怎樣有效提高學生的思維和探究能力

　　摘 要： 對一些在課堂上不可能進行相關實驗的物理規律，本文探討以創設問題為切入點，以探究發現物理規律的內在邏輯為主線，以科學合理的假設為要點，以科學方法為工具，實現在物理教學中以培養學生思維能力為核心，以提高學生探究能力為重點的目標。
　　關鍵詞： 庫侖定律 思維能力 探究能力 提高科學方法
　　
　　物理教學理論的核心內容是：“物理教學要堅持以創設問題為切入點，以觀察實驗（事實）為基礎，以培養學生思維能力為核心，以提高學生探究能力為重點。”在高中物理教學中，我們說到探究物理規律往往是指通過實驗進行相關探究，培養學生思維能力，提高學生探究能力。似乎離開了物理實驗就不能對物理規律進行相關探究，通過實驗對物理規律進行相關探究固然重要，但對一些在課堂上不可能進行相關實驗的物理規律，往往忽視了對學生思維能力和探究能力的培養，由于庫侖定律是應用精密儀器庫侖扭秤，通過精確實驗才能得到的定量物理規律，不可能在課堂上進行探究實驗。我通過以創設問題為切入點，以探究物理規律的內在邏輯為主線，以科學合理的假設為要點，以科學方法為工具，探究對庫侖定律一節的教學設計，探討對學生思維能力和應用科學方法進行探究能力的培養。
　　一、傳統的庫侖定律教學設計［１］
　　1.簡單復習
　　使物體帶電的方法：摩擦起電、接觸帶電、感應起電。
　　2.點電荷的模型
　　指帶電體本身的大小比起它到其他帶電體的距離小得多。
　　3.探究靜電力
　　用一個固定擺放的帶電導體小球A，用細線懸掛B，C兩個相同的帶電輕質導體小球，當輕質導體小球B，C與導體小球A靠近時，輕質導體小球的偏角越大，表明兩電荷的靜電力越大。
　　利用變量控制法：
　　（1）研究相互作用力F與距離r的關系
　　使A、B、C帶同種電荷，且B、C的電荷量相等，觀察B、C的偏角，思考r增大時，F的大小如何變化。
　　結論：r增大時，F變小。
　　（2）研究相互作用力F與電荷量的關系
　　保持A、B的距離r不變，觀察B的偏角，思考當B球帶的電荷量減小時，F的大小如何變化。
　　結論：B球帶的電荷量減小時，F變小。
　　4.庫侖定律
　　在前人工作的基礎上，法國物理學家庫侖用實驗研究了電荷之間的相互作用，總結出了如下規律，人們把這一規律稱為庫侖定律。
　　F=k，K=9.0×10N?m/C（靜電力恒量）
　　例：利用庫侖定律計算氫原子中質子和電子之間的靜電力，利用萬有引力定律計算氫原子中質子和電子之間的靜電力，比較靜電力和萬有引力的大小。
　　此教學設計存在如下問題：
　　1.具體從事物理教學的教師都知道高中物理實驗中成功率最低的是靜電實驗，所以此實驗不要說學生探究實驗，就是教師演示實驗成功率也不高，與天氣和絕緣情況等因素有很大關系。
　　2.由于靜電力很小，用導體小球做實驗觀察導體小球B的偏角是觀察不到的，用通草球實驗偏角明顯，但通草球帶的電荷量不易改變。
　　3.即使此探究實驗能成功也只片面地得到r增大時，F變小。B球帶的電荷量減小時，F變小的結論，沒有形成一個完整邏輯思維鏈，就是應用精密儀器庫侖扭秤，學生也將不可能找到探究庫侖定律的科學方法。
　　4.沒有再現庫侖探究的邏輯思維過程和采用的科學方法，以及探究過程的難點和庫侖的創新之處。
　　二、創設問題的庫侖定律教學設計
　　1.簡單復習
　　使物體帶電的方法：摩擦起電、接觸帶電、感應起電。
　　2.點電荷的模型
　　指帶電體本身的大小比起它到其他帶電體的距離小得多。
　　3.探究靜電力
　　問題一：靜電力與我們過去學過的哪種力比較類似？
　　經過分組討論比較后，由于彈力和摩擦力是接觸力，在教師引導下學生很容易得到靜電力與重力（萬有引力）相似。
　　問題二：萬有引力常數是采用什么精密儀器精確測量得到的？
　　學生經過分組討論回憶后很容易得到：采用卡文迪許扭秤。
　　教師總結：庫侖正是應用類比法模仿卡文迪許扭秤制成庫侖扭秤來探究靜電力的。
　　問題三：怎樣利用庫侖扭秤研究兩個帶電體（點電荷之間的）相互作用力F與距離r的關系？
　　學生經過分組討論后很容易得到：采用變量控制法，保持兩個帶電體（點電荷）的電荷量不變，改變兩個帶電體（點電荷）之間的距離r進行實驗。
　　教師總結：庫侖正是應用變量控制法利用庫侖扭秤通過精確實驗得到F∝，以上問題我們經過討論就能找到解決的辦法。庫侖當初要得到上面的結論并不難，因為并沒有多少創新，當時的一般學者都能想到。
　　由于當時人們對帶電體所帶電荷量多少的認識并不清楚，我們先來討論物體所帶電荷量的問題。
　　問題四：教師引導：我們利用使物體帶電的哪一種方法能改變帶電體的電荷量？
　　學生經過分組討論后很容易得到，采用接觸帶電的方法可以改變帶電體的電荷量。
　　問題五：教師引導：我們怎樣才能得到兩個電荷量相等的帶電體？
　　學生經過分組討論后一般得不到解決問題的方法。
　　教師總結：解決這一問題的方法正是庫侖發現庫侖定律的關鍵，它是通過前人已有的知識不可能得到的，這正是庫侖的創新之處。如果我們不能得到兩個電荷量相等的帶電體，那么發現庫侖定律的邏輯思維鏈將中斷。在這里庫侖作了一個科學合理的假設：如果讓一個帶電荷量為q的導體球與另一個不帶電的相同導體球相互接觸，分開后它們將平分原來帶電的導體球所帶的電荷量，兩球所帶的電荷量均為。
　　問題六：怎樣驗證庫侖作的科學合理的假設是正確的？
　　學生經過分組討論后可能會得到解決問題的方法。
　　教師總結：利用等效替代法和變量控制法，將平分原來帶電的導體球所帶的電荷量為的兩個帶電的導體球分別放入庫侖扭秤中，與帶的電荷量為Q的電荷相互作用測其靜電力，如果其靜電力相等表明它們帶的電荷量相同。
　　問題七：怎樣利用庫侖扭秤研究兩個帶電體（點電荷之間的）相互作用力F與兩個帶電體電荷量的關系？
　　學生經過分組討論后容易得到解決問題的方法，利用變量控制法保持兩個帶電體之間的距離r不變，不斷改變兩個帶電體的電荷量，測其靜電力F。
　　教師總結：庫侖正是應用變量控制法利用庫侖扭秤通過精確實驗得到F∝qq。
　　結論：庫侖正是利用庫侖扭秤通過精確實驗得到F∝。
　　關于庫侖定律的表達方式和電量的單位問題我們留在下節課討論。
　　此教學設計達到了如下效果：
　　1.培養了學生思維能力和科學方法探究能力，使學生學習了科學方法探究常用的類比法，變量控制法，科學合理的假設法，等效替代法。
　　2.在不可能進行課堂探究實驗的情況下，通過對七個創設問題的討論充分調動了學生的積極性和能動性，增強了師生間的互動。
　　3.再現庫侖探究的邏輯思維過程和采用的科學方法，以及探究過程的難點和庫侖的創新之處。
　　4.學習了當解決問題的邏輯思維鏈中斷時，我們需要大膽地提出科學合理的假設，并且找到驗證它的方法，這往往是解決問題過程中的創新之處。
　　三、兩種庫侖定律的教學設計比較
　　通過上面的兩個教學設計，我們可以看出：傳統的庫侖定律教學設計，只是采用一個實際上很難完成的實驗，在形式上片面探究靜電力F與距離r及電荷量q的定性關系，它與發現庫侖定律之間不產生內在的邏輯必然性，沒有給學生提供一個完整的邏輯思維鏈，也沒有啟發學生的思維和學習科學的探究方法，不知道庫侖發現庫侖定律的難點在哪里，最終學生只是記住了結論及公式并進行相關計算。而創設問題的庫侖定律教學設計，通過對七個創設問題的討論有一個完整邏輯思維鏈環環相扣，再現庫侖探究的邏輯思維過程和采用的科學方法，以及探究過程的難點和庫侖的創新之處。對不可能在課堂上進行探究實驗的物理規律，實現了以培養學生思維能力為核心，以提高學生探究能力為重點的目標。
　　
　　參考文獻：
　　［1］高中物理課程標準實驗教科書物理（選修3-1）［M］.廣州：廣東教育出版社，2004：5-7.
　　注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文