摘?要：庫侖定律是高中物理教學(xué)中的一個(gè)重點(diǎn)，是電磁學(xué)的基本定律之一，本節(jié)課中不僅有重要的物理知識(shí)，同時(shí)還蘊(yùn)含著重要的科學(xué)思維和方法。但是，在應(yīng)試教育和素質(zhì)教育的尖銳矛盾沖突之下，很多教師在教學(xué)中忽視了科學(xué)思維的教育，對于知識(shí)的教學(xué)也存在“刻板性”，缺乏正確的邏輯性?；诖?，筆者試圖將直觀性教學(xué)原則和學(xué)生思維發(fā)展需求相結(jié)合介入教學(xué)設(shè)計(jì)之中，對庫侖定律教學(xué)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，使得整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)更加完整，促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)全面發(fā)展。

關(guān)鍵詞：庫侖定律；直觀性；思想性；教學(xué)設(shè)計(jì)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中對庫侖定律的要求是知道兩個(gè)點(diǎn)電荷間的相互作用規(guī)律，體會(huì)探究庫侖定律過程中的科學(xué)思想和方法，體會(huì)庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的巧妙之處［1］。由此可以看出，充分挖掘本節(jié)課的科學(xué)思維和方法促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展是教學(xué)過程中不可或缺的重點(diǎn)。

1?教學(xué)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(xué)以教學(xué)理論的形式進(jìn)行闡述。在其著作《大教學(xué)論中》將直觀性原則作為了其教學(xué)原則之首［2］。直觀性原則是一種建立在認(rèn)知和感受直觀基礎(chǔ)上的教學(xué)原則［3］。直觀性教學(xué)原則認(rèn)為教學(xué)中要通過教師的引導(dǎo)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)直觀性的學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生在具體的情境中觀察所學(xué)事物，使他們能夠正確地構(gòu)建和理解知識(shí)，發(fā)展認(rèn)知能力。

1.2?直觀性原則與物理教學(xué)的分析

庫侖定律是一個(gè)從定性研究到定量驗(yàn)證而構(gòu)建起的電磁學(xué)基本定律。因此，對于整個(gè)探究過程的體會(huì)和感悟也便成為教學(xué)過程中不可或缺的一部分，它是學(xué)生深入理解和掌握庫侖定律的基礎(chǔ)，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)方法的來源和前提。

在傳統(tǒng)的《庫侖定律》教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師在教學(xué)過程中對于庫侖定律的構(gòu)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(jìn)行理論的分析和闡述得到庫侖定律。

（2）通過一定的數(shù)學(xué)推理分析，從而建立起庫侖定律。

（3）進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生從定性的角度進(jìn)行體會(huì)，隨后播放庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)，從而建立庫侖定律。

（4）通過定性演示和定量驗(yàn)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(xué)性的教學(xué)方法，但是由于庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求高，或者有儀器也受限于實(shí)驗(yàn)條件和時(shí)間，教師們不太選擇這種方式進(jìn)行教學(xué)。隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以其成本低廉、開放性高等優(yōu)勢為物理教學(xué)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充，從而使整個(gè)教學(xué)過程更加科學(xué)和完整。

2?學(xué)生思維發(fā)展需求

課程標(biāo)準(zhǔn)對《庫侖定律》的要求也表明教師應(yīng)該使學(xué)生在探究過程中體會(huì)其中的科學(xué)思維和方法。在教學(xué)過程中教師往往只關(guān)注對庫侖定律公式的記憶和使用，沒有關(guān)注探究過程中存在的科學(xué)思維教育資源，這樣的教學(xué)不利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展，這就更加需要教師充分發(fā)掘教學(xué)過程中的思維教育資源，抓住學(xué)生的思維發(fā)展關(guān)鍵期，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維和方法的培養(yǎng)和學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。因此，筆者基于充分研究學(xué)生的思維發(fā)展需求，對《庫侖定律》教學(xué)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，結(jié)合直觀性的教學(xué)原則使得整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)更加完整和符合學(xué)生實(shí)際需求。

3?《庫侖定律》教學(xué)再設(shè)計(jì)

針對傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)中存在的片面性問題，本文以直觀性教學(xué)原則為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合學(xué)生的思維發(fā)展實(shí)際需要，從定性到定量，從知識(shí)到思維，從部分到整體對《庫侖定律》教學(xué)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，完善探究過程，構(gòu)建系統(tǒng)認(rèn)知，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，為學(xué)生掌握和理解庫侖定律，發(fā)展思維能力搭建經(jīng)驗(yàn)橋梁。主要的教學(xué)設(shè)計(jì)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(gè)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(guī)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(jù)同種電性情況的研究所得到的結(jié)論不具有完整性，也會(huì)造成今后學(xué)生思維的局限性和片面性，所以在本文的教學(xué)再設(shè)計(jì)中，借助NB輔助實(shí)驗(yàn)探究，從兩個(gè)維度進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可以引導(dǎo)學(xué)生得出當(dāng)帶電小球所帶電荷量保持不變時(shí)，改變兩個(gè)帶電小球之間的距離帶電小球之間的相互作用規(guī)律。從圖2可知，無論是正電荷還是負(fù)電荷，隨著懸掛小球的距離的逐漸變遠(yuǎn)，懸掛小球的擺角逐漸減?。o電力變小）。所以可以引導(dǎo)學(xué)生得到靜電力與距離的定性結(jié)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(shí)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(guān)系，如圖3所示。

根據(jù)圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以引導(dǎo)學(xué)生得出當(dāng)帶電小球與懸掛的帶電小球之間的距離保持不變時(shí)，改變小球所帶電荷量與帶電小球之間的相互作用規(guī)律。從圖3可知，當(dāng)小球所帶電量增大時(shí)，懸掛小球的擺角變大（靜電力增大）；當(dāng)小球所帶電荷量減小時(shí)，懸掛小球的擺角減?。o電力變?。Ｋ钥梢砸龑?dǎo)學(xué)生得到靜電力與小球帶電量的定性結(jié)果：

F∝q

在初步得出靜電力與電荷量和距離的定性關(guān)系時(shí)，此時(shí)補(bǔ)充異號(hào)電荷的靜電力實(shí)驗(yàn)情況，如圖4所示：

通過實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充可以引導(dǎo)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果得出完整的帶電電荷之間的相互作用的定性規(guī)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(guān)。此時(shí)引導(dǎo)學(xué)生在已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中去尋找類似的研究結(jié)論，類比推理的思路如圖5所示：

基于這個(gè)類比的思路，引導(dǎo)學(xué)生與萬有引力進(jìn)行類比，通過猜想初步構(gòu)建起庫侖定律的定量表達(dá)式：

F=kq1q2r2（1）

其中k為比例系數(shù)，在得出猜想之后，教師要引導(dǎo)學(xué)生對猜想進(jìn)行驗(yàn)證，隨后順理成章地引出庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)。本文基于NB虛擬仿真軟件對庫倫扭秤實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真如圖6所示：

通過庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)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(yàn)證，引導(dǎo)學(xué)生初步構(gòu)建起庫侖定律：真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)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(shí)到思維，促進(jìn)全面發(fā)展

本節(jié)實(shí)驗(yàn)探究過程中蘊(yùn)含著大量的科學(xué)思維和方法，這些都是培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生思維，促進(jìn)學(xué)生能力發(fā)展的重要資源。在本節(jié)課中主要的科學(xué)思維和方法體現(xiàn)在類比法、理想模型法、放大法。

3.2.1?類比法

類比是根據(jù)兩個(gè)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(jié)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??；萬有引力定律將天體理想化為質(zhì)點(diǎn)，庫侖定律將電荷理想化為點(diǎn)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(dá)式，即初步得到庫侖定律表達(dá)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(zhì)、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(xué)過程中，我們運(yùn)用類比的思想，基于對質(zhì)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)和了解，我們將帶電的小球理想化為點(diǎn)電荷去研究兩個(gè)點(diǎn)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(dāng)我們要測量或者觀察某些微小物理量和微小物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，直接測量和觀察往往會(huì)存在較大的困難。主要的放大法有累積放大、轉(zhuǎn)動(dòng)放大平動(dòng)、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(xué)中，兩個(gè)點(diǎn)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(xì)長的銀絲將庫侖力轉(zhuǎn)化為懸絲扭轉(zhuǎn)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(gòu)建起庫侖定律。

3.3?從部分到整體，構(gòu)建系統(tǒng)認(rèn)知

僅僅依靠庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)，是沒有辦法建立庫侖定律的。細(xì)心的學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，對于庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)來說它僅僅只是研究了同種電荷間的相互作用規(guī)律，那么異種電荷之間的相互作用的定量關(guān)系是否還滿足（1）式便不得而知，庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)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(dāng)時(shí)，為了研究異號(hào)電荷之間的相互作用規(guī)律，庫侖類比了單擺實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了電擺實(shí)驗(yàn)，從而探究出異號(hào)電荷依然具有和同號(hào)電荷之間的相互作用規(guī)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(shí)到思維，從部分到整體的教學(xué)再設(shè)計(jì)，邏輯清晰自然，環(huán)環(huán)相扣，不僅為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了大量的直觀性經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也符合學(xué)生的思維實(shí)際發(fā)展情況，學(xué)生基于這樣直觀性經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫貜膸靵龆傻亩ㄐ苑治鲞^渡到定量驗(yàn)證，降低學(xué)生的思維負(fù)擔(dān)，從而深入理解和體會(huì)庫侖定律的內(nèi)涵本質(zhì)。目前，很多教學(xué)中都容易缺失實(shí)驗(yàn)（科學(xué)探究）和科學(xué)思維的教學(xué)，由于受應(yīng)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(xué)生科學(xué)探究能力和科學(xué)思維的培養(yǎng)，這樣的教學(xué)值得我們反思和自省。如何在教學(xué)中顯化科學(xué)思維和方法的教學(xué)，如何在應(yīng)試教育背景下重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)培養(yǎng)和提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，促進(jìn)物理教學(xué)效率的提升，使得學(xué)生更全面、和諧的發(fā)展。

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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(xué)科教學(xué)（物理）。