庫侖定律教學的高端備課*

孫婷婷 鄭友進 左桂鴻

(牡丹江師范學院物理與電子工程學院 黑龍江 牡丹江 157011)

庫侖定律是高中物理第九章第2節的內容,在第1節中,學生學習了電荷相關的基本知識,如電荷的概念、性質以及3種起電方式等.第2節“庫侖定律”開始探討電荷之間的作用力.這樣編排比較符合學生的認知水平.然而,在進一步研究教材第九章第2節“庫侖定律”時,筆者發現教材在這一節中存在多處邏輯缺陷.本文將指出這些問題,并進行逐一分析.此外,筆者將結合高端備課的新思路,對庫侖定律進行重新設計,以期提高庫侖定律教學效果,并為其他章節的教學帶來新思路.

目前,學術領域對于高端備課這一新領域的研究尚不成熟,然而學者們對高端備課的研究熱情卻十分高漲.物理高端備課是指以物理課程與教學理論為基礎,以科學方法為導向,從而進行既符合學生認知習慣,又符合教學基本邏輯的教學設計.結合高端備課新思路的物理教學更加重視方法的傳授,體現“從物理知識傳授到物理方法教育,再到物理思想形成”的核心理念,這更加符合新時代對人才的需求.

1 現行教材的邏輯缺陷

現行人教版高中物理教材第九章第2節“庫侖定律” 采取了問題-庫侖定律具體內容-庫侖的實驗-靜電力計算的編寫順序.首先,教材以問題作為導入,引導學生探究帶電體與小球間的作用力與距離和電荷量的關系.然后,教材中直接呈現了庫侖定律的具體內容,并引出了靜電力的概念.在學生明確庫侖定律內容后,引領他們探究庫侖實驗,綜合實驗結論,得出關系式

式中k=9.0×109N·m2/C2.最后,利用關系式

在例題中引導學生探究萬有引力和庫侖力的大小關系,得出萬有引力遠小于庫侖力,在研究微觀帶電粒子的相互作用時,可以忽略萬有引力.

筆者認為,這一節的教材編寫存在4個主要問題.

第一,在第一部分“問題” 中,教材中的表述 “帶電體C與小球間的作用力會隨距離的不同怎樣改變呢? 在同一位置增大或減小小球所帶的電荷量,作用力又會怎樣變化?” 具有引導性,默認了電荷間的作用力與距離和電荷量兩個因素有關,存在邏輯斷點.筆者認為,若想探究電荷間作用力隨距離和電荷量怎樣改變,首先要明確電荷間作用力與這兩個因素有關,至少要進行相關猜想和假設,這更加符合學生的認知發展規律.

第二,在第一部分 “問題” 之后,教材中直接呈現了庫侖定律的具體內容.然而從第一部分的實驗現象,學生僅能得出庫侖定律的初步規律,若想得到一般規律,還要學習庫侖實驗,所以,這部分的教材編排跳躍性太大,且不符合學生的認知發展規律,仿佛這一節的學習就是為了讓學生明確庫侖定律的具體內容.事實上,學生通過這一節的學習,經歷庫侖定律的得出過程更為關鍵.

第三,教材中僅呈現了庫侖定律的具體內容,卻沒有單獨強調庫侖定律的適用條件,只解釋了什么是點電荷,對于為什么適用于研究真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力卻避而不談,學生在課前預習過程中很容易忽略這部分知識,導致對庫侖定律的理解無法深入本質.

第四,教材中介紹完庫侖定律相關內容后便戛然而止,并未引導學生思考電荷間相互作用是否需要介質,為下一節 “電場 電場強度” 做鋪墊.

我們認為,庫侖定律的教學核心在于: 怎樣幫助學生理解庫侖定律的得出過程,而不是僅掌握庫侖定律的具體內容.因此,教師在講授庫侖定律時,應當遵照學生的認知發展規律,先引導學生借助實驗經歷物理概念和規律的得出過程,然后獲得一般規律,最終歸納總結為庫侖定律的具體內容,這幾步符合教學的基本邏輯,更為重要的是符合學生的認知發展規律.因此,不可顛倒也不能跳躍.

為了教學的順利進行,教師在進行教學設計時要明確教材在這一節中的上述邏輯缺陷,盡量規避這些問題.首先,教師在頭腦中要形成符合教學邏輯的教學順序,避免教學跳躍性太大,出現邏輯斷點.此外,教師還要明確教學重點,并試圖站在學生角度體會這一節中的難點知識,在保證知識點不遺漏的情況下,使教學有所側重且符合學生的認知發展規律.最后,教師要有意識地在新授課中融入已經學過的知識,達到復習的目的,還要在新授課后引導學生預習新知識,使新舊知識相鏈接.從而形成以科學方法為導向,既符合教學邏輯,又能適應學生認知發展規律的教學設計,這也是高端備課的精髓.

2 庫侖定律教學的高端備課

鑒于教材在這一節中出現的上述4個主要問題,筆者將采取符合學生認知發展規律以及物理教學基本邏輯的高端備課新嘗試,以規避這些問題,旨在物理教學過程不出現邏輯斷點,且符合學生的認知發展規律.

結合高端備課教學流程圖 (圖1)的庫侖定律新授課中,教師在確保學生能夠準確掌握新知識的前提下,應將教學重點放在物理規律的得出過程上,引導學生以科學方法為導向經歷庫侖定律的得出過程,深入本質理解庫侖定律的具體內容,并明確庫侖定律關系式的物理意義.具體教學步驟如下.

(1)首先,教師要向學生明確: 電荷間確實存在作用力,這是在回顧舊課,引導學生聯想上一節學習的“同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引”.然后,通過與萬有引力類比,讓學生猜想這種電荷間的作用力與什么因素有關.由此得到電荷間的作用力可能與電荷之間的距離以及電荷量有關.這一步正彌補了教材中出現的邏輯斷點.

(2)教師借助教材在這一節“問題” 中呈現的實驗裝置,自主創設實驗情境,引導學生探究電荷間的作用力隨電荷間的距離以及電荷量的不同怎樣改變.學生先進行猜想,然后教師借助多媒體進行實驗演示,通過實驗現象引導學生得出庫侖定律的初步規律 (電荷間的作用力與電荷量成正比,與電荷間的距離成反比).得出初步規律后,教師可以引導學生自己設計實驗裝置進行探究,從而加深學生對這部分知識的理解.

(3)引導學生探究庫侖扭秤實驗,明確實驗原理,即“兩個帶電小球間的作用力與這兩個小球中心之間的距離的平方成反比” 的得出過程.然后再借助扭秤實驗中帶電小球接觸不帶電小球后電荷量平分原理解釋電荷間的作用力與電荷量的乘積成正比.由此就得到了庫侖定律的一般規律,即 “在一定條件下,電荷間的作用力與它們的距離的二次方成反比,與它們的電荷量的乘積成正比”.

(4)利用上述一般規律,引導學生歸納總結出庫侖定律的具體內容,具體內容中不僅包括上述一般規律,還應該明確庫侖定律的適用條件并引入庫侖力的概念和方向,由此構成了庫侖定律的完整內容.針對庫侖定律適用條件,要避免解釋含糊不清,應向學生解釋清楚“適用條件是什么”和“為什么”兩個問題.

(5)同樣利用上述一般規律,引導學生類比萬有引力關系式得到庫侖定律關系式

這一步雖然簡單,但十分關鍵,能夠幫助學生理解關系式的物理意義,并建立科學的思維模式.

(6)引導學生思考萬有引力與庫侖力的大小關系,先進行猜想,再思考教材中的“例題1”,最終得出微觀粒子間的萬有引力遠小于庫侖力,更為重要的是教師要幫助學生在頭腦中建立一種概念: 在研究微觀帶電粒子的相互作用時,可以忽略萬有引力,只研究庫侖力.這一步既簡化了計算過程,又在一定程度上掃清了學生的認知障礙.

(7)在前6步中,庫侖定律相關內容已向學生介紹完畢,教師可以給學生布置一個課后作業:思考電荷之間相互作用是否需要介質? 從而為下一節 “電場 電場強度” 做鋪墊,也能督促學生做好課前預習,并且在頭腦中建立起前后知識之間的聯系.因此,這一步不可或缺,將是連接新舊知識的關鍵一步.

庫侖定律的高端備課教學步驟如圖1所示.

圖1 庫侖定律的高端備課教學步驟

至此,學生既掌握了新知識,又能準確理解新知識的得出過程及物理意義,從而做到知其然亦能知其所以然.此外,學生通過這一節課的學習,能夠輕松建立起前后知識之間的聯系.這些均得益于上述以科學方法為導向的高端備課教學.

教師教的目的是為了學生的學,且在很大程度上會影響學生的學.因此,教師教的質量至關重要,這就要求教師把握正確的教學邏輯,在教學過程中不拘泥于教材,且能夠創造性地利用教材.從而進行科學的教學設計.教師可以結合上述高端備課教學流程圖,以科學方法為導向,消除學生的錯誤前概念,并引導他們以探究的方式開展學習,從而保證學生明確所學知識的得出過程,而不局限于知識本身,這將對他們未來的學習大有裨益.

3 比較與啟示

為矯正高中物理教材的邏輯缺陷,教師可以采用高端備課新思路進行教學設計,通過這種思路進行的教學設計邏輯清晰且直接有效,更有助于教師教學,也更利于學生學習.以下是兩種教學過程的對比研究,以期為中學物理教學帶來幫助和啟示.

(1)兩種教學過程的對比分析——真探究和偽探究

在庫侖定律教學的高端備課新嘗試中,教師更加注重學生的探究過程,而不是急于給出結論,這種教學方式更有助于學生提高探究以及邏輯推理等方面的能力.在庫侖定律的高端備課教學流程圖(圖1)中,我們能夠看出,基于此流程圖展開的教學更加注重學生的學習過程,并引導學生在探究過程中掌握正確的方法.在圖1 中,我們共經歷了4步才最終推演出庫侖定律的具體內容,其中前3步均為庫侖定律的得出過程,第4步依據庫侖定律的一般規律歸納總結為庫侖定律的具體內容,可見得出結論并不是學生學習的首要目的,在學習過程中獲得能力和方法才至關重要.總之,結合高端備課新思路進行的教學能夠保證學生在學習過程中進行“真探究”,這也是探究式教學的關鍵.

然而,如果教師僅基于教材中“庫侖定律”的現有內容和邏輯開展教學,學生確實能夠學到新知識,也能依據教材中設置的 “問題”情境進行探究,但這種探究屬于偽探究.在本文的第一部分“現行教材的邏輯缺陷”中,筆者已指出教材在這一節“問題”中的表述具有引導性,這種引導屬于負向引導.這一節剛開始就帶領學生探究電荷之間的作用力隨電荷間的距離以及電荷量怎樣變化,直接默認了電荷間的作用力與這兩個因素有關.因此,這種探究屬于偽探究,看似合理,但究其本質,學生的探究過程實際上并不完整且缺乏合理性.

總之,中學物理教師在教學過程中要避免“偽探究”,這就需要教師在教學前進行高端備課,確認教材中的探究過程是否完整,是否合理.若不完整,則要在教學設計中補全探究過程.若不合理,則要對探究過程進行矯正.其中,探究過程是否合理側重于探討的是教學邏輯問題.

(2)兩種教學過程的對比分析——理清教學邏輯,順應認知發展

從微觀角度看,教學過程合理意味著某一部分的教學過程邏輯性強,契合學生的認知水平.從宏觀角度看,教學過程合理則意味著整體教學邏輯強,教師在進行教學設計時,不僅理清了整體教學邏輯思路,還順應了學生的認知發展規律.結合高端備課新思路進行的教學設計就能夠在保證教學邏輯合理的同時,滿足學生的認知需求,順應學生的認知發展.

在“庫侖定律”這一節中,教材中的編排順序是: 問題-庫侖定律具體內容-庫侖的實驗-靜電力計算,依據教材,學生先學習庫侖定律具體內容,然后學習庫侖的扭秤實驗,但這樣編排并不符合學生的認知發展規律.學生的認知發展具有順序性,簡言之,學生需要先學習簡單的東西,這樣才更容易理解后續相對復雜的知識.因此,學生需要先探究庫侖實驗,明確電荷間作用力的一般規律,這樣才能歸納總結出庫侖定律的具體內容.如果按照教材中的順序開展教學,將會為學生設置認知障礙,那么即使在后續的學習過程中消除了這種認知障礙,這種違背學生認知發展規律的教學也很難達到最佳的教學效果.以此為鑒,結合高端備課思路進行的教學設計將擺脫教材中的原有邏輯編排,采用上述高端備課教學流程圖(圖1)中的教學順序,以期達到最好的教學效果.

中學物理教師在教學過程中要做到不拘泥于教材,且能創造性地應用教材.教材僅是教學的輔助材料,若僅依靠教材開展教學,將很難達到預期教學效果.因此,為了達到最好的教學效果,教師在備課時,要注意理清教學邏輯,順應學生的認知發展.

(3)兩種教學過程的對比分析——承前啟后,聯系知識

教材在“庫侖定律”這一節中并沒有很好地“承上”和“啟下”,因此新舊知識之間的聯系并不明顯.教學中若想做好這方面的工作,充分顯現新舊知識間的聯系， 教師可以在備課時設置一個課前小問題,保證教師在新授課前， 將上一節內容融合進來， 達到復習和聯系新舊知識的目的.此外， 教師可以在備課時設置課后作業， 引導學生在新授課后思考下一節的知識及新舊知識間的聯系， 達到預習和聯系新舊知識的目的.

例如，圖1所示的庫侖定律教學流程圖中,筆者就采取了這種方法,在新授課后,引導學生在課下思考，“電荷之間相互作用是否需要介質? ”從而達到啟下的目的.

中學物理教師在教學過程中首先要有承前啟后的意識， 然后采取適當的辦法將新舊知識聯系起來， 從而提高中學物理課堂的教學質量和效率.