注重科學探究 發展核心素養
——對“庫侖定律”教學的思考

范 兵

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

黃幸福

(武漢市江夏區金口中學 湖北 武漢 430208)

熊建文

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂》(以下簡稱《課程標準》)明確提出要發展學生的核心素養,引導學生經歷科學探究過程,體會科學研究方法,養成科學思維習慣,增強創新意識和實踐能力[1].在新課程改革的背景下,物理教師應該通過不同方式引導學生進行自主學習、主動探究;然而在日常教學中,受多種因素制約,教師依然難以貫徹《課程標準》所提出的教學理念,往往只重視物理知識的講授,容易忽視科學探究的重要性.因此,本文以高中物理必修三第九章第2節“庫侖定律”的教學實踐為例[2],分析如何通過科學探究來實現培養和發展學生物理核心素養的目的.

1 “庫侖定律”的教材分析

“庫侖定律”是靜電學核心內容之一,本小節的重點就是引導學生體會探究庫侖定律過程中的科學思想和方法,而實驗就是實現科學探究的重要載體.教材中對實驗的描述,是通過一幅示意圖(圖1)說明的,即包含了在電荷量一定時,電荷間的作用力跟電荷間的距離有關的信息.但是用目前普通中學物理實驗室的設備(圖2)很難觀察到課本示意圖描述的現象,主要原因是:由于空氣中存在帶電微粒,帶電體(即圖1中的球C)所帶的電荷量會迅速減少,要讓全班學生清楚地觀察到懸掛的小球在3個不同距離時小球偏移角度的大小很困難,即難以保證在較長時間內帶電體與懸掛小球所帶電荷量保持不變.其次,懸掛的帶電小球的受力大小是從偏移角度看出來的,兩球的間距難以固定,因為偏移角度改變的時候,由于靜電力的影響,懸掛的小球與帶電體間的距離也會隨著改變.在課前實驗準備時,發現實驗可見度不高,如果教師演示并講授,學生參與的機會少,教學效果可能會大打折扣.

圖1 教材中演示實驗示意圖

圖2 電荷間的作用力演示器

2 “庫侖定律”的教學重構

為了實現更好的教學效果,將該演示實驗改為學生探究實驗.由于實驗室可用于懸掛的帶電小球質量較大,受力相同的情況下偏移角度小,可見度低.經過不斷嘗試用自制的鋁箔小筒代替小球效果較好,將干凈的鋁箔(中學化學實驗室均有配備)剪成約3.0 cm×3.0 cm小塊,然后卷成直徑約0.80 cm的圓柱狀小筒用細線懸掛起來,因為小筒質量小,受力相同的情況下偏移角度大,在實驗中效果更明顯.由于實驗室中固定的帶電體是為演示實驗準備的,數量不夠學生分組實驗的要求,嘗試用帶絕緣柄的其他器材代替,發現演示靜電感應的枕形導體組拆開后可以代替帶電體,如圖3所示,拿出幾臺枕形導體讓學生共用,這樣器材問題便得到解決.在解決實驗器材短缺的基礎上,遵循物理教學過程的規律,運用系統的觀點和方法,為實現既定的教學目標,對教學活動進行的規劃、安排與決策[3],設計出了本節內容的教學流程圖,如圖4所示.

圖3 枕形導體

圖4 “庫侖定律”的教學流程圖

2.1 提出問題 引發思考

師:在上節課中同學們學習了“電荷”,知道電荷間存在相互作用力,那么請同學們猜測一下這種力的大小跟哪些因素有關呢?

生:與電荷量的多少有關……

師:當我們提到電荷間的相互作用力,往往會聯想到兩個物體之間的作用力,那么我們之前學過什么定律是關于兩物體間相互作用力大小的呢?

生:萬有引力定律.

師:很好!請大家回憶質點間的萬有引力大小與哪些因素有關?

生:物體的質量、物體的間距.

師:好的,那我們今天所研究的電荷間的作用力可能與哪些因素有關呢?(在教學實踐中發現大多學生都能夠作出正確的猜想)請同學們根據手中的實驗器材和課本設計的實驗方案,進行定性實驗證實猜想.

設計意圖:因為在上一節“電荷”的教學中,學生已經知道電荷間的相互作用力表現為引力或斥力,加之課本示意圖的提示作用,學生很容易想到用于懸掛的小球跟固定小球(即帶電體)帶同種電荷,通過觀察細線偏移角度大小,可以間接說明小球受力大小.

2.2 設計方案 驗證猜想

為探究電荷間相互作用力的大小與電荷量和間距之間存在怎樣的關系,通過控制變量法,設計了兩組探究實驗.

實驗1:保持帶電體和鋁箔小筒的帶電荷量不變,探究電荷間的作用力與距離之間的關系.

實驗2:保持帶電體與鋁箔小筒的距離不變,探究電荷間的作用力與鋁箔小筒的帶電荷量之間的關系.

將學生分為8個小組(4人/組),讓他們以小組為單位進行實驗探究,并讓他們將實驗探究的觀察結果記錄在學生自行設計的表格中,如表1所示.

表1 實驗探究結果記錄表

學生在分組實驗時,很容易直接觀察到電荷量一定時,距離越大,電荷間的作用力越小.在移動桌面的帶電體使之盡可能接近懸掛小筒時,還能夠清楚觀察到細線偏移角度變大,從而說明間距變小,電荷間的作用力變大.實驗中還觀察到學生創造性地用羊毛衫摩擦塑料尺作為起電器(可節省組內學生同時使用器材需要等待的時間),然后接觸懸掛的鋁箔小筒,也可以清楚觀察到小球之間的斥力大小跟它們的間距有關.

在進一步探究電荷間的作用力大小跟電荷量關系時,絕大多數小組幾乎無需教師提示,自然而然地會拿另一個相同的不帶電小筒接觸一下懸掛的帶電小筒,分走懸掛小球的部分電荷量(在上節課的教學中已經提到過相同帶電體接觸時電荷量的分配),可以明顯看出偏移角度減小,從而分析出電荷間的作用力跟電荷量的關系.

設計意圖：實驗探究是人們探索自然規律、獲取科學知識的重要手段,是綜合的、關鍵的科學能力和素養的體現[4].通過定性的探究實驗為學生提供了科學探究的機會,培養學生收集、處理信息的能力和基于證據形成猜想的能力,同時為教師進一步講授庫侖定律的定量描述做好鋪墊.

2.3 類比推導 定量描述

學生通過實驗探究驗證了自己的猜想是正確的,并且得出結論——電荷間的作用力隨距離增大而減小,隨電荷量的增大而增大.教師進一步明確電荷間的作用力就是庫侖力(或靜電力).學生思維已異常活躍,此時提示學生:剛才的探究只是電荷間受力的定性認識,要探究庫侖力大小的定量關系,還需要精密的實驗探究.這時介紹庫侖扭秤的結構原理及物理學史,得出:當電荷量不變時,庫侖力F與距離r的二次方成反比;當電荷間的距離不變時,庫侖力F與電荷量的乘積成正比的結論.然后將庫侖力與萬有引力進行類比,類比過程如圖5所示,引導學生歸納出庫侖定律的公式;最后對庫侖定律的內容、表達式和適用條件進行詳細解釋.

圖5 庫侖力與萬有引力的類比流程圖

設計意圖:通過介紹庫侖扭秤的實驗原理和歷史趣事來引發學生的學習興趣,讓學生感受物理學思想方法的美妙,樹立創新意識,受到科學態度的熏陶[4].同時通過庫侖力和萬有引力的類比教學,不僅培養學生數理結合、分析推理的思維能力,還能將科學方法滲透到教學中,讓學生體會科學的奇妙.

2.4 實踐應用 能力提升

習題是鞏固學生知識、培養學生問題解決能力的重要載體,在講述完庫侖定律后,精選例題來進行教學活動.

【例題】一個靜止的電荷量為e的質子位于圓心,一個帶電為-e的電子以速度v和軌道半徑r圍繞著質子做勻速圓周運動,其中質子和電子的大小可以忽略不計.設質子的質量為M,電子的質量為m,靜電力常量為k,引力常量為G,各物理量的數值如表2所示.

表2 各物理量的數值

請你比較一下作用于氫原子中電子和質子之間的萬有引力和靜電力的大小,可以看出萬有引力大約是靜電力的( )倍.

A.10-10B.10-20C.10-30

D.10-40E.10-50F.10-60

設計意圖:習題的教學活動利于學生進一步認識到在研究微觀粒子運動時,由于萬有引力遠小于庫侖力,電子在運動時可以忽略萬有引力的影響;同時鞏固學生所學的知識,掌握庫侖定律的應用.

3 教學啟示

讓學生經歷科學探究過程,學習物理學的研究方法,注重科學探究能力的培養,關注學生關鍵能力在實驗和實踐層面的發展,這是發展學生物理核心素養的重要手段[5].通過“庫侖定律”的教學實踐,發現有以下幾點是值得注意和思考的.

3.1 重實驗 經歷科學探究

讓學生經歷科學探究的過程,使之掌握科學研究的方法比直接教給學生知識更重要.在本節課教學過程中,學生進行探究實驗花費了較多時間,在進行例題教學時,時間顯得比較倉促.但通過課后作業反饋發現,學生對庫侖定律的知識掌握情況良好,這說明通過科學探究能夠激發學生對物理的學習興趣,引發他們對物理問題的討論熱情,激發學生自主學習的潛力.

3.2 重行動 克服實驗困難

由于普通高中存在教學器材配備不足、使用不便等諸多問題,導致探究性實驗難以開展,但只要積極想辦法,總可以找到能夠說明物理原理的實驗方法和器材.同時作為物理教師,課前的實驗準備和投入是上好一堂課的關鍵.為了把庫侖定律的演示實驗改為學生探究實驗,在器材的準備過程中遇到一些困難:如嘗試過在泡沫球外包裹一層錫箔做懸掛小球,由于難以把小球做成相同的大小,最后還是選定用鋁箔,將鋁箔做成幾十個大小基本相同的小筒,既滿足作為懸掛小球使用,也方便作為改變小球電荷量的移電工具.

在以往“庫侖定律”的教學過程中,有教師是通過庫侖扭秤實驗的介紹來講授庫侖定律,學生基本上是被動接受知識的.但通過科學探究,學生體驗到探究過程的樂趣,當教師再講授精密的庫侖扭秤定量實驗時,學生注意力很集中,很樂意并容易接受知識;同時也能讓學生體會到科學研究往往需要在定性探究的基礎上,進行反復嚴密的定量實驗而獲得嚴謹的科學知識,從而激發學生將來積極投身科學研究的熱情,這有利于培養學生的科學態度與責任.

3.3 重育人 培養核心素養

課堂教學既要傳授物理學的知識和原理,更要培養學生形成良好的思維習慣,并使之了解科學家們探索物理規律的艱辛歷程.物理學雖是一門以實驗為基礎的科學,但是并不是所有規律都要求學生探究解決,學生的探究活動是學習物理學的重要方法.在學生取得初步探究結論后,教師應該引導學生了解物理理論(或規律)的發展歷程和科學家們研究該問題的思想和方法.準確的物理概念的講授和嚴密的科學推理的教學過程仍是物理課堂教學的重要手段,但如果能創造條件讓學生參與科學探究,則既可以讓學生獲取豐富的感性認識,又可以充分調動他們的學習積極性,便能夠達到事半功倍的教學效果.

總之,在日常的物理教學中,要落實《課程標準》提出的教學目標,全面提高學生的核心素養,就要盡量想辦法吸引學生主動參與到科學探究中,讓他們親歷物理規律的發現過程,獲得創造性的情感體驗,增進對物理概念和物理研究過程的理解,這樣也有利于學生形成發現問題、提出問題和解決問題的意識,發展學生的創造力和想象力.