基于直观性原则和学生思维发展需求的教学再设计

摘 要：库仑定律是高中物理教学中的一个重点，是电磁学的基本定律之一，本节课中不仅有重要的物理知识，同时还蕴含着重要的科学思维和方法。但是，在应试教育和素质教育的尖锐矛盾冲突之下，很多教师在教学中忽视了科学思维的教育，对于知识的教学也存在“刻板性”，缺乏正确的逻辑性。基于此，笔者试图将直观性教学原则和学生思维发展需求相结合介入教学设计之中，对库仑定律教学进行再设计，使得整个教学设计更加完整，促进学生物理核心素养全面發展。

关键词：库仑定律；直观性；思想性；教学设计

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中对库仑定律的要求是知道两个点电荷间的相互作用规律，体会探究库仑定律过程中的科学思想和方法，体会库仑扭秤实验设计的巧妙之处［1］。由此可以看出，充分挖掘本节课的科学思维和方法促进学生思维的发展是教学过程中不可或缺的重点。

1 教学原则的概述和分析

1.1 直观性原则的概述

夸美纽斯最早将直观性教学以教学理论的形式进行阐述。在其著作《大教学论中》将直观性原则作为了其教学原则之首［2］。直观性原则是一种建立在认知和感受直观基础上的教学原则［3］。直观性教学原则认为教学中要通过教师的引导，为学生创设直观性的学习情境，让学生在具体的情境中观察所学事物，使他们能够正确地构建和理解知识，发展认知能力。

1.2 直观性原则与物理教学的分析

库仑定律是一个从定性研究到定量验证而构建起的电磁学基本定律。因此，对于整个探究过程的体会和感悟也便成为教学过程中不可或缺的一部分，它是学生深入理解和掌握库仑定律的基础，也是培养学生科学思维和科学方法的来源和前提。

在传统的《库仑定律》教学设计中，教师在教学过程中对于库仑定律的构建主要分为以下几种方法：

（1）通过讲授法从定性的角度对库仑定律进行理论的分析和阐述得到库仑定律。

（2）通过一定的数学推理分析，从而建立起库仑定律。

（3）进行演示实验让学生从定性的角度进行体会，随后播放库仑扭秤实验，从而建立库仑定律。

（4）通过定性演示和定量验证得出定律。毫无疑问地可以知道第（4）种一定是最好的且最符合科学性的教学方法，但是由于库仑扭秤实验对实验环境要求高，或者有仪器也受限于实验条件和时间，教师们不太选择这种方式进行教学。随着信息技术不断发展，虚拟仿真实验以其成本低廉、开放性高等优势为物理教学提供了更多的可能性，笔者采用了NB虚拟仿真软件对库仑扭秤实验进行补充，从而使整个教学过程更加科学和完整。

2 学生思维发展需求

课程标准对《库仑定律》的要求也表明教师应该使学生在探究过程中体会其中的科学思维和方法。在教学过程中教师往往只关注对库仑定律公式的记忆和使用，没有关注探究过程中存在的科学思维教育资源，这样的教学不利于学生物理核心素养的发展，这就更加需要教师充分发掘教学过程中的思维教育资源，抓住学生的思维发展关键期，促进学生科学思维和方法的培养和学习，促进学生全面发展。因此，笔者基于充分研究学生的思维发展需求，对《库仑定律》教学进行再设计，结合直观性的教学原则使得整个教学设计更加完整和符合学生实际需求。

3 《库仑定律》教学再设计

针对传统教学设计中存在的片面性问题，本文以直观性教学原则为基础，同时结合学生的思维发展实际需要，从定性到定量，从知识到思维，从部分到整体对《库仑定律》教学进行再设计，完善探究过程，构建系统认知，促进学生全面发展，为学生掌握和理解库仑定律，发展思维能力搭建经验桥梁。主要的教学设计流程如图1所示：

3.1 从定性到定量，完善探究过程

在本教材的开篇用两个电性相同的电荷相互作用通过观察悬挂小球的摆角大小，从而定性地去研究电荷间的相互作用规律，由此引出课题。这样的研究存在一定的片面性，电荷的相互作用既有同种电荷的排斥，也有异种电荷的吸引，只根据同种电性情况的研究所得到的结论不具有完整性，也会造成今后学生思维的局限性和片面性，所以在本文的教学再设计中，借助NB辅助实验探究，从两个维度进行电荷相互作用的定性探究。探究过程如图2所示：

如图2的实验结果可以引导学生得出当带电小球所带电荷量保持不变时，改变两个带电小球之间的距离带电小球之间的相互作用规律。从图2可知，无论是正电荷还是负电荷，随着悬挂小球的距离的逐渐变远，悬挂小球的摆角逐渐减小（静电力变小）。所以可以引导学生得到静电力与距离的定性结果：

F∝1/r

保持悬挂带电球的悬挂位置以及带电球的位置均不变，此时改变电荷量，研究不同电荷量对于同一位置带电小球的静电力的定性关系，如图3所示。

根据图3的实验结果可以引导学生得出当带电小球与悬挂的带电小球之间的距离保持不变时，改变小球所带电荷量与带电小球之间的相互作用规律。从图3可知，当小球所带电量增大时，悬挂小球的摆角变大（静电力增大）；当小球所带电荷量减小时，悬挂小球的摆角减小（静电力变小）。所以可以引导学生得到静电力与小球带电量的定性结果：

F∝q

在初步得出静电力与电荷量和距离的定性关系时，此时补充异号电荷的静电力实验情况，如图4所示：

通过实验的补充可以引导学生基于实验探究结果得出完整的带电电荷之间的相互作用的定性规律：静电力随距离的增大而减小，随电荷量的增大而增大，即静电力与电荷间的距离以及电荷量有关。此时引导学生在已有的认知结构中去寻找类似的研究结论，类比推理的思路如图5所示：

基于这个类比的思路，引导学生与万有引力进行类比，通过猜想初步构建起库仑定律的定量表达式：

F=kq1q2r2（1）

其中k为比例系数，在得出猜想之后，教师要引导学生对猜想进行验证，随后顺理成章地引出库仑扭秤实验。本文基于NB虚拟仿真软件对库伦扭秤实验进行虚拟仿真如图6所示：

通过库仑扭秤实验可以验证得出对于同种电荷的相互作用满足式（1），因此猜想得以验证，引导学生初步构建起库仑定律：真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上［5］。

3.2 从知识到思维，促进全面发展

本节实验探究过程中蕴含着大量的科学思维和方法，这些都是培养和训练学生思维，促进学生能力发展的重要资源。在本节课中主要的科学思维和方法体现在类比法、理想模型法、放大法。

3.2.1 类比法

类比是根据两个对象某些属性的相同，推出它们的其他属性也可能相同的间接推理［67］。对于本节课来说，在万有引力定律和库仑定律对比分析中可以得到，万有引力定律研究的是天体之间的引力大小，库仑定律研究的是电荷之间的静电力大小；万有引力定律将天体理想化为质点，库仑定律将电荷理想化为点电荷；万有引力定律研究的相互作用力为万有引力，库仑定律研究的相互作用力為静电力。基于这些类比可以得出与万有引力定律相似的表达式，即初步得到库仑定律表达式的猜想。

3.2.2 理想模型

理想模型就是为了便于抓住本质、解决问题，而对事物取其枝干、去其蔓叶后建立的抽象模型［8］。在库仑定律的教学过程中，我们运用类比的思想，基于对质点的认识和了解，我们将带电的小球理想化为点电荷去研究两个点电荷之间的相互作用，从而忽略带电小球的形状和大小对本次问题研究所带来的干扰。

3.2.3 放大法

当我们要测量或者观察某些微小物理量和微小物理实验现象时，直接测量和观察往往会存在较大的困难。主要的放大法有累积放大、转动放大平动、广义杠杆放大、广义放大、悬丝放大以及综合放大［9］。在库仑定律教学中，两个点电荷间的相互作用力是非常小的，直接测量十分困难，因此库仑通过细长的银丝将库仑力转化为悬丝扭转角度来表示，从而间接地放大了库仑力，使测量库仑力成为可能，从而构建起库仑定律。

3.3 从部分到整体，构建系统认知

仅仅依靠库仑扭秤实验，是没有办法建立库仑定律的。细心的学生会发现，对于库仑扭秤实验来说它仅仅只是研究了同种电荷间的相互作用规律，那么异种电荷之间的相互作用的定量关系是否还满足（1）式便不得而知，库仑扭秤实验是没有办法探究异种电荷之间的相互作用的，因此具有一定的局限性。当时，为了研究异号电荷之间的相互作用规律，库仑类比了单摆实验进行了电摆实验，从而探究出异号电荷依然具有和同号电荷之间的相互作用规律［4］，至此库仑定律才得以完全建立。

3.4 启示与思考

从定性到定量，从知识到思维，从部分到整体的教学再设计，逻辑清晰自然，环环相扣，不仅为学生的学习提供了大量的直观性经验，同时也符合学生的思维实际发展情况，学生基于这样直观性经验能够很好地从库仑定律的定性分析过渡到定量验证，降低学生的思维负担，从而深入理解和体会库仑定律的内涵本质。目前，很多教学中都容易缺失实验（科学探究）和科学思维的教学，由于受应试教育的影响，教师将精力放到了如何解题和考试上，忽略了对学生科学探究能力和科学思维的培养，这样的教学值得我们反思和自省。如何在教学中显化科学思维和方法的教学，如何在应试教育背景下重视实验教学是亟待解决的问题，只有问题得以解决，才能跟随新课改的要求，切实培养和提升学生的物理核心素养，促进物理教学效率的提升，使得学生更全面、和谐的发展。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：（2017版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2018.

［2］姜子婕.直观性教学原则在高中物理教学中的应用研究［D］.天津师范大学，2013.

［3］刘徐湘，胡弼成.从感知到理智：现代直观性教学原则的意义扩展［J］.教育学报，2012（2）：6671.

［4］王慧，邢红军，陈清梅.库仑定律教学的高端备课［J］.物理通报，2014，000（005）：4952.

［5］人民教育出版社，课程教材研究所.物理必修第三册.北京：人民教育出版社，2019.

［6］李春生.物理类比方法浅谈［J］.现代物理知识，2003，015（001）：911.

［7］张海峰.物理学习中类比方法应用及心理分析［J］.内蒙古师范大学学报（教育科学版），1999（4）：131134.

［8］高惠龙.物理中的理想模型［J］.物理教学，1985（3）：1011.

［9］李宏远.浅谈物理实验中的放大法［J］.物理教师，1993，000（010）：2022.

作者简介：祝天怡（1997— ），女，彝族，云南普洱人，在读研究生，研究方向：学科教学（物理）。