凸顯方法教育 培養核心素養
——以“庫侖定律”教學為例

(東北師范大學附屬中學，吉林 長春 130021)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》提出：要培養學生的核心素養，要求“高中物理課程注重體現物理學科的本質，從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等方面提煉學科育人價值，充分體現物理學科對提高學生核心素養的獨特作用，為學生終身發展、應對現代和未來社會發展的挑戰打下基礎。”[1]要達成上述目標，學生則需要能夠掌握物理知識與方法，能夠熟練運用方法，將物理研究的方法、思想遷移到新領域的學習、研究中。物理方法的掌握涉及物理知識、物理實驗、知識運用等諸多方面，教學中通過凸顯方法的教育，可以促進知識教學更高效、實驗效果更明顯、知識的應用更靈活，學生會覺得有興趣、有信心、愿意學、主動學。有了學習的主動性，才能保證學生真正掌握知識、習得方法，實現物理學科核心素養的提升。本文以“庫侖定律”教學為例，具體談談如何凸顯科學方法的教育。

1 基于學生已掌握的方法導入新課

學生學習新內容之前掌握了一些物理知識、方法，這是學生學習的起點。教師必須以此為基礎開展教學，這樣教學才有針對性，也才能滿足學生的學習需求。基于學生基礎的教學設計，貼近學生的“最近發展區”，學生的核心素養能更好地得到提升。

在學習“庫侖定律”之前學生已經掌握了定性探究的基本方法，掌握了控制變量法，教學設計應基于定性探究實驗和控制變量法導入新課，實驗裝置如圖1所示，可得到兩個電荷間相互作用力與電荷量的定性關系。然后引導學生思考：哪些因素會影響電荷間的相互作用？對作用力的大小有什么影響？

圖1

2 基于類比法的猜想

在科學探究中猜想是一種常用的重要科學方法，“有理有據的猜想可以讓科學探究少走彎路。教師恰當引導學生猜想，將學生興趣引導到被探究的問題上來，可以激發學生學習興趣，凝聚學生注意力。猜想從學生所熟悉的知識或事實出發，有利于降低問題難度，具有較好的可接受性。”[2]

通過對電荷間相互作用力的定性探究，得出“距離越大作用力越小，電荷量越大作用力越大”的結論后，學生憑直覺容易將電荷之間的相互作用力與必修2中學習的萬有引力建立聯系，猜想電荷之間的相互作用力是否與萬有引力相似？電荷間的作用力是否與電荷量的乘積成正比，與二者距離的平方成反比呢？通過類比萬有引力，猜想電荷間相互作用力的表達式，為后續庫侖定律的得出奠定基礎。

3 運用模型方法建構新模型

高中物理課程標準要求從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等四個方面培養學生的核心素養，為學生的長遠發展夯實基礎。其中“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。[1]模型建構是學習的難點，也是重點，只有順利建構模型，學生才能弄懂、弄通物理知識的邏輯聯系，才能靈活運用物理知識。在教學中，應該重視讓學生基于已有模型，運用模型方法建構新模型，這有利于拉近學習內容和學生之間的距離，讓學生感到親切、更愿意學習，激發學生的學習動機。

在“庫侖定律”的教學中，需要建構點電荷這一物理模型。由于點電荷與學生熟悉的質點在引入的目的、采用的科學方法、使用的條件等方面都高度相似，教學中可以通過復習質點、類比質點來建構點電荷這一理想化模型，從而降低學生的學習難度。

4 學習庫侖扭秤實驗的巧妙方法

物理教學必須以實驗為基礎，實驗能為學生學習提供符合其認知規律的環境；實驗能培養學生的興趣，激發學生的求知欲望；實驗是發展學生能力和使學生得到科學方法訓練的重要途徑；實驗有利于培養學生良好的道德素養和科學作風。[3]實驗往往蘊含豐富的科學思想和方法，通過實驗學生不僅可以獲取、理解知識，更能領悟物理思想，習得物理方法，提升核心素養。物理教學中應重視挖掘實驗的教育、教學功能，要凸顯實驗中的科學方法教育。

庫侖扭秤實驗是第一個定量研究電學規律的實驗，電學研究由此從定性進入定量。庫侖在實驗中遇到的三大困難為：沒有專門工具測量微弱靜電力、沒有規定電荷量單位和不清楚帶電體上電荷量分布、難以確定電荷間距離。為了解決這三大困難，庫侖設計了蘊含豐富科學研究方法的扭秤實驗。

4.1 控制變量法

在定量研究電荷間的作用力與電荷量、距離等關系時，采用控制變量法。先保持固定的球和可動的球所帶電荷量不變，改變距離，得到兩球作用力與二者距離間的關系；再保持兩球間距離不變，改變電荷量，得到二者相互作用力與電荷量的關系；最后，綜合上述得到的結論，得出定量研究結果。

4.2 轉化法

根據扭力定律，扭轉力矩與懸絲的扭轉角度成正比，與懸絲直徑的4次方成正比，與懸絲的長度成反比，將微小靜電力的測量轉化為對扭轉角度的測量，通過懸絲扭轉角度的大小來判斷扭力的大小。

4.3 均分電荷量法

4.4 放大法

為了測量微弱的庫侖力，利用杠桿原理，使較小的力通過較長的力臂產生較大的力矩，放大作用效果。

5 基于理想模型法的科學研究

理想模型是物理經常采用的一種科學研究方法，體現了抓住主要因素，忽略對研究對象、研究結果影響較小的次要因素的研究思想。在“庫侖定律”的教學中，點電荷模型的建構及適用條件凸顯了科學研究中抓住主要因素、忽略次要因素的研究方法。

6 運用已學方法解決新問題

學生在學習中總會遇到新問題、新情景，讓學生利用已經掌握的知識、已經學會的科學方法去分析、解決新問題是教學的重要任務。只有這樣學生才算是真正理解了物理學本質，才能夠實現知識的遷移，實現物理知識的融會貫通。

如果一個帶電體受到多個靜電力時，學生還會求其合力嗎？將靜電力與以前所學的重力、彈力、摩擦力等融合在一起，學生還能夠正確解決問題嗎？為此可以給學生呈現如下兩個練習題，訓練學生的思維，運用科學方法分析新情景、解決新問題。

練習題1：如圖2所示，點電荷Q1=+2×10-14C和Q2=-2×10-14C分別放置在A、B兩點，C是AB垂直平分線上的一個點，AB=AC=BC=6×10-2m。C點有一個電子，求它所受庫侖力的大小和方向。

圖2

練習題2：如圖3所示，絕緣細繩將質量3g的帶電小球B懸掛在鐵架臺上，將電荷量為Q=-4.0×10-6C的帶電球A靠近球B，兩帶電小球均可以看成點電荷。當兩個帶電小球在同一高度且相距r=20cm時，繩與豎直方向成α=30°夾角，A、B球均靜止，g取10m/s2，求B球所受的靜電力和電荷量q。

圖3

練習題1需在進行矢量運算時運用平行四邊形定則的一般方法。練習題2要求學生會用受力分析的方法；研究對象處于平衡態時，能根據其所受合力為零，列方程解決問題；分析物體的受力后，可采用正交分解法處理受力，列方程得出結果，對于受力個數為3時的平衡態，采用合成法更方便，作圖時要先確定其中兩個力的合力方向，并與第三個力相反。