基于物理科學思維核心素養的“水平級”教學實踐研究與思考
——以“庫侖定律”教學設計為例

黨強強

(江蘇省前黃高級中學, 江蘇 常州 213000)

優秀的教學設計能為學生創造自主學習的環境,促使學生發揮主體作用,引導學生積極參與到教學過程中來,激發學習的求知欲,提高教學效率,解決學生關于“教了,不等于學了;學了,不等于學會了”的困境．

物理核心素養是學生在接受物理教育過程中,逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力,是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質,是學生科學素養的關鍵成分．物理學科核心素養下的物理學科科學思維是重要的組成部分．

本文基于物理科學思維核心素養的“水平級”教學實踐研究與思考,通過“庫侖定律”教學設計展開,著眼于物理核心素養下的物理科學思維．教學環節及評價體系采用依據知識難易程度、學生的領悟能力、知識儲備情況進行采用“水平分級”的方法,使得不同層級的學生,能夠在最短的時間內掌握相符合層級的知識點．具體實施方案:(1) 從知識點、能力項到水平級,將物理科學思維核心素養轉化為清晰的教學目標; (2) 關注學生的經歷,依據不同層級的學生,進行教學設計; (3) 強調深度學習,開展過程性和表現型評價,并完成相應的教學成果評估,極大地提高課堂教學效率．

1 “庫侖定律”的整體設計思路

關于電學知識,學生在初中已經有了一定基礎,只是停留在認識的層次上,僅僅知道電荷之間的相互作用力“同性相斥、異性相吸”.高中階段學習,加大了思維強度,要注意知識的深化和科學研究方法、情感態度的教育,讓學生對電荷之間的作用力有更深的理解．

庫侖定律這節課的設計銜接初中、高中的相關知識點,符合學生由形象思維向抽象思維轉變的過渡階段．本文關于庫侖定律的教學設計注重發揮學生的主體性,積極引導思想方法的理解與應用,整體教學環節井然有序．

筆者設計了吸管吸水、球體運動、紙屑飛出等小實驗為課堂引入,既激發了學生的興趣,也為庫侖力的提出做了鋪墊.本節課重在思想探究、庫侖定律的得出.筆者以學生猜想的形式開場,利用實驗定性探究,整堂課貫穿著理想實驗思想和堅持真理、不迷信權威的科學態度的熏陶．最后回歸課堂,解釋引入視頻,并從思想上引領學生學會學習．

2 凸顯核心素養的教學過程

2.1 巧設環境,精彩引入

教師:請同學們觀看視頻(簡短小視頻)．

視頻內容:電學引入實驗如圖1所示，塑料吸管靠近細細的水流,發現水流由豎直狀態變彎曲;當人將手靠近乒乓球,乒乓球會自主發生運動;當手張開時碎屑會向四面八方飛出;視頻播放過程中,引導學生思考其中的奧妙,并通過本節課的學習,讓學生最后對實驗給予解釋．

視頻播放結束,教師給予總結:結合學生的回答,給出相應的概念,電荷間的這種相互作用力叫庫侖力,遵循的規律為庫侖定律．

(a)

(b)

(c)

2.2 開拓思維、類比猜想

通過觀察引入實驗,學生結合前概念、生活經驗、學過的知識總結出帶電粒子間有庫侖力,那么庫侖力與哪些因素有關呢？可以積極引導學生進行類比猜想,學生猜想的結果以及猜想的思維方法會一直貫穿于整個教學環節．

教師提問:庫侖力和哪些因素有關,并解釋提出這樣猜想的原因?

學生回答:電荷間距離、質量、電荷量、體積、溫度、濕度等等．

教師解釋:變量越多實驗探究過程越復雜,我們可以采用相對簡單的模型,突出重要因素,忽略次要因素.

教師提問:怎么忽略“溫度、濕度”的影響?

學生回答:真空當中．

教師提問:怎么忽略“體積”的影響?

學生回答:看成帶電的 “質點”.

教師總結:本節課我們主要來研究力與電荷量、距離之間的關系．

2.3 模型初建、實驗探究

本環節主要是初步探究庫侖定律,通過實驗探究,讓學生觀察,定性地總結力與哪些重要因素有關系,并且猜想有著怎樣的規律?

2.3.1 模型建立

實驗采用的實驗儀器:起電機(解釋原理),連接絕緣繩的輕質小球(解釋構造),透明面板(觀察小球的偏轉),標志物(定位小球具體位置)．

教師提問:當起電機給大球帶電,猜想小球會如何運動?(起電機演示實驗如圖2所示)

圖2 圖3

學生回答:小球先被吸引到大球,接觸之后馬上排開．

教師提問:小球被排開說明受到力,如何判斷力的大小呢?

學生回答:根據小球的偏轉角度判斷,角度越大,受力越大．(小球受力模型如圖3所示)

2.3.2 定性實驗探究

教師提問:根據上述實驗儀器以及建立的模型,請同學們思考,接下來應該如何進行實驗探究?

學生回答:探究庫侖力與兩個物理量直接的相互作用,可以通過控制變量法,分別控制電荷量不變,改變距離;控制距離不變,改變電荷量來進行實驗探究．

教師提問,如何實現上述控制變量的實驗,怎樣設計你的實驗過程呢?

教師總結: (1) 控制電荷量不變,改變距離:利用起電機給大球和小球分別帶電后斷開,則兩球的電荷量不變,此時小球偏轉一定角度α1,用定位標記定位為距離r1,移動小球到距離r2處,小球偏轉角度為α2.

(2) 控制距離不變,改變電荷量:利用起電機給大球和小球分別帶電后斷開,則兩球的電荷量不變,此時小球偏轉一定角度α1,用定位標記定位為距離r1,利用不帶電的小球(與帶電小球完全一樣)改變帶電小球的電荷,小球偏轉角度為α2,繼續移動小球位置,使得兩球之間距離為r1,觀察小球偏轉角度為α3．

教師提問:在當時電荷的定義尚不清楚,如何能夠得到定量的電荷呢,也就是說,上述實驗過程中,采用與帶電小球完全相同的小球的目的是什么?

學生思考: ……

圖4

教師解釋:根據守恒思想和對稱思想得到,將兩個相同的小球接觸,電荷量會平均分配(電荷量均分模型如圖4所示)．解釋原因．

給學生一定時間思考并展開討論.

教師提問:通過觀察上述實驗,并且展開猜想,力與電量和距離有什么樣具體的 “定量關系”呢?

學生回答:通過觀察對比上述實驗,不難發現:

(1) 距離相同時,小球帶電荷量越大,偏角越大,力越大;帶電荷量越小,力越小．

(2) 帶電荷量相同時,距離越近,偏角越大,力越大;距離越遠,力越小．

教師提問:在探究影響庫侖力因素時,本實驗有什么優點和缺點?為什么庫侖不采用這種實驗進行定量研究?

學生回答:實驗并沒有排除外界環境的影響,并沒有采用實驗開始時候的模型簡化．

教師總結:引入“庫侖扭秤”實驗(如圖5—圖7所示),并講述庫侖扭稱的使用原理．

圖5 圖6

圖7

2.3.3 探究影響電荷間相互作用力的因素

教師提問:通過上面的結論,能不能思考以前學過的知識,并且通過類比的方法猜想F與Q、r有什么具體定量關系?

學生回答:類比萬有引力定律,電荷間作用力應和萬有引力一樣具有“平方反比” 規律.

教師介紹庫侖扭稱實驗,如何實驗 “定量”探究,由于庫侖扭秤比較難以理解,教師類比生活中的“擰毛巾”過程,介紹扭稱的工作原理,并且播放簡短視頻,便于學生更好的理解．

2.3.4 規律的多樣性與統一性

通過對比總結:規律的多樣性與統一性,我們要用多樣性和統一性的眼光看待我們的世界．

2.4 庫侖定律的應用

例1.試比較電子和質子間的靜電引力和萬有引力.已知電子的質量m1=9.10×10-31kg,質子的質量m2=1.67×10-27kg.電子和質子的電荷量都是1.60×10-19C.

圖8

例2.如圖8所示，真空中有3個點電荷,它們固定在邊長為50cm的等邊三角形的三個頂點上,每個點電荷都是×10-6C,求它們所受的庫侖力.

2.5 課堂小結

教師提問:通過本節課的學習,你學到了哪些知識?

學生回答:

(1) 知識點的總結．

(2) 思想方法的滲透、科學思維、科學態度的培養．

3 “水平級”教學成果評估

“庫侖定律”這節課靈活運用教學設計,采用精心設計的學案,課程遵循高中學生的思維習慣,整堂課教學、學習、評價圍繞著課程目標展開．

教與學環節:通過設計問題及合適的教學方法,符合不同水平級學生對知識的理解過程．精心的教學設計,激發了學生的學習熱情,提高學生的自主學習能力,創新能力.

教與評環節:通過知識點的講解,結合學案,基本達到“所教即所學”,利用相應的教學方法,將本節課的重難點清晰地給予講解,讓學生從本質上理解問題．例如,讓學生總結所學內容,結合學生的回答,巧設問題,引導學生學到知識并且學會應用知識.

學與評環節:通過學案的有效的分級、教學環節中問題難度的分級,做出最有效的評價.例如,對于“電荷平分”知識點的理解屬于A水平級,給物理理解能力比較強的學生解答;對于“類比思想”的應用屬于C水平級,則要求所有學生都可以解答等．

總之,本節課教學設計,“教-學-評”始終嚴格遵守教學目標,對于水平級分層的方法,效果也很明顯,學案設計在評價體系中也恰到好處,彰顯了課程的完整性．

4 結語

有效的教學設計與教師的課程素養與評價素養息息相關.教師在教學設計時必須源于教材,基于教學目標,以學生為主體,重視教學過程及評價方式方法,讓學生的學習具有可持續性．在教學設計和學案設計中,對知識點和學生進行初步的“水平分級”,選擇和組織最合適的教學方式以及評價方式,通過對知識點和學生水平分級,在最短的時間內提高整堂課的教學設計效率,也是物理學科核心素養的基本要求,真正做到“因材施教”．