以方法为主线开展教学设计培养核心素养——以“库仑定律”教学为例

徐海菊

（江苏省南通中学，江苏 南通 226001）

普通高中物理新课程标准（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］学生要掌握物理的本质、要通过物理课程的学习为终身发展、应对现代和未来社会发展的挑战打下基础，学生必须能够牢固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、实验效果的提升，以及知识的灵活运用，从而提升课堂教学有效性.课堂有效学生才会觉得有兴趣、有信心，才愿意学，才主动学.有了学习的主动性，才会有知识的构建过程，才能保证学生真正掌握知识、习得方法，实现学科核心素养的提升.以“库仑定律”教学为例，可从以下几个方面凸显方法的教育，以显化方法教育为主线进行教学.

1 基于学生已掌握方法导入新课

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.教师必须要以此为基础开展教学，这样教学才有针对性，也才有满足学生的学习需求.基于学生基础的教学设计，才能贴近学生的“最近发展区”，学生素养才能得到更好的提升.

学习“库仑定律”之前学生已经掌握了定性探究的基本方法，也在初中和高一必修1、必修2的学习中掌握了控制变量法，教学设计应基于定性探究的实验和控制变量法导入新课，实验装置如图1所示，得到二者相互作用力与电荷量的定性关系.然后引导学生思考：哪些因素影响电荷间的相互作用？这些因素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，正确的猜想可以避免探究过程走弯路，提升探究效果.“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］正确的猜想可以凭直觉思维基于实验、学生已有的知识、学生已有的生活经验等.

在进行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，凭直觉思维容易将电荷之间的相互作用力与必修2中学习的万有万有引力建立联系，猜想电荷之间的相互作用力是否与万有引力相似？会不会电荷间的作用力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，为后续定律的得出和库仑的定量研究实验奠定基础.

3 基于构建已知模型的方法构建新模型

2017年新修订的普通高中物理课程变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维度培养学生的物理学科核心素养，以期为学生长远发展夯实基础.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］模型的构建是学习的难点，也是重点.只有顺利构建模型，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，尤其是基于构建已有模型的方法构建新的模型，这有利于拉近学习内容和学生之间的距离，让学生感到亲切而更愿意学习，激发学生更动力学习新内容，学习会更有主动性而高效.

在“库仑定律”的教学中，需要构建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、类比质点来构建点电荷这一理性化模型，从而降低学生的学习难度.

4 基于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认知规律的环境；实验能培养学生的兴趣，激发学生的求知愿望；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科学方法.通过实验学生不仅可以更容易获取、理解知识，更能领悟物理思想，习得物理方法，并在提升科学素养.物理教学中应重视挖掘实验的教育、教学功能，尤其是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.库仑定律实验遇到的3大困难：如何克服没有专门工具测量微弱静电力，没有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3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

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.先让定球和动球所带电荷量不变，改变距离，得到两球作用力与二者距离间的关系；在让定球、动球距离不变，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，与悬丝的直径的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

为了解决测量静电力的微弱作用，利用杠杆原理（省力杠杆），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

5.1 借助课本例题感悟理想模型法

理想模型是物理经常采用的一种科学研究方法，其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忽略的研究思想.“库仑定律”一节的教学中，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.

5.2 向外延展发展学生科学思维素养

学习的过程是螺旋式上升的过程，如何让学生利用已经掌握的知识、已经学会的通识方法去分析、解决新问题是发展学生物理学科核心素养的踏脚点.只有这样学生才算是真正掌握了物理学科本质，才能够实现知识的迁移，对所学物理知识融会贯通，促进素养发展.

例如，在学生已经掌握了点电荷间的库伦定律后，可以引导学生研究3个点电荷情境下的库仑力问题，将前面力学中学到的矢量合成法则迁移过来，为进一步思维的延展打下基础.

延展点1：均匀带电圆环（带电荷量q1）与点电荷（带电荷量q2）之间的电场力，情境的设置先将q2放置在均匀圆环的圆心（渗透微元的思想），然后再搬到轴线上的一般位置（如图2所示）.

图2

延展点2：在延展点1的基础上，引导学生研究如图3所示的均匀带电圆盘与点电荷之间的电场力（将圆盘等效为一系列同心圆环组成研究，引入电荷面密度取电荷元研究）.

图3

延展点3：在延展点2的基础上，引导学生研究如图4所示的均匀带电球体与点电荷之间的电场力（将均匀带电球等效为一系列同轴的圆盘组成研究，引入电荷体密度取电荷元研究）.

图4