范 兵

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

黄幸福

(武汉市江夏区金口中学 湖北 武汉 430208)

熊建文

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订》(以下简称《课程标准》)明确提出要发展学生的核心素养,引导学生经历科学探究过程,体会科学研究方法,养成科学思维习惯,增强创新意识和实践能力[1].在新课程改革的背景下,物理教师应该通过不同方式引导学生进行自主学习、主动探究;然而在日常教学中,受多种因素制约,教师依然难以贯彻《课程标准》所提出的教学理念,往往只重视物理知识的讲授,容易忽视科学探究的重要性.因此,本文以高中物理必修三第九章第2节“库仑定律”的教学实践为例[2],分析如何通过科学探究来实现培养和发展学生物理核心素养的目的.

1 “库仑定律”的教材分析

“库仑定律”是静电学核心内容之一,本小节的重点就是引导学生体会探究库仑定律过程中的科学思想和方法,而实验就是实现科学探究的重要载体.教材中对实验的描述,是通过一幅示意图(图1)说明的,即包含了在电荷量一定时,电荷间的作用力跟电荷间的距离有关的信息.但是用目前普通中学物理实验室的设备(图2)很难观察到课本示意图描述的现象,主要原因是:由于空气中存在带电微粒,带电体(即图1中的球C)所带的电荷量会迅速减少,要让全班学生清楚地观察到悬挂的小球在3个不同距离时小球偏移角度的大小很困难,即难以保证在较长时间内带电体与悬挂小球所带电荷量保持不变.其次,悬挂的带电小球的受力大小是从偏移角度看出来的,两球的间距难以固定,因为偏移角度改变的时候,由于静电力的影响,悬挂的小球与带电体间的距离也会随着改变.在课前实验准备时,发现实验可见度不高,如果教师演示并讲授,学生参与的机会少,教学效果可能会大打折扣.

图1 教材中演示实验示意图

图2 电荷间的作用力演示器

2 “库仑定律”的教学重构

为了实现更好的教学效果,将该演示实验改为学生探究实验.由于实验室可用于悬挂的带电小球质量较大,受力相同的情况下偏移角度小,可见度低.经过不断尝试用自制的铝箔小筒代替小球效果较好,将干净的铝箔(中学化学实验室均有配备)剪成约3.0 cm×3.0 cm小块,然后卷成直径约0.80 cm的圆柱状小筒用细线悬挂起来,因为小筒质量小,受力相同的情况下偏移角度大,在实验中效果更明显.由于实验室中固定的带电体是为演示实验准备的,数量不够学生分组实验的要求,尝试用带绝缘柄的其他器材代替,发现演示静电感应的枕形导体组拆开后可以代替带电体,如图3所示,拿出几台枕形导体让学生共用,这样器材问题便得到解决.在解决实验器材短缺的基础上,遵循物理教学过程的规律,运用系统的观点和方法,为实现既定的教学目标,对教学活动进行的规划、安排与决策[3],设计出了本节内容的教学流程图,如图4所示.

图3 枕形导体

图4 “库仑定律”的教学流程图

2.1 提出问题 引发思考

师:在上节课中同学们学习了“电荷”,知道电荷间存在相互作用力,那么请同学们猜测一下这种力的大小跟哪些因素有关呢?

生:与电荷量的多少有关……

师:当我们提到电荷间的相互作用力,往往会联想到两个物体之间的作用力,那么我们之前学过什么定律是关于两物体间相互作用力大小的呢?

生:万有引力定律.

师:很好!请大家回忆质点间的万有引力大小与哪些因素有关?

生:物体的质量、物体的间距.

师:好的,那我们今天所研究的电荷间的作用力可能与哪些因素有关呢?(在教学实践中发现大多学生都能够作出正确的猜想)请同学们根据手中的实验器材和课本设计的实验方案,进行定性实验证实猜想.

设计意图:因为在上一节“电荷”的教学中,学生已经知道电荷间的相互作用力表现为引力或斥力,加之课本示意图的提示作用,学生很容易想到用于悬挂的小球跟固定小球(即带电体)带同种电荷,通过观察细线偏移角度大小,可以间接说明小球受力大小.

2.2 设计方案 验证猜想

为探究电荷间相互作用力的大小与电荷量和间距之间存在怎样的关系,通过控制变量法,设计了两组探究实验.

实验1:保持带电体和铝箔小筒的带电荷量不变,探究电荷间的作用力与距离之间的关系.

实验2:保持带电体与铝箔小筒的距离不变,探究电荷间的作用力与铝箔小筒的带电荷量之间的关系.

将学生分为8个小组(4人/组),让他们以小组为单位进行实验探究,并让他们将实验探究的观察结果记录在学生自行设计的表格中,如表1所示.

表1 实验探究结果记录表

学生在分组实验时,很容易直接观察到电荷量一定时,距离越大,电荷间的作用力越小.在移动桌面的带电体使之尽可能接近悬挂小筒时,还能够清楚观察到细线偏移角度变大,从而说明间距变小,电荷间的作用力变大.实验中还观察到学生创造性地用羊毛衫摩擦塑料尺作为起电器(可节省组内学生同时使用器材需要等待的时间),然后接触悬挂的铝箔小筒,也可以清楚观察到小球之间的斥力大小跟它们的间距有关.

在进一步探究电荷间的作用力大小跟电荷量关系时,绝大多数小组几乎无需教师提示,自然而然地会拿另一个相同的不带电小筒接触一下悬挂的带电小筒,分走悬挂小球的部分电荷量(在上节课的教学中已经提到过相同带电体接触时电荷量的分配),可以明显看出偏移角度减小,从而分析出电荷间的作用力跟电荷量的关系.

设计意图：实验探究是人们探索自然规律、获取科学知识的重要手段,是综合的、关键的科学能力和素养的体现[4].通过定性的探究实验为学生提供了科学探究的机会,培养学生收集、处理信息的能力和基于证据形成猜想的能力,同时为教师进一步讲授库仑定律的定量描述做好铺垫.

2.3 类比推导 定量描述

学生通过实验探究验证了自己的猜想是正确的,并且得出结论——电荷间的作用力随距离增大而减小,随电荷量的增大而增大.教师进一步明确电荷间的作用力就是库仑力(或静电力).学生思维已异常活跃,此时提示学生:刚才的探究只是电荷间受力的定性认识,要探究库仑力大小的定量关系,还需要精密的实验探究.这时介绍库仑扭秤的结构原理及物理学史,得出:当电荷量不变时,库仑力F与距离r的二次方成反比;当电荷间的距离不变时,库仑力F与电荷量的乘积成正比的结论.然后将库仑力与万有引力进行类比,类比过程如图5所示,引导学生归纳出库仑定律的公式;最后对库仑定律的内容、表达式和适用条件进行详细解释.

图5 库仑力与万有引力的类比流程图

设计意图:通过介绍库仑扭秤的实验原理和历史趣事来引发学生的学习兴趣,让学生感受物理学思想方法的美妙,树立创新意识,受到科学态度的熏陶[4].同时通过库仑力和万有引力的类比教学,不仅培养学生数理结合、分析推理的思维能力,还能将科学方法渗透到教学中,让学生体会科学的奇妙.

2.4 实践应用 能力提升

习题是巩固学生知识、培养学生问题解决能力的重要载体,在讲述完库仑定律后,精选例题来进行教学活动.

【例题】一个静止的电荷量为e的质子位于圆心,一个带电为-e的电子以速度v和轨道半径r围绕着质子做匀速圆周运动,其中质子和电子的大小可以忽略不计.设质子的质量为M,电子的质量为m,静电力常量为k,引力常量为G,各物理量的数值如表2所示.

表2 各物理量的数值

请你比较一下作用于氢原子中电子和质子之间的万有引力和静电力的大小,可以看出万有引力大约是静电力的( )倍.

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

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

设计意图:习题的教学活动利于学生进一步认识到在研究微观粒子运动时,由于万有引力远小于库仑力,电子在运动时可以忽略万有引力的影响;同时巩固学生所学的知识,掌握库仑定律的应用.

3 教学启示

让学生经历科学探究过程,学习物理学的研究方法,注重科学探究能力的培养,关注学生关键能力在实验和实践层面的发展,这是发展学生物理核心素养的重要手段[5].通过“库仑定律”的教学实践,发现有以下几点是值得注意和思考的.

3.1 重实验 经历科学探究

让学生经历科学探究的过程,使之掌握科学研究的方法比直接教给学生知识更重要.在本节课教学过程中,学生进行探究实验花费了较多时间,在进行例题教学时,时间显得比较仓促.但通过课后作业反馈发现,学生对库仑定律的知识掌握情况良好,这说明通过科学探究能够激发学生对物理的学习兴趣,引发他们对物理问题的讨论热情,激发学生自主学习的潜力.

3.2 重行动 克服实验困难

由于普通高中存在教学器材配备不足、使用不便等诸多问题,导致探究性实验难以开展,但只要积极想办法,总可以找到能够说明物理原理的实验方法和器材.同时作为物理教师,课前的实验准备和投入是上好一堂课的关键.为了把库仑定律的演示实验改为学生探究实验,在器材的准备过程中遇到一些困难:如尝试过在泡沫球外包裹一层锡箔做悬挂小球,由于难以把小球做成相同的大小,最后还是选定用铝箔,将铝箔做成几十个大小基本相同的小筒,既满足作为悬挂小球使用,也方便作为改变小球电荷量的移电工具.

在以往“库仑定律”的教学过程中,有教师是通过库仑扭秤实验的介绍来讲授库仑定律,学生基本上是被动接受知识的.但通过科学探究,学生体验到探究过程的乐趣,当教师再讲授精密的库仑扭秤定量实验时,学生注意力很集中,很乐意并容易接受知识;同时也能让学生体会到科学研究往往需要在定性探究的基础上,进行反复严密的定量实验而获得严谨的科学知识,从而激发学生将来积极投身科学研究的热情,这有利于培养学生的科学态度与责任.

3.3 重育人 培养核心素养

课堂教学既要传授物理学的知识和原理,更要培养学生形成良好的思维习惯,并使之了解科学家们探索物理规律的艰辛历程.物理学虽是一门以实验为基础的科学,但是并不是所有规律都要求学生探究解决,学生的探究活动是学习物理学的重要方法.在学生取得初步探究结论后,教师应该引导学生了解物理理论(或规律)的发展历程和科学家们研究该问题的思想和方法.准确的物理概念的讲授和严密的科学推理的教学过程仍是物理课堂教学的重要手段,但如果能创造条件让学生参与科学探究,则既可以让学生获取丰富的感性认识,又可以充分调动他们的学习积极性,便能够达到事半功倍的教学效果.

总之,在日常的物理教学中,要落实《课程标准》提出的教学目标,全面提高学生的核心素养,就要尽量想办法吸引学生主动参与到科学探究中,让他们亲历物理规律的发现过程,获得创造性的情感体验,增进对物理概念和物理研究过程的理解,这样也有利于学生形成发现问题、提出问题和解决问题的意识,发展学生的创造力和想象力.