叶副权 顾建新

(1. 泰兴市第一高级中学,江苏 泰州 225400; 2. 泰兴市教师发展中心，江苏 泰州 225400)

20世纪以来,随着新科技革命的挑战,诸多教育教学理论应运而生,如认知-结构学习理论、建构主义学习理论、最近发展区理论等,对当代教学实践产生了深刻的影响.新世纪以来,围绕新课程改革,开展课堂教学模式与教学策略的研究更是蔚然成风,提炼出如“以学定教,以教导学”、“合作学习”等理论观念.结合上述理论成就及多年的教育教学实践,我校提出的“激疑·对话·拓展”课堂教学策略得以初步形成,它具有一定的校本特色,更具有突出学生主体地位的共性.此教学策略在教学环节的融合上,相互间关系如图1所示.

图1 实施“激疑·对话·拓展”策略的基本结构

“激疑·对话·拓展”课堂教学策略突出了学生主体地位,在策略实施中又充分发挥了教师的主导作用,即“激疑,指导学生自主探究; 对话,诱导学生思维发展;拓展,引导学生深度质疑”.

下面以高中物理人教版选修3-1第1章静电场第2节库仑定律设计与授课为例,例说“激疑·对话·拓展”课堂教学策略在物理教学中的应用.

1 做好教材分析与学情分析,明确核心素养在章节内容上的具体呈现

教学设计首先需要明确所教内容的内在联系与学科地位作好知识体系分析.本节库仑定律,通过前面的学习,学生已经对电荷间作用力的方向有了初步的认识.在此基础上,进一步探究静电力的规律.库仑定律是一个实验探究性定律,即通过探究“影响电荷间相互作用的因素”发现并归纳出库仑定律的基本内容.库仑定律在物理学中占有相当重要的地位,不仅是牛顿引力理论的发展,高斯定理的有力支撑,也是电磁学发展史上人类提出的第一条定量定律,是学习电磁学知识的前提.

其次要对学生的学习情况作一个认知分析.作为高一下学期的高中生,学生已初步掌握了用实验探究物理规律的基本方法,并有较强的动手能力,具有较好的思考、质疑、交流与合作的学习习惯.学生通过上一节“电荷及其守恒定律”的学习,已经知道自然界中的两种电荷以及使物体带电的方式,掌握了电荷守恒定律内容及基本应用.这些都为学生自主学习、合作探究、解决问题的顺利进行奠定了良好的基础.

最后基于教材及学情的分析,科学界定本节教学目标中物理学科核心素养的具体呈现.

物理观点:通过学习,知道点电荷的概念,掌握库仑定律,理解库仑定律的含义及其公式表达,知道静电力常量.深化电荷间相互作用的基本认识并会用库仑定律的公式进行有关的计算.

科学思维:通过点电荷模型的建构,发展学生抽象概括能力,通过回顾万有引力定律猜想库仑定律的表达形式,发展学生逻辑推理能力;通过对库仑定律的定性猜想,掌握探究物理规律的一般方法即控制变量法;通过实验方案的设计、检验与修正,发展学生科学论证,质疑创新能力.

科学探究:通过实验让学生探究影响电荷间相互作用力的因素,总结出库仑定律.引导学生“基于观察和实验提出物理问题,形成猜想和假设,设计实验与制定方案,获取和处理信息,基于证据得出结论作出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力”,[1]提升学生科学探究意识与探究能力.通过展示让学生知道库仑扭秤的实验原理.感受物理学家库仑科学探究的思想方法;

科学态度与责任:通过将库仑力与万有引力的类比,使学生体会自然规律的多样性与相似性.在教学活动组织中,通过合作学习,培养学生共同探究和团队协作精神,引导学生在探究中遵守科学伦理,提升科学责任意识.

本节课在知识上的教学重点是库仑定律内容,教学的难点是对点电荷概念的理解.

2 应用“激疑·对话·拓展”教学策略科学设计教学流程,结合课堂教学实际例说教学策略的实施

结合教材分析与学情分析,本节课的教学流程图,如图2所示.

图2 库仑力定律授课流程设计

2.1 规律探究阶段主要有3块组成,由观察类比到定性分析再到定量分析

(1) 猜想影响库仑力的因素及点电荷模型建立.

激疑:两个带电体之间的作用力到底和哪些因素有关?它们之间又有着怎样的关系呢?[2]经典电磁学认为原子内电子绕核作匀速圆周运动,电子绕核运动类似与我们曾经学习过的哪个运动?

对话(师生):通过两个运动的类比,我们猜想到影响库仑力的因素有两个,距离与电量.如果带电体之间的距离比较远,比它们自身大很多时,请同学思考一下,它们的大小和形状及电荷的分布对所研究的相互作用力影响大吗?此带电体我们称为“点电荷”,类似于力学中的“质点”模型,请同学们类比“质点”思考“点电荷”是怎样的带电体?[2]

图3 库仑力定律与万有引力定律类比

拓展:请说给同桌听一听,有同学说“体积小的一定能看成点电荷,体积大的一定不能看成电点荷”,你赞同吗?

设计意图:通过类比思维的应用,由电子绕核运动与地球绕日运动形式的相似,引导学生猜想受力情况的相似性及所受作用力的决定因素、定性关系的相似性.在点电荷模型的建立中类比思维又一次得到拓展,促进了学生科学思维的发展.

(2) 通过将演示实验转化为探究实验,让学生亲历探究库仑定律的影响因素过程.

激疑(设计实验):研究一个量和多个量的关系时,我们通常采用什么方法?(控制变法).下面请同学们根据控制变量法的原理,在表1、表2中填写与本实验相关的物理量.

表1 保持________不变

表2 保持________不变

对话(师生):我们每组领取到“一台电荷间作用力演示器,一根橡胶棒,一块毛皮,一只带绝缘柄的金属球, 刻度尺一把”,首先请同学们结合提供的仪器(图4),思考一下仪器设计者是如何显现盒内小球受力大小的?假设小球所受作用力水平向右,你能否解出此力与细线偏角的关系?

图4 探究电荷间的相互作用

图5 受力分析

解:图5为小球受力分析图，小球处于平衡F=Gtanθ.

对话(师生):本实验中距离的改变较容易,只要在滑槽内移动金属球底座就行了,问题是电量这一块,我们如何获得电荷呢?(摩擦起电);如何让小球带电呢?(接触起电);内小球如何让它带电呢?(吸引后再接触起电);又如何改变小球的带电荷量呢?(拆分法,摩擦橡胶棒多接触几次增加小球带电量).

拓展(亲历探究):通过刚才的操作方案的设计,下面请同学们分组实验,验证一下我们的猜想.

实验结论:两电荷间的距离越大或电荷量越小,库仑力越小.

拓展(观察验证)课本上也提供了一种探究方案,我们共同观看一下实验视频,认真体会控制变量法及静电实验的操作技巧.

设计意图:在学生猜想的基础上,进行定性探讨,促进了学生对物理规律意义的深刻理解、库仑定律不仅是电磁学的基本定律,也是学习电磁学部分的前提.本实验更是引入电场概念的敲门砖,所以本节课让学生亲历探究过程并通过观察视频验证,增强了对静电知识的感知,对后继电磁学知识的学习具有重要的意义,也是有效落实“科学探究”与“科学态度与责任”的探索.

(3) 通过文本阅读、观察实物演示与视频展示,师生共溯库仑定律探究实验.

激疑(科学猜想):请你结合万有引力定律大胆猜想两带电体之间的相互作用力即库仑力和它们之间的距离及所带电量间具体的定量关系,是不是这样的定量关系呢?我们上面的实验仅是定性的,并不能证实我们的猜想,这一科学问题的解决是由法国学者库仑完成的.

对话(自主学习):现在让我们回溯一下伟人的实验历程,库仑在研究过程中,发现两带电体之间的静电力一般不太明显,请根据以前所学的知识“帮助”库仑思考一下,有没有什么方法把力的效果放大一些?请对照库仑扭秤“挂图(PPT)”自主阅读课本内容,了解实验方法、原理与操作细节,结束后请向同桌介绍一下库仑扭秤测量的原理.

拓展(情境学习)请大家观看实验视频再一次验证自己的理解.体会库仑扭秤实验的技巧,即小量放大的原理及电量确定的方法.

设计意图:通过类比推理进行库仑定律表达式的猜想与假设,参照万有引力表达式进行数学建模,再进行实验验证既是一种科学方法,更是对学生科学思维方式的培养.由于库仑扭秤实验不便于作演示实验或学生实验,但基于向学生提供真实实验情境的思想,通过选用MOOC视频库中库仑扭秤实验录相,为学生解决本实验中高度不确定性问题的探索提供资源支撑.库仑扭秤实验对检验库仑定律具有重要意义,引导学生回溯库仑扭秤实验,有利于促进学生树立求真、实证、创新的科学态度.[3]

2.2 课堂中的拓展训练,从选题到教学同样可实施“激疑·对话·拓展”的教学策略

拓展1:请同学们体会一下微观粒子间的万有引力和库仑力的异同.

例1.已知氢核的质量是1.67×10-27kg,电子的质量是9.10×10-31kg,在氢原子内它们之间的最短距离为5.3×10-11m.试比较氢原子中氢核与电子之间的库仑力和万有引力.(课本P8)[3]

小结:使用库仑定律计算时要用电荷量的绝对值代入,方向由“同斥异吸”确定,研究微观粒子间的相互作用时,可以把万有引力忽略.

激疑:我们由万有引力定律类比发现了库仑定律的表达式,那你能否类比库仑力对万有引力作几点猜想.库仑力有引力与斥力,但万有引力只有相互吸引的力,没有相互排斥的力,有没有万有斥力;电荷上有负电荷,物质上有没有负物质呢?两力的公式上如此相似,两类力能不能进行理论的统一呢?希望同学们多多努力,能为科学的发展作出贡献.

设计意图:通过对电子和质子间的静电引力和万有引力的深入比较,引导学生对两力的异同进一步认识,在解题上得到准确应用,在科学兴趣上得到激发.通过“反类比”引导学生发散思维与创新思维,引导学生对科学本质的探索,促进学生科学思维的发展.

拓展2:空间有多个点电荷时,怎样求其中一个点电荷受到的力?

图6 对第3个点电荷受力分析

例2.真空中有3个点电荷,它们固定在边长50 cm的等边三角形3个顶点上,每个点电荷所带电量均为2×10-6C,求它们各自所受的库仑力.[4]

激疑1.若q1与q2连线上有均匀分布的电荷，q3的受力方向是否改变？

激疑2.如果点电荷是受到均匀带电球的作用,其受力方向又如何呢?此时公式中r如何确定呢?

设计意图:深化对库仑力的内涵外延的认识,使学生深刻理解静电力同样具有力的共性,遵循牛顿三定律,遵循力的平行四边形定则.任何一个带电体都可以看成是由许多点电荷组成的.任意两点电荷之间的作用力都遵守库仑定律.用矢量求和法则求合力.对复杂形状的带电体可利用微积分计算求出库仑力.

结束前通过引导学生自我对话,实现对知识及方法的掌握与提炼,形成如下的认识.

本节课,在科学猜想的基础上,采用控制变量法探讨带电体之间的静电力与它们携带的电荷量及它们两者距离之间的关系.在探究过程中,学会了点电荷的理想模型.知道两点电荷之间的相互作用力满足库仑定律,深刻体会到类比思想在我们人类探索未知世界的重要作用,感受到物理世界的和谐与魁丽.

设计意图:让学生真正感悟、体验到规律的来龙去脉,并让学生带着“问题”离开教室,有力激发学生对未知世界的兴趣,投身科学研究的热情与理想.

2.3 布置阅读与练习,在作业的设计思路上可渗透“激疑·对话·拓展”教学策略的原则

如本节课拓展内容布置如下：

(1) 复习本节课文及阅读科学漫步.

(2) 完成“问题与练习”,其中1、2、4做到作业本上.

(3) 登录学校网站(http://www.txyg.com/)到学科平台中物理组教学资源栏目,结合自己兴趣阅读下列文章.

① 廖洪忠.“万有引力定律和库仑定律类比研究”.物理教学，2009，36(06).17-20.

② 徐在新、钱振华 .“库仑定律的精确度”物理教学,2010，32(4).4-6.

设计意图:拓展是学生学习的一个关键环节,它反映了教育价值的导向,是教育质量提升的重要载体,本拓展遵循复习、巩固、提升的原则,先行布置学生复习章节知识,自我内化所学内容.通过阅读“科学漫步”扩展学生视野,开拓认知范围.后通过“问题与练习”布置,引导学生深度学习,形成解决问题的能力,最后为便于学生在“自我对话”中促进其对问题的探索,尽力提供学生与专家对话的机会,将相关前沿论文通过学校网站呈现,努力实现“分层教学,因材施教”的教育理想.

3 优化“激疑·对话·拓展”教学策略的实施,总结凝练策略的调控措施

“激疑·对话·拓展”教学策略,旨在通过课堂实践,努力促进学生科学思维的发展,使学生正真成为学习者,提升物理核心素养.为使教学过程最优化,使核心素养的培养更充分有力,结合上课实践体会提出3种调控措施.

3.1 激疑中适当放慢学习过程

无论是科学思维还是创新思维的培养都需要充分思考的时间,适当放慢学习过程,才能保障学生有时去思考、去发现,去生疑,由疑生趣,使学生对问题本身产生兴趣,促进学生积极主动的学习.本节课在组织学生利用“电荷间作用力演示器”半定性地探究库仑定律的实验中,激发出了学生许多具体疑问,如在毛皮摩擦橡胶棒让橡胶棒带电的实验环节中,摩擦时间的长短、摩擦与位置选择、长度有无要求、方向是单向还是往复、摩擦前是否需要对毛皮干燥等,放慢学习过程,才能留下发现和提问的机会,促进学生的积极思考和思维习惯的发展.

3.2 对话中适当放宽教学范围

学生提出的问题多种多样,设计的方案不尽相同,也是学生思维发展的充分表现,其中不泛有思维的火花与创新的起点,我们当尽力保护,做好引导与解释,激发学生因疑生趣的思维原点.如本节课中,在理论上,万有引力与库仑力产生机理“相似性”的提问;实验中,让橡胶棒上的电荷转移到金属球上与两金属球接触起电操作上的不同;数学应用中,采用矢量三角形与正交分解方法在解决电学中三力平衡中的优选等,都要求教学不能完全拘泥于教学要求与大纲,更不能随口吹灭思维的火苗.当适当放宽教学范围,不唯教材,不唯大纲,以发展学生核心核素,关键能力为选择标准.

3.3 拓展中倡导深度学习的理念

思维能力是智力的核心,而思维的深刻性又是评价思维能力发展的重要指标,进行物理学科的深度学习能有效促进学生智力的发展,拓展应贯穿在教学过程的始终,进行逐层递进的问题设计,才能有助于课堂教学目标的实现.如建立了电荷间的相互作用即库仑定律后,规律上,它与万有引力的不同有哪些呢?如微观世界里,相比与库仑力,万有引力对电荷的运动状态改变的影响为何可忽略不计?电荷有正负电性,物质有没有正负物质性,你所定义的负物质与反物质、暗物质的区别是什么?应用上,如出现了第三个电荷,多个库仑力的运算规则是什么?受三力平衡是采用矢量三角形法还是正交分解的方法呢?更多点电荷或均匀带电体对点电荷的作用,采用对称法、割补法还是先微元后积分的方法呢?只有通过深度学习,学生的思维能力,解决问题的能力才能得到充分发展,创新意识与能力才能得到培养与提升.

课堂时间是发展学生核心素养的最宝贵的资源.如何最大限度的用于发展学生,促进学生的核心素养的形成,是一个时代话题,也是新课程改革的一项重大任务,作为一名普通高中物理教师,将永远走在课改的路上.