凸顯方法的教育可以促進知識教學更高效、實驗效果的提升，以及知識的靈活運用，從而提升課堂教學有效性.課堂有效學生才會覺得有興趣、有信心，才愿意學，才主動學.有了學習的主動性，才會有知識的構建過程，才能保證學生真正掌握知識、習得方法，實現學科核心素養的提升.以“庫侖定律”教學為例，可從以下幾個方面凸顯方法的教育，以顯化方法教育為主線進行教學.

1 基于學生已掌握方法導入新課

學生學習新內容之前掌握了一些物理知識、方法，這是學生學習的起點.教師必須要以此為基礎開展教學，這樣教學才有針對性，也才有滿足學生的學習需求.基于學生基礎的教學設計，才能貼近學生的“最近發展區”，學生素養才能得到更好的提升.

學習“庫侖定律”之前學生已經掌握了定性探究的基本方法，也在初中和高一必修1、必修2的學習中掌握了控制變量法，教學設計應基于定性探究的實驗和控制變量法導入新課，實驗裝置如圖1所示，得到二者相互作用力與電荷量的定性關系.然后引導學生思考：哪些因素影響電荷間的相互作用？這些因素對作用力的大小有什么影響？

圖1

2 基于類比法的猜想

在科學探究中猜想是一種常用的、重要科學方法，正確的猜想可以避免探究過程走彎路，提升探究效果.“猜想從學生所熟悉的知識或事實出發，有利于降低問題難度，具有較好的可接受性.”［2］正確的猜想可以憑直覺思維基于實驗、學生已有的知識、學生已有的生活經驗等.

在進行電荷間相互作用力的定性探究得出：距離越大作用力越小，電荷量越大作用力越大的結論后，憑直覺思維容易將電荷之間的相互作用力與必修2中學習的萬有萬有引力建立聯系，猜想電荷之間的相互作用力是否與萬有引力相似？會不會電荷間的作用力與電荷量的乘積成正比，與二者距離的平方成反比呢？通過類比萬有引力，猜想電荷間相互作用力的表達式，為后續定律的得出和庫侖的定量研究實驗奠定基礎.

3 基于構建已知模型的方法構建新模型

2017年新修訂的普通高中物理課程變標準要求從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等四個維度培養學生的物理學科核心素養，以期為學生長遠發展夯實基礎.其中“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.［1］模型的構建是學習的難點，也是重點.只有順利構建模型，學生才能弄懂、弄通物理知識的邏輯聯系，才能靈活運用物理知識.在教學中，應該重視讓學生基于已有模型，尤其是基于構建已有模型的方法構建新的模型，這有利于拉近學習內容和學生之間的距離，讓學生感到親切而更愿意學習，激發學生更動力學習新內容，學習會更有主動性而高效.

在“庫侖定律”的教學中，需要構建點電荷這一物理模型.由于點電荷與學生熟悉的質點在引入的目的、采用的科學方法、使用條件等方面都高度相似，教學中可以通過復習質點、類比質點來構建點電荷這一理性化模型，從而降低學生的學習難度.

4 基于庫侖扭秤實驗的巧妙方法

物理教學必須以實驗為基礎，實驗能為學生學習提供符合認知規律的環境；實驗能培養學生的興趣，激發學生的求知愿望；實驗是發展學生能力和使學生得到科學方法訓練的重要途徑；實驗有利于培養學生良好的道德素養和科學作風.［3］實驗往往蘊含豐富的科學思想和科學方法.通過實驗學生不僅可以更容易獲取、理解知識，更能領悟物理思想，習得物理方法，并在提升科學素養.物理教學中應重視挖掘實驗的教育、教學功能，尤其是凸顯實驗中的科學方法教育.

庫侖扭秤實驗是第一個定量研究電學規律的實驗，電學研究由此從定性進入定量.庫侖定律實驗遇到的3大困難：如何克服沒有專門工具測量微弱靜電力，沒有電荷量單位和不清楚帶電體上電荷量分布，難以確定電荷間距離.為了解決這3大困難，庫侖設計了蘊含豐富科學研究方法的扭秤實驗.

4.1 控制變量法

定量研究電荷間的作用力與電荷量、距離等關系時，采用控制變量法.先讓定球和動球所帶電荷量不變，改變距離，得到兩球作用力與二者距離間的關系；在讓定球、動球距離不變，改變電荷量，得到二者相互作用力與電荷量的關系；最后，綜合上述得到的結論，得出定量研究結果.

4.2 轉化法

根據扭力定律，扭轉力矩與懸絲的扭轉角度成正比，與懸絲的直徑的4次方成正比，與懸絲的長度成反比，將微小靜電力的測量測量轉化為對扭轉角度的測量，通過懸絲扭轉角度的大小來判斷扭力的大小.

4.3 均分電荷量法

4.4 放大法

為了解決測量靜電力的微弱作用，利用杠桿原理（省力杠桿），較小的力通過較長的力臂產生較大的力矩，放大作用效果.

5 基于理想模型法的科學研究

5.1 借助課本例題感悟理想模型法

理想模型是物理經常采用的一種科學研究方法，其體現了抓住主要因素，忽略對研究對象、研究結果影響較小的次要因素的忽略的研究思想.“庫侖定律”一節的教學中，點電荷模型的建構及適用條件凸顯了科學研究中抓住主要因素忽略次要因素的研究方法.

5.2 向外延展發展學生科學思維素養

學習的過程是螺旋式上升的過程，如何讓學生利用已經掌握的知識、已經學會的通識方法去分析、解決新問題是發展學生物理學科核心素養的踏腳點.只有這樣學生才算是真正掌握了物理學科本質，才能夠實現知識的遷移，對所學物理知識融會貫通，促進素養發展.

例如，在學生已經掌握了點電荷間的庫倫定律后，可以引導學生研究3個點電荷情境下的庫侖力問題，將前面力學中學到的矢量合成法則遷移過來，為進一步思維的延展打下基礎.

延展點1：均勻帶電圓環（帶電荷量q1）與點電荷（帶電荷量q2）之間的電場力，情境的設置先將q2放置在均勻圓環的圓心（滲透微元的思想），然后再搬到軸線上的一般位置（如圖2所示）.

圖2

延展點2：在延展點1的基礎上，引導學生研究如圖3所示的均勻帶電圓盤與點電荷之間的電場力（將圓盤等效為一系列同心圓環組成研究，引入電荷面密度取電荷元研究）.

圖3

延展點3：在延展點2的基礎上，引導學生研究如圖4所示的均勻帶電球體與點電荷之間的電場力（將均勻帶電球等效為一系列同軸的圓盤組成研究，引入電荷體密度取電荷元研究）.

圖4