基于直觀性原則和學生思維發展需求的教學再設計

摘?要：庫侖定律是高中物理教學中的一個重點，是電磁學的基本定律之一，本節課中不僅有重要的物理知識，同時還蘊含著重要的科學思維和方法。但是，在應試教育和素質教育的尖銳矛盾沖突之下，很多教師在教學中忽視了科學思維的教育，對于知識的教學也存在“刻板性”，缺乏正確的邏輯性?；诖耍P者試圖將直觀性教學原則和學生思維發展需求相結合介入教學設計之中，對庫侖定律教學進行再設計，使得整個教學設計更加完整，促進學生物理核心素養全面發展。

關鍵詞：庫侖定律；直觀性；思想性；教學設計

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中對庫侖定律的要求是知道兩個點電荷間的相互作用規律，體會探究庫侖定律過程中的科學思想和方法，體會庫侖扭秤實驗設計的巧妙之處［1］。由此可以看出，充分挖掘本節課的科學思維和方法促進學生思維的發展是教學過程中不可或缺的重點。

1?教學原則的概述和分析

1.1?直觀性原則的概述

夸美紐斯最早將直觀性教學以教學理論的形式進行闡述。在其著作《大教學論中》將直觀性原則作為了其教學原則之首［2］。直觀性原則是一種建立在認知和感受直觀基礎上的教學原則［3］。直觀性教學原則認為教學中要通過教師的引導，為學生創設直觀性的學習情境，讓學生在具體的情境中觀察所學事物，使他們能夠正確地構建和理解知識，發展認知能力。

1.2?直觀性原則與物理教學的分析

庫侖定律是一個從定性研究到定量驗證而構建起的電磁學基本定律。因此，對于整個探究過程的體會和感悟也便成為教學過程中不可或缺的一部分，它是學生深入理解和掌握庫侖定律的基礎，也是培養學生科學思維和科學方法的來源和前提。

在傳統的《庫侖定律》教學設計中，教師在教學過程中對于庫侖定律的構建主要分為以下幾種方法：

（1）通過講授法從定性的角度對庫侖定律進行理論的分析和闡述得到庫侖定律。

（2）通過一定的數學推理分析，從而建立起庫侖定律。

（3）進行演示實驗讓學生從定性的角度進行體會，隨后播放庫侖扭秤實驗，從而建立庫侖定律。

（4）通過定性演示和定量驗證得出定律。毫無疑問地可以知道第（4）種一定是最好的且最符合科學性的教學方法，但是由于庫侖扭秤實驗對實驗環境要求高，或者有儀器也受限于實驗條件和時間，教師們不太選擇這種方式進行教學。隨著信息技術不斷發展，虛擬仿真實驗以其成本低廉、開放性高等優勢為物理教學提供了更多的可能性，筆者采用了NB虛擬仿真軟件對庫侖扭秤實驗進行補充，從而使整個教學過程更加科學和完整。

2?學生思維發展需求

課程標準對《庫侖定律》的要求也表明教師應該使學生在探究過程中體會其中的科學思維和方法。在教學過程中教師往往只關注對庫侖定律公式的記憶和使用，沒有關注探究過程中存在的科學思維教育資源，這樣的教學不利于學生物理核心素養的發展，這就更加需要教師充分發掘教學過程中的思維教育資源，抓住學生的思維發展關鍵期，促進學生科學思維和方法的培養和學習，促進學生全面發展。因此，筆者基于充分研究學生的思維發展需求，對《庫侖定律》教學進行再設計，結合直觀性的教學原則使得整個教學設計更加完整和符合學生實際需求。

3?《庫侖定律》教學再設計

針對傳統教學設計中存在的片面性問題，本文以直觀性教學原則為基礎，同時結合學生的思維發展實際需要，從定性到定量，從知識到思維，從部分到整體對《庫侖定律》教學進行再設計，完善探究過程，構建系統認知，促進學生全面發展，為學生掌握和理解庫侖定律，發展思維能力搭建經驗橋梁。主要的教學設計流程如圖1所示：

3.1?從定性到定量，完善探究過程

在本教材的開篇用兩個電性相同的電荷相互作用通過觀察懸掛小球的擺角大小，從而定性地去研究電荷間的相互作用規律，由此引出課題。這樣的研究存在一定的片面性，電荷的相互作用既有同種電荷的排斥，也有異種電荷的吸引，只根據同種電性情況的研究所得到的結論不具有完整性，也會造成今后學生思維的局限性和片面性，所以在本文的教學再設計中，借助NB輔助實驗探究，從兩個維度進行電荷相互作用的定性探究。探究過程如圖2所示：

如圖2的實驗結果可以引導學生得出當帶電小球所帶電荷量保持不變時，改變兩個帶電小球之間的距離帶電小球之間的相互作用規律。從圖2可知，無論是正電荷還是負電荷，隨著懸掛小球的距離的逐漸變遠，懸掛小球的擺角逐漸減小（靜電力變?。Ｋ钥梢砸龑W生得到靜電力與距離的定性結果：

F∝1/r

保持懸掛帶電球的懸掛位置以及帶電球的位置均不變，此時改變電荷量，研究不同電荷量對于同一位置帶電小球的靜電力的定性關系，如圖3所示。

根據圖3的實驗結果可以引導學生得出當帶電小球與懸掛的帶電小球之間的距離保持不變時，改變小球所帶電荷量與帶電小球之間的相互作用規律。從圖3可知，當小球所帶電量增大時，懸掛小球的擺角變大（靜電力增大）；當小球所帶電荷量減小時，懸掛小球的擺角減小（靜電力變小）。所以可以引導學生得到靜電力與小球帶電量的定性結果：

F∝q

在初步得出靜電力與電荷量和距離的定性關系時，此時補充異號電荷的靜電力實驗情況，如圖4所示：

通過實驗的補充可以引導學生基于實驗探究結果得出完整的帶電電荷之間的相互作用的定性規律：靜電力隨距離的增大而減小，隨電荷量的增大而增大，即靜電力與電荷間的距離以及電荷量有關。此時引導學生在已有的認知結構中去尋找類似的研究結論，類比推理的思路如圖5所示：

基于這個類比的思路，引導學生與萬有引力進行類比，通過猜想初步構建起庫侖定律的定量表達式：

F=kq1q2r2（1）

其中k為比例系數，在得出猜想之后，教師要引導學生對猜想進行驗證，隨后順理成章地引出庫侖扭秤實驗。本文基于NB虛擬仿真軟件對庫倫扭秤實驗進行虛擬仿真如圖6所示：

通過庫侖扭秤實驗可以驗證得出對于同種電荷的相互作用滿足式（1），因此猜想得以驗證，引導學生初步構建起庫侖定律：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，與它們距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上［5］。

3.2?從知識到思維，促進全面發展

本節實驗探究過程中蘊含著大量的科學思維和方法，這些都是培養和訓練學生思維，促進學生能力發展的重要資源。在本節課中主要的科學思維和方法體現在類比法、理想模型法、放大法。

3.2.1?類比法

類比是根據兩個對象某些屬性的相同，推出它們的其他屬性也可能相同的間接推理［67］。對于本節課來說，在萬有引力定律和庫侖定律對比分析中可以得到，萬有引力定律研究的是天體之間的引力大小，庫侖定律研究的是電荷之間的靜電力大小；萬有引力定律將天體理想化為質點，庫侖定律將電荷理想化為點電荷；萬有引力定律研究的相互作用力為萬有引力，庫侖定律研究的相互作用力為靜電力?；谶@些類比可以得出與萬有引力定律相似的表達式，即初步得到庫侖定律表達式的猜想。

3.2.2?理想模型

理想模型就是為了便于抓住本質、解決問題，而對事物取其枝干、去其蔓葉后建立的抽象模型［8］。在庫侖定律的教學過程中，我們運用類比的思想，基于對質點的認識和了解，我們將帶電的小球理想化為點電荷去研究兩個點電荷之間的相互作用，從而忽略帶電小球的形狀和大小對本次問題研究所帶來的干擾。

3.2.3?放大法

當我們要測量或者觀察某些微小物理量和微小物理實驗現象時，直接測量和觀察往往會存在較大的困難。主要的放大法有累積放大、轉動放大平動、廣義杠桿放大、廣義放大、懸絲放大以及綜合放大［9］。在庫侖定律教學中，兩個點電荷間的相互作用力是非常小的，直接測量十分困難，因此庫侖通過細長的銀絲將庫侖力轉化為懸絲扭轉角度來表示，從而間接地放大了庫侖力，使測量庫侖力成為可能，從而構建起庫侖定律。

3.3?從部分到整體，構建系統認知

僅僅依靠庫侖扭秤實驗，是沒有辦法建立庫侖定律的。細心的學生會發現，對于庫侖扭秤實驗來說它僅僅只是研究了同種電荷間的相互作用規律，那么異種電荷之間的相互作用的定量關系是否還滿足（1）式便不得而知，庫侖扭秤實驗是沒有辦法探究異種電荷之間的相互作用的，因此具有一定的局限性。當時，為了研究異號電荷之間的相互作用規律，庫侖類比了單擺實驗進行了電擺實驗，從而探究出異號電荷依然具有和同號電荷之間的相互作用規律［4］，至此庫侖定律才得以完全建立。

3.4?啟示與思考

從定性到定量，從知識到思維，從部分到整體的教學再設計，邏輯清晰自然，環環相扣，不僅為學生的學習提供了大量的直觀性經驗，同時也符合學生的思維實際發展情況，學生基于這樣直觀性經驗能夠很好地從庫侖定律的定性分析過渡到定量驗證，降低學生的思維負擔，從而深入理解和體會庫侖定律的內涵本質。目前，很多教學中都容易缺失實驗（科學探究）和科學思維的教學，由于受應試教育的影響，教師將精力放到了如何解題和考試上，忽略了對學生科學探究能力和科學思維的培養，這樣的教學值得我們反思和自省。如何在教學中顯化科學思維和方法的教學，如何在應試教育背景下重視實驗教學是亟待解決的問題，只有問題得以解決，才能跟隨新課改的要求，切實培養和提升學生的物理核心素養，促進物理教學效率的提升，使得學生更全面、和諧的發展。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：（2017版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2018.

［2］姜子婕.直觀性教學原則在高中物理教學中的應用研究［D］.天津師范大學，2013.

［3］劉徐湘，胡弼成.從感知到理智：現代直觀性教學原則的意義擴展［J］.教育學報，2012（2）：6671.

［4］王慧，邢紅軍，陳清梅.庫侖定律教學的高端備課［J］.物理通報，2014，000（005）：4952.

［5］人民教育出版社，課程教材研究所.物理必修第三冊.北京：人民教育出版社，2019.

［6］李春生.物理類比方法淺談［J］.現代物理知識，2003，015（001）：911.

［7］張海峰.物理學習中類比方法應用及心理分析［J］.內蒙古師范大學學報（教育科學版），1999（4）：131134.

［8］高惠龍.物理中的理想模型［J］.物理教學，1985（3）：1011.

［9］李宏遠.淺談物理實驗中的放大法［J］.物理教師，1993，000（010）：2022.

作者簡介：祝天怡（1997—?），女，彝族，云南普洱人，在讀研究生，研究方向：學科教學（物理）。