凸显方法教育 培养核心素养——以“库仑定律”教学为例

(东北师范大学附属中学，吉林 长春 130021)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》提出：要培养学生的核心素养，要求“高中物理课程注重体现物理学科的本质，从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等方面提炼学科育人价值，充分体现物理学科对提高学生核心素养的独特作用，为学生终身发展、应对现代和未来社会发展的挑战打下基础。”[1]要达成上述目标，学生则需要能够掌握物理知识与方法，能够熟练运用方法，将物理研究的方法、思想迁移到新领域的学习、研究中。物理方法的掌握涉及物理知识、物理实验、知识运用等诸多方面，教学中通过凸显方法的教育，可以促进知识教学更高效、实验效果更明显、知识的应用更灵活，学生会觉得有兴趣、有信心、愿意学、主动学。有了学习的主动性，才能保证学生真正掌握知识、习得方法，实现物理学科核心素养的提升。本文以“库仑定律”教学为例，具体谈谈如何凸显科学方法的教育。

1 基于学生已掌握的方法导入新课

学生学习新内容之前掌握了一些物理知识、方法，这是学生学习的起点。教师必须以此为基础开展教学，这样教学才有针对性，也才能满足学生的学习需求。基于学生基础的教学设计，贴近学生的“最近发展区”，学生的核心素养能更好地得到提升。

在学习“库仑定律”之前学生已经掌握了定性探究的基本方法，掌握了控制变量法，教学设计应基于定性探究实验和控制变量法导入新课，实验装置如图1所示，可得到两个电荷间相互作用力与电荷量的定性关系。然后引导学生思考：哪些因素会影响电荷间的相互作用？对作用力的大小有什么影响？

图1

2 基于类比法的猜想

在科学探究中猜想是一种常用的重要科学方法，“有理有据的猜想可以让科学探究少走弯路。教师恰当引导学生猜想，将学生兴趣引导到被探究的问题上来，可以激发学生学习兴趣，凝聚学生注意力。猜想从学生所熟悉的知识或事实出发，有利于降低问题难度，具有较好的可接受性。”[2]

通过对电荷间相互作用力的定性探究，得出“距离越大作用力越小，电荷量越大作用力越大”的结论后，学生凭直觉容易将电荷之间的相互作用力与必修2中学习的万有引力建立联系，猜想电荷之间的相互作用力是否与万有引力相似？电荷间的作用力是否与电荷量的乘积成正比，与二者距离的平方成反比呢？通过类比万有引力，猜想电荷间相互作用力的表达式，为后续库仑定律的得出奠定基础。

3 运用模型方法建构新模型

高中物理课程标准要求从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等四个方面培养学生的核心素养，为学生的长远发展夯实基础。其中“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。[1]模型建构是学习的难点，也是重点，只有顺利建构模型，学生才能弄懂、弄通物理知识的逻辑联系，才能灵活运用物理知识。在教学中，应该重视让学生基于已有模型，运用模型方法建构新模型，这有利于拉近学习内容和学生之间的距离，让学生感到亲切、更愿意学习，激发学生的学习动机。

在“库仑定律”的教学中，需要建构点电荷这一物理模型。由于点电荷与学生熟悉的质点在引入的目的、采用的科学方法、使用的条件等方面都高度相似，教学中可以通过复习质点、类比质点来建构点电荷这一理想化模型，从而降低学生的学习难度。

4 学习库仑扭秤实验的巧妙方法

物理教学必须以实验为基础，实验能为学生学习提供符合其认知规律的环境；实验能培养学生的兴趣，激发学生的求知欲望；实验是发展学生能力和使学生得到科学方法训练的重要途径；实验有利于培养学生良好的道德素养和科学作风。[3]实验往往蕴含丰富的科学思想和方法，通过实验学生不仅可以获取、理解知识，更能领悟物理思想，习得物理方法，提升核心素养。物理教学中应重视挖掘实验的教育、教学功能，要凸显实验中的科学方法教育。

库仑扭秤实验是第一个定量研究电学规律的实验，电学研究由此从定性进入定量。库仑在实验中遇到的三大困难为：没有专门工具测量微弱静电力、没有规定电荷量单位和不清楚带电体上电荷量分布、难以确定电荷间距离。为了解决这三大困难，库仑设计了蕴含丰富科学研究方法的扭秤实验。

4.1 控制变量法

在定量研究电荷间的作用力与电荷量、距离等关系时，采用控制变量法。先保持固定的球和可动的球所带电荷量不变，改变距离，得到两球作用力与二者距离间的关系；再保持两球间距离不变，改变电荷量，得到二者相互作用力与电荷量的关系；最后，综合上述得到的结论，得出定量研究结果。

4.2 转化法

根据扭力定律，扭转力矩与悬丝的扭转角度成正比，与悬丝直径的4次方成正比，与悬丝的长度成反比，将微小静电力的测量转化为对扭转角度的测量，通过悬丝扭转角度的大小来判断扭力的大小。

4.3 均分电荷量法

4.4 放大法

为了测量微弱的库仑力，利用杠杆原理，使较小的力通过较长的力臂产生较大的力矩，放大作用效果。

5 基于理想模型法的科学研究

理想模型是物理经常采用的一种科学研究方法，体现了抓住主要因素，忽略对研究对象、研究结果影响较小的次要因素的研究思想。在“库仑定律”的教学中，点电荷模型的建构及适用条件凸显了科学研究中抓住主要因素、忽略次要因素的研究方法。

6 运用已学方法解决新问题

学生在学习中总会遇到新问题、新情景，让学生利用已经掌握的知识、已经学会的科学方法去分析、解决新问题是教学的重要任务。只有这样学生才算是真正理解了物理学本质，才能够实现知识的迁移，实现物理知识的融会贯通。

如果一个带电体受到多个静电力时，学生还会求其合力吗？将静电力与以前所学的重力、弹力、摩擦力等融合在一起，学生还能够正确解决问题吗？为此可以给学生呈现如下两个练习题，训练学生的思维，运用科学方法分析新情景、解决新问题。

练习题1：如图2所示，点电荷Q1=+2×10-14C和Q2=-2×10-14C分别放置在A、B两点，C是AB垂直平分线上的一个点，AB=AC=BC=6×10-2m。C点有一个电子，求它所受库仑力的大小和方向。

图2

练习题2：如图3所示，绝缘细绳将质量3g的带电小球B悬挂在铁架台上，将电荷量为Q=-4.0×10-6C的带电球A靠近球B，两带电小球均可以看成点电荷。当两个带电小球在同一高度且相距r=20cm时，绳与竖直方向成α=30°夹角，A、B球均静止，g取10m/s2，求B球所受的静电力和电荷量q。

图3

练习题1需在进行矢量运算时运用平行四边形定则的一般方法。练习题2要求学生会用受力分析的方法；研究对象处于平衡态时，能根据其所受合力为零，列方程解决问题；分析物体的受力后，可采用正交分解法处理受力，列方程得出结果，对于受力个数为3时的平衡态，采用合成法更方便，作图时要先确定其中两个力的合力方向，并与第三个力相反。