王 慧 邢紅軍

（首都師范大學(xué)物理系 北京 100048）

陳清梅

（北京中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)部 北京 100102）

“庫侖定律”是現(xiàn)行人教版《高中物理·選修3－1》“靜電場”一章的內(nèi)容，作為電磁學(xué)的基本定律，它不僅是力學(xué)向電磁學(xué)過渡的橋梁，而且是整個(gè)電磁學(xué)的基石.但是到目前為止，對(duì)庫侖定律的教學(xué)設(shè)計(jì)還存在諸多爭議.有鑒于此，我們擬采用高端備課的方式，運(yùn)用類比法深化對(duì)庫侖定律的理解，以彰顯物理教學(xué)的邏輯，促進(jìn)物理課堂的有效教學(xué).

1 傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)存在的問題

查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，有關(guān)庫侖定律的教學(xué)設(shè)計(jì)基本都是以人教版教材為藍(lán)本，將教學(xué)活動(dòng)按順序分為三個(gè)部分：

（1）通過實(shí)驗(yàn)探究影響電荷間相互作用的因素，得到的結(jié)論是電荷間的相互作用力隨著電荷量的增大而增大，隨著電荷間距離的增大而減??；

（2）直接給出庫侖定律的內(nèi)容，即：“真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上”；

（3）通過庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)得出庫侖定律的表達(dá)式

筆者基于物理教學(xué)的邏輯和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，以高端的視角對(duì)庫侖定律的教學(xué)進(jìn)行了深入的剖析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上述教學(xué)設(shè)計(jì)存在著“三個(gè)不符合”.

第一，教學(xué)順序與教學(xué)的邏輯不符合.庫侖定律理應(yīng)是定性研究與定量研究的結(jié)果，而教材卻把庫侖定律的內(nèi)容放在定性研究與定量研究之間，使得新知識(shí)的獲得既不能承前亦不能啟后，在定性實(shí)驗(yàn)之后直接給出庫侖定律，很可能使學(xué)生產(chǎn)生錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，認(rèn)為如果一個(gè)量隨著另一個(gè)量的增大而增大就是正比關(guān)系，反之就是反比關(guān)系.

第二，教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的認(rèn)知水平不符合.在知識(shí)層面，庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)涉及到用扭絲的轉(zhuǎn)角（庫侖扭秤的主要工作部件）間接測量靜電力變化的比值關(guān)系、涉及到扭力的概念和力矩平衡的知識(shí)，這些知識(shí)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知水平.在技能層面，由于庫侖扭秤結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性和操作上的精確性，重演這個(gè)實(shí)驗(yàn)，需要介紹實(shí)驗(yàn)器材、分析實(shí)驗(yàn)原理、講解操作方法，學(xué)生難以自主駕馭.而且教學(xué)實(shí)踐表明，此實(shí)驗(yàn)很難獲得想要的結(jié)果.

第三，探究實(shí)驗(yàn)與歷史事實(shí)不符合.庫侖定律得以完備精準(zhǔn)描述，并不只是一個(gè)扭秤實(shí)驗(yàn)就能完成的，扭秤實(shí)驗(yàn)只能驗(yàn)證同號(hào)電荷間的相互作用力，而對(duì)異號(hào)電荷間的庫侖力則是庫侖通過電擺實(shí)驗(yàn)得出.因此，教材通過庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)就得到庫侖定律是違背歷史事實(shí)的.

究其原因，探究實(shí)驗(yàn)難辭其咎.由于實(shí)驗(yàn)本身的難度打亂了從定性到定量得出結(jié)論的邏輯思路，使知識(shí)獲得的過程缺乏邏輯性，所以學(xué)生很難從整體上把握庫侖定律的內(nèi)涵.事實(shí)上，庫侖定律的建立既是實(shí)驗(yàn)事實(shí)的總結(jié)，也是理論研究的成果.在物理課堂教學(xué)中，學(xué)生間接經(jīng)驗(yàn)的獲得未必非要重演科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)，類比法同樣是科學(xué)家在建立定律時(shí)應(yīng)用的一種重要科學(xué)方法，教學(xué)中沒有必要厚此薄彼.

鑒于此，本文嘗試突破傳統(tǒng)教學(xué)的局限，利用類比法使學(xué)生學(xué)習(xí)庫侖定律.這樣，既尊重了歷史史實(shí)、減輕了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，又為后續(xù)學(xué)習(xí)電磁學(xué)提供了方法模型.

2 庫侖定律的高端備課

針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)以“科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)”為主的教學(xué)模式，我們以“顯化科學(xué)方法”的方式展開“庫侖定律”規(guī)律教學(xué)的高端備課，以期降低高二學(xué)生進(jìn)入電磁學(xué)學(xué)習(xí)的門檻，搭建一座從力學(xué)向電磁學(xué)過渡的橋梁，使類比的思想逐漸滲透到學(xué)生的頭腦中.本次高端備課主要分為以下三個(gè)階段.

2.1 設(shè)計(jì)先行組織者 提供類比的可能

設(shè)計(jì)先行組織者，是奧蘇貝爾提供的一種重要的教學(xué)策略，它是先于學(xué)習(xí)任務(wù)本身呈現(xiàn)的一種引導(dǎo)性材料，設(shè)計(jì)“組織者”的目的是增加新舊知識(shí)之間的可辨性，以促進(jìn)類屬性的學(xué)習(xí)［1］.

學(xué)生通過先前的學(xué)習(xí)，已經(jīng)熟悉了天體的運(yùn)動(dòng)和萬有引力定律，掌握了原子的結(jié)構(gòu)、電荷和電荷量的概念，知道了電荷之間存在著相互作用力.本節(jié)采用類比法的關(guān)鍵是讓學(xué)生領(lǐng)悟到新舊知識(shí)之間的聯(lián)系，找出它們的共同屬性.為了使新知識(shí)盡快納入到學(xué)生已有的圖式中，需要設(shè)計(jì)一個(gè)問題情境，即電子繞原子核運(yùn)動(dòng)的多媒體動(dòng)畫，由學(xué)生分析電子的運(yùn)動(dòng)情況和受力情況，經(jīng)由這一分析，學(xué)生容易聯(lián)想到行星繞太陽的運(yùn)動(dòng).這樣一來，就把學(xué)生的思維從陌生的微觀粒子運(yùn)動(dòng)帶到熟知的宏觀天體運(yùn)動(dòng)的情境中，這一思維的過渡，能夠激發(fā)學(xué)生的想象力，使類比推理順利進(jìn)行.

高端備課不同于教材編排，為了使教學(xué)更加符合邏輯，我們在定律建立之前就呈現(xiàn)靜電力和點(diǎn)電荷兩個(gè)概念，把它們作為“先行組織者”的一部分.這一處理，可以使學(xué)生在靜電力和萬有引力、點(diǎn)電荷和質(zhì)點(diǎn)這兩組類比對(duì)象中建立聯(lián)系，增加類比的可行性.

2.2 從特殊到特殊 有效實(shí)施類比

在進(jìn)行類比之前，首先向?qū)W生介紹類比法的定義.所謂類比法，就是根據(jù)兩個(gè)對(duì)象之間在某些方面具有的相同或相似性，推論它們在其他方面也可能相同或相似的方法，它既是一種創(chuàng)新思維方法，又是一種形象思維方法，其思維過程是從特殊到特殊［2］.高端備課依據(jù)這一思維過程進(jìn)行的類比推理如下圖所示.（圖1表示類比推理的思路，圖2表示類比推理的具體過程）

圖1 類比推理的思路

圖2 類比推理的具體過程

如圖2所示，從“運(yùn)動(dòng)的相似性”到“定律表達(dá)的相似性”，這一推理思路簡單流暢，揚(yáng)棄了復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，著眼于萬有引力和庫侖力之間的共同屬性，契合了學(xué)生的認(rèn)知水平.

對(duì)于行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的規(guī)律學(xué)生已經(jīng)耳熟能詳，知道這是一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)的模型，并且萬有引力提供向心力；而對(duì)于電子繞原子核的運(yùn)動(dòng)相對(duì)比較抽象，但是學(xué)生通過化學(xué)課和上節(jié)課的介紹，容易接受電子在核外繞核做圓周運(yùn)動(dòng)這一事實(shí)，知道電子繞核運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，離核越遠(yuǎn)的電子受原子核束縛越小，即電子與原子核之間的作用力也是隨著距離的增大而減小的，這一規(guī)律與萬有引力有著驚人的相似.由動(dòng)力學(xué)的知識(shí)可知，運(yùn)動(dòng)的相似性很可能是由于受力的相似性造成的.有了這一認(rèn)知，就可以利用類比推理，仿照萬有引力定律的內(nèi)容，嘗試表述電荷之間作用力遵從的規(guī)律.學(xué)生就能夠順利把萬有引力定律的內(nèi)容遷移過來，把定律中“物體”改為“電荷”、把“質(zhì)量”改為“電荷量”，并且可以寫出表達(dá)式

這樣，庫侖定律的雛形基本形成.

顯然，學(xué)生不可能想到把比例系數(shù)直接寫成k，也不可能把定律使用條件直接限制在“真空、靜止、點(diǎn)電荷”，也就是類比的結(jié)果會(huì)與定律本身有出入，但這并不影響本節(jié)課的教學(xué)效果，反而為講清庫侖定律的外延埋下伏筆.類比推理通過分析共性已經(jīng)使學(xué)生理解了庫侖定律的內(nèi)涵，即：庫侖力的大小滿足平方反比律，且與帶電體的電荷量有關(guān).接下來通過分析上述差異，使學(xué)生了解庫侖定律的適用條件，即講清公式的外延.這樣，通過類比推理，求同存異，一個(gè)完整的庫侖定律就建立起來，“真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上.即：F＝

2.3 滲透物理學(xué)史 驗(yàn)證類比結(jié)果

庫侖定律的建立是集多位科學(xué)家的分析研究成果于一體，最后由庫侖通過扭秤實(shí)驗(yàn)和電擺實(shí)驗(yàn)確認(rèn)得出.因此，高端備課并不能止步于庫侖定律的順利得出，庫侖所做的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)也應(yīng)該是本節(jié)的教學(xué)內(nèi)容之一.

由于庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)和電擺實(shí)驗(yàn)所涉及的知識(shí)和技能均超出了學(xué)生現(xiàn)有的水平，單獨(dú)介紹實(shí)驗(yàn)會(huì)使得教學(xué)枯燥乏味，所以，通過與學(xué)生一起回顧庫侖定律發(fā)現(xiàn)前后科學(xué)家所做的工作和成就，一方面可以讓學(xué)生了解庫侖定律建立的背景及其過程，使學(xué)生的思維和科學(xué)家的思維產(chǎn)生共鳴，體會(huì)類比法的成功.另一方面可以增加學(xué)生的好奇心和求知欲，為下一步介紹驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)做鋪墊.

介紹庫侖的實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)突出兩點(diǎn)：第一，庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)只能驗(yàn)證同號(hào)電荷間的庫侖力滿足平方反比關(guān)系，對(duì)于異號(hào)電荷間庫侖力的特點(diǎn)則是庫侖類比單擺實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)電擺得出的.第二，庫侖當(dāng)年實(shí)驗(yàn)時(shí)，還不知道怎樣測量物體所帶的電荷量，甚至連電荷量的單位都沒有.根據(jù)電荷守恒定律，兩個(gè)相同金屬球接觸后電荷量將等量分配，可確定兩金屬球帶電荷量變化的比值關(guān)系.

這樣，通過物理學(xué)史的滲透，正本清源，旨在引起學(xué)生情感上的共鳴，使學(xué)生不僅僅增長了知識(shí)，而且對(duì)類比法有了深入的了解，并有利于“情感、態(tài)度、價(jià)值觀”的升華.

3 高端備課的啟示

總結(jié)以上高端備課的過程，可以得到以下幾點(diǎn)啟示.

3.1 高端備課應(yīng)力求體現(xiàn)物理教學(xué)的邏輯性

教學(xué)的邏輯與思維的邏輯是一致的，知識(shí)本身的邏輯體系是影響教學(xué)效果的重要因素.傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)受探究實(shí)驗(yàn)的限制，使教學(xué)存在明顯的邏輯缺陷，不利于間接經(jīng)驗(yàn)的有效獲得.高端備課直接采用類比法，以“類比的可能→類比的實(shí)施→類比的驗(yàn)證”這樣一條邏輯路線展開，脈絡(luò)清晰、目標(biāo)明確，使每一個(gè)教學(xué)步驟都處在學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”里，既不低估，也不逾越，真正體現(xiàn)了循序漸進(jìn)的教學(xué)原則.這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)，借助科學(xué)方法表達(dá)了物理教學(xué)的邏輯性，由淺入深，由已知到未知，引導(dǎo)學(xué)生大膽推測，有利于激發(fā)學(xué)生探索意向、培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力.

3.2 高端備課應(yīng)注重科學(xué)方法的顯性教育

物理學(xué)是一門具有方法論性質(zhì)的科學(xué).物理教學(xué)中不僅要教給學(xué)生基本概念和規(guī)律，更重要的是要教給學(xué)生學(xué)習(xí)物理的研究方法.而我國物理教材的編寫上則表現(xiàn)為對(duì)知識(shí)點(diǎn)的邏輯體系采用顯處理，而對(duì)物理知識(shí)的內(nèi)在關(guān)系和物理方法，采用隱處理，即不在課本中寫明，而是讓學(xué)生自己去領(lǐng)悟，這是明顯偏離物理教育培養(yǎng)目標(biāo)的［4］.由于本章以及整個(gè)電磁學(xué)知識(shí)的抽象性，后續(xù)學(xué)習(xí)用到類比法的頻次較多，顯化這一科學(xué)方法就顯得尤為重要.然而教材對(duì)科學(xué)方法采用了隱處理的方式，著重筆墨介紹了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，這樣不利于知識(shí)的獲得.高端備課依據(jù)類比法的思維過程逐步展開，前承牛頓力學(xué)，使學(xué)生對(duì)萬有引力定律的認(rèn)識(shí)得以升華；后啟電磁學(xué)，為之后電場、磁場中抽象概念的學(xué)習(xí)提供了方法模型.

3.3 高端備課應(yīng)促進(jìn)課堂教學(xué)有效性的提高

有效教學(xué)是指教師遵循教學(xué)活動(dòng)的客觀規(guī)律，以盡可能少的時(shí)間、精力和物力投入，取得盡可能多的教學(xué)效果，從而實(shí)現(xiàn)特定的教學(xué)目標(biāo)，滿足社會(huì)和個(gè)人的教育價(jià)值需求.新課改倡導(dǎo)以“科學(xué)探究”為主的課堂教學(xué)模式，而忽視了課堂教學(xué)有效性的提高.庫侖定律的教學(xué)設(shè)計(jì)大多側(cè)重于“探究實(shí)驗(yàn)”，目的是為了通過探究活動(dòng)發(fā)現(xiàn)基本的原理，像科學(xué)家那樣思考問題.但是由于實(shí)驗(yàn)條件和學(xué)生知識(shí)水平的限制，有些實(shí)驗(yàn)并不適合探究.如果在教學(xué)中一味追求形式，片面強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體作用，不僅浪費(fèi)時(shí)間，而且問題并不能得到有效解決.高端備課運(yùn)用類比法使新舊知識(shí)進(jìn)行了有意義同化，突破了物理規(guī)律教學(xué)難點(diǎn)，從而有利于物理課堂教學(xué)有效性的提高.

1 陳琦，劉儒德.當(dāng)代教育心理學(xué).北京：北京師范大學(xué)出版社，2007.171

2 巨朝軍.類比推理微探.齊魯學(xué)刊，1999（4）

3 人民教育出版社，課程教材研究所.物理·選修3－1.北京：人民教育出版社，2007.5～6

4 喬際平，邢紅軍.物理教育心理學(xué).南寧：廣西教育出版社，2002.96～97