核心素養(yǎng)視域下的“激疑·對話·拓展”教學(xué)策略初探
——以人教版物理“庫侖定律”為例

葉副權(quán) 顧建新

(1. 泰興市第一高級中學(xué),江蘇 泰州 225400; 2. 泰興市教師發(fā)展中心，江蘇 泰州 225400)

20世紀(jì)以來,隨著新科技革命的挑戰(zhàn),諸多教育教學(xué)理論應(yīng)運(yùn)而生,如認(rèn)知-結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)理論、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論、最近發(fā)展區(qū)理論等,對當(dāng)代教學(xué)實(shí)踐產(chǎn)生了深刻的影響.新世紀(jì)以來,圍繞新課程改革,開展課堂教學(xué)模式與教學(xué)策略的研究更是蔚然成風(fēng),提煉出如“以學(xué)定教,以教導(dǎo)學(xué)”、“合作學(xué)習(xí)”等理論觀念.結(jié)合上述理論成就及多年的教育教學(xué)實(shí)踐,我校提出的“激疑·對話·拓展”課堂教學(xué)策略得以初步形成,它具有一定的校本特色,更具有突出學(xué)生主體地位的共性.此教學(xué)策略在教學(xué)環(huán)節(jié)的融合上,相互間關(guān)系如圖1所示.

圖1 實(shí)施“激疑·對話·拓展”策略的基本結(jié)構(gòu)

“激疑·對話·拓展”課堂教學(xué)策略突出了學(xué)生主體地位,在策略實(shí)施中又充分發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用,即“激疑,指導(dǎo)學(xué)生自主探究; 對話,誘導(dǎo)學(xué)生思維發(fā)展;拓展,引導(dǎo)學(xué)生深度質(zhì)疑”.

下面以高中物理人教版選修3-1第1章靜電場第2節(jié)庫侖定律設(shè)計與授課為例,例說“激疑·對話·拓展”課堂教學(xué)策略在物理教學(xué)中的應(yīng)用.

1 做好教材分析與學(xué)情分析,明確核心素養(yǎng)在章節(jié)內(nèi)容上的具體呈現(xiàn)

教學(xué)設(shè)計首先需要明確所教內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系與學(xué)科地位作好知識體系分析.本節(jié)庫侖定律,通過前面的學(xué)習(xí),學(xué)生已經(jīng)對電荷間作用力的方向有了初步的認(rèn)識.在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探究靜電力的規(guī)律.庫侖定律是一個實(shí)驗(yàn)探究性定律,即通過探究“影響電荷間相互作用的因素”發(fā)現(xiàn)并歸納出庫侖定律的基本內(nèi)容.庫侖定律在物理學(xué)中占有相當(dāng)重要的地位,不僅是牛頓引力理論的發(fā)展,高斯定理的有力支撐,也是電磁學(xué)發(fā)展史上人類提出的第一條定量定律,是學(xué)習(xí)電磁學(xué)知識的前提.

其次要對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況作一個認(rèn)知分析.作為高一下學(xué)期的高中生,學(xué)生已初步掌握了用實(shí)驗(yàn)探究物理規(guī)律的基本方法,并有較強(qiáng)的動手能力,具有較好的思考、質(zhì)疑、交流與合作的學(xué)習(xí)習(xí)慣.學(xué)生通過上一節(jié)“電荷及其守恒定律”的學(xué)習(xí),已經(jīng)知道自然界中的兩種電荷以及使物體帶電的方式,掌握了電荷守恒定律內(nèi)容及基本應(yīng)用.這些都為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作探究、解決問題的順利進(jìn)行奠定了良好的基礎(chǔ).

最后基于教材及學(xué)情的分析,科學(xué)界定本節(jié)教學(xué)目標(biāo)中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的具體呈現(xiàn).

物理觀點(diǎn):通過學(xué)習(xí),知道點(diǎn)電荷的概念,掌握庫侖定律,理解庫侖定律的含義及其公式表達(dá),知道靜電力常量.深化電荷間相互作用的基本認(rèn)識并會用庫侖定律的公式進(jìn)行有關(guān)的計算.

科學(xué)思維:通過點(diǎn)電荷模型的建構(gòu),發(fā)展學(xué)生抽象概括能力,通過回顧萬有引力定律猜想庫侖定律的表達(dá)形式,發(fā)展學(xué)生邏輯推理能力;通過對庫侖定律的定性猜想,掌握探究物理規(guī)律的一般方法即控制變量法;通過實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計、檢驗(yàn)與修正,發(fā)展學(xué)生科學(xué)論證,質(zhì)疑創(chuàng)新能力.

科學(xué)探究:通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生探究影響電荷間相互作用力的因素,總結(jié)出庫侖定律.引導(dǎo)學(xué)生“基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題,形成猜想和假設(shè),設(shè)計實(shí)驗(yàn)與制定方案,獲取和處理信息,基于證據(jù)得出結(jié)論作出解釋,以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力”,[1]提升學(xué)生科學(xué)探究意識與探究能力.通過展示讓學(xué)生知道庫侖扭秤的實(shí)驗(yàn)原理.感受物理學(xué)家?guī)靵隹茖W(xué)探究的思想方法;

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:通過將庫侖力與萬有引力的類比,使學(xué)生體會自然規(guī)律的多樣性與相似性.在教學(xué)活動組織中,通過合作學(xué)習(xí),培養(yǎng)學(xué)生共同探究和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神,引導(dǎo)學(xué)生在探究中遵守科學(xué)倫理,提升科學(xué)責(zé)任意識.

本節(jié)課在知識上的教學(xué)重點(diǎn)是庫侖定律內(nèi)容,教學(xué)的難點(diǎn)是對點(diǎn)電荷概念的理解.

2 應(yīng)用“激疑·對話·拓展”教學(xué)策略科學(xué)設(shè)計教學(xué)流程,結(jié)合課堂教學(xué)實(shí)際例說教學(xué)策略的實(shí)施

結(jié)合教材分析與學(xué)情分析,本節(jié)課的教學(xué)流程圖,如圖2所示.

圖2 庫侖力定律授課流程設(shè)計

2.1 規(guī)律探究階段主要有3塊組成,由觀察類比到定性分析再到定量分析

(1) 猜想影響庫侖力的因素及點(diǎn)電荷模型建立.

激疑:兩個帶電體之間的作用力到底和哪些因素有關(guān)?它們之間又有著怎樣的關(guān)系呢?[2]經(jīng)典電磁學(xué)認(rèn)為原子內(nèi)電子繞核作勻速圓周運(yùn)動,電子繞核運(yùn)動類似與我們曾經(jīng)學(xué)習(xí)過的哪個運(yùn)動?

對話(師生):通過兩個運(yùn)動的類比,我們猜想到影響庫侖力的因素有兩個,距離與電量.如果帶電體之間的距離比較遠(yuǎn),比它們自身大很多時,請同學(xué)思考一下,它們的大小和形狀及電荷的分布對所研究的相互作用力影響大嗎?此帶電體我們稱為“點(diǎn)電荷”,類似于力學(xué)中的“質(zhì)點(diǎn)”模型,請同學(xué)們類比“質(zhì)點(diǎn)”思考“點(diǎn)電荷”是怎樣的帶電體?[2]

圖3 庫侖力定律與萬有引力定律類比

拓展:請說給同桌聽一聽,有同學(xué)說“體積小的一定能看成點(diǎn)電荷,體積大的一定不能看成電點(diǎn)荷”,你贊同嗎?

設(shè)計意圖:通過類比思維的應(yīng)用,由電子繞核運(yùn)動與地球繞日運(yùn)動形式的相似,引導(dǎo)學(xué)生猜想受力情況的相似性及所受作用力的決定因素、定性關(guān)系的相似性.在點(diǎn)電荷模型的建立中類比思維又一次得到拓展,促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展.

(2) 通過將演示實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為探究實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生親歷探究庫侖定律的影響因素過程.

激疑(設(shè)計實(shí)驗(yàn)):研究一個量和多個量的關(guān)系時,我們通常采用什么方法?(控制變法).下面請同學(xué)們根據(jù)控制變量法的原理,在表1、表2中填寫與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的物理量.

表1 保持________不變

表2 保持________不變

對話(師生):我們每組領(lǐng)取到“一臺電荷間作用力演示器,一根橡膠棒,一塊毛皮,一只帶絕緣柄的金屬球, 刻度尺一把”,首先請同學(xué)們結(jié)合提供的儀器(圖4),思考一下儀器設(shè)計者是如何顯現(xiàn)盒內(nèi)小球受力大小的?假設(shè)小球所受作用力水平向右,你能否解出此力與細(xì)線偏角的關(guān)系?

圖4 探究電荷間的相互作用

圖5 受力分析

解:圖5為小球受力分析圖，小球處于平衡F=Gtanθ.

對話(師生):本實(shí)驗(yàn)中距離的改變較容易,只要在滑槽內(nèi)移動金屬球底座就行了,問題是電量這一塊,我們?nèi)绾潍@得電荷呢?(摩擦起電);如何讓小球帶電呢?(接觸起電);內(nèi)小球如何讓它帶電呢?(吸引后再接觸起電);又如何改變小球的帶電荷量呢?(拆分法,摩擦橡膠棒多接觸幾次增加小球帶電量).

拓展(親歷探究):通過剛才的操作方案的設(shè)計,下面請同學(xué)們分組實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證一下我們的猜想.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:兩電荷間的距離越大或電荷量越小,庫侖力越小.

拓展(觀察驗(yàn)證)課本上也提供了一種探究方案,我們共同觀看一下實(shí)驗(yàn)視頻,認(rèn)真體會控制變量法及靜電實(shí)驗(yàn)的操作技巧.

設(shè)計意圖:在學(xué)生猜想的基礎(chǔ)上,進(jìn)行定性探討,促進(jìn)了學(xué)生對物理規(guī)律意義的深刻理解、庫侖定律不僅是電磁學(xué)的基本定律,也是學(xué)習(xí)電磁學(xué)部分的前提.本實(shí)驗(yàn)更是引入電場概念的敲門磚,所以本節(jié)課讓學(xué)生親歷探究過程并通過觀察視頻驗(yàn)證,增強(qiáng)了對靜電知識的感知,對后繼電磁學(xué)知識的學(xué)習(xí)具有重要的意義,也是有效落實(shí)“科學(xué)探究”與“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的探索.

(3) 通過文本閱讀、觀察實(shí)物演示與視頻展示,師生共溯庫侖定律探究實(shí)驗(yàn).

激疑(科學(xué)猜想):請你結(jié)合萬有引力定律大膽猜想兩帶電體之間的相互作用力即庫侖力和它們之間的距離及所帶電量間具體的定量關(guān)系,是不是這樣的定量關(guān)系呢?我們上面的實(shí)驗(yàn)僅是定性的,并不能證實(shí)我們的猜想,這一科學(xué)問題的解決是由法國學(xué)者庫侖完成的.

對話(自主學(xué)習(xí)):現(xiàn)在讓我們回溯一下偉人的實(shí)驗(yàn)歷程,庫侖在研究過程中,發(fā)現(xiàn)兩帶電體之間的靜電力一般不太明顯,請根據(jù)以前所學(xué)的知識“幫助”庫侖思考一下,有沒有什么方法把力的效果放大一些?請對照庫侖扭秤“掛圖(PPT)”自主閱讀課本內(nèi)容,了解實(shí)驗(yàn)方法、原理與操作細(xì)節(jié),結(jié)束后請向同桌介紹一下庫侖扭秤測量的原理.

拓展(情境學(xué)習(xí))請大家觀看實(shí)驗(yàn)視頻再一次驗(yàn)證自己的理解.體會庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)的技巧,即小量放大的原理及電量確定的方法.

設(shè)計意圖:通過類比推理進(jìn)行庫侖定律表達(dá)式的猜想與假設(shè),參照萬有引力表達(dá)式進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證既是一種科學(xué)方法,更是對學(xué)生科學(xué)思維方式的培養(yǎng).由于庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)不便于作演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生實(shí)驗(yàn),但基于向?qū)W生提供真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境的思想,通過選用MOOC視頻庫中庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)錄相,為學(xué)生解決本實(shí)驗(yàn)中高度不確定性問題的探索提供資源支撐.庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)對檢驗(yàn)庫侖定律具有重要意義,引導(dǎo)學(xué)生回溯庫侖扭秤實(shí)驗(yàn),有利于促進(jìn)學(xué)生樹立求真、實(shí)證、創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度.[3]

2.2 課堂中的拓展訓(xùn)練,從選題到教學(xué)同樣可實(shí)施“激疑·對話·拓展”的教學(xué)策略

拓展1:請同學(xué)們體會一下微觀粒子間的萬有引力和庫侖力的異同.

例1.已知?dú)浜说馁|(zhì)量是1.67×10-27kg,電子的質(zhì)量是9.10×10-31kg,在氫原子內(nèi)它們之間的最短距離為5.3×10-11m.試比較氫原子中氫核與電子之間的庫侖力和萬有引力.(課本P8)[3]

小結(jié):使用庫侖定律計算時要用電荷量的絕對值代入,方向由“同斥異吸”確定,研究微觀粒子間的相互作用時,可以把萬有引力忽略.

激疑:我們由萬有引力定律類比發(fā)現(xiàn)了庫侖定律的表達(dá)式,那你能否類比庫侖力對萬有引力作幾點(diǎn)猜想.庫侖力有引力與斥力,但萬有引力只有相互吸引的力,沒有相互排斥的力,有沒有萬有斥力;電荷上有負(fù)電荷,物質(zhì)上有沒有負(fù)物質(zhì)呢?兩力的公式上如此相似,兩類力能不能進(jìn)行理論的統(tǒng)一呢?希望同學(xué)們多多努力,能為科學(xué)的發(fā)展作出貢獻(xiàn).

設(shè)計意圖:通過對電子和質(zhì)子間的靜電引力和萬有引力的深入比較,引導(dǎo)學(xué)生對兩力的異同進(jìn)一步認(rèn)識,在解題上得到準(zhǔn)確應(yīng)用,在科學(xué)興趣上得到激發(fā).通過“反類比”引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維與創(chuàng)新思維,引導(dǎo)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的探索,促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展.

拓展2:空間有多個點(diǎn)電荷時,怎樣求其中一個點(diǎn)電荷受到的力?

圖6 對第3個點(diǎn)電荷受力分析

例2.真空中有3個點(diǎn)電荷,它們固定在邊長50 cm的等邊三角形3個頂點(diǎn)上,每個點(diǎn)電荷所帶電量均為2×10-6C,求它們各自所受的庫侖力.[4]

激疑1.若q1與q2連線上有均勻分布的電荷，q3的受力方向是否改變？

激疑2.如果點(diǎn)電荷是受到均勻帶電球的作用,其受力方向又如何呢?此時公式中r如何確定呢?

設(shè)計意圖:深化對庫侖力的內(nèi)涵外延的認(rèn)識,使學(xué)生深刻理解靜電力同樣具有力的共性,遵循牛頓三定律,遵循力的平行四邊形定則.任何一個帶電體都可以看成是由許多點(diǎn)電荷組成的.任意兩點(diǎn)電荷之間的作用力都遵守庫侖定律.用矢量求和法則求合力.對復(fù)雜形狀的帶電體可利用微積分計算求出庫侖力.

結(jié)束前通過引導(dǎo)學(xué)生自我對話,實(shí)現(xiàn)對知識及方法的掌握與提煉,形成如下的認(rèn)識.

本節(jié)課,在科學(xué)猜想的基礎(chǔ)上,采用控制變量法探討帶電體之間的靜電力與它們攜帶的電荷量及它們兩者距離之間的關(guān)系.在探究過程中,學(xué)會了點(diǎn)電荷的理想模型.知道兩點(diǎn)電荷之間的相互作用力滿足庫侖定律,深刻體會到類比思想在我們?nèi)祟愄剿魑粗澜绲闹匾饔?感受到物理世界的和諧與魁麗.

設(shè)計意圖:讓學(xué)生真正感悟、體驗(yàn)到規(guī)律的來龍去脈,并讓學(xué)生帶著“問題”離開教室,有力激發(fā)學(xué)生對未知世界的興趣,投身科學(xué)研究的熱情與理想.

2.3 布置閱讀與練習(xí),在作業(yè)的設(shè)計思路上可滲透“激疑·對話·拓展”教學(xué)策略的原則

如本節(jié)課拓展內(nèi)容布置如下：

(1) 復(fù)習(xí)本節(jié)課文及閱讀科學(xué)漫步.

(2) 完成“問題與練習(xí)”,其中1、2、4做到作業(yè)本上.

(3) 登錄學(xué)校網(wǎng)站(http://www.txyg.com/)到學(xué)科平臺中物理組教學(xué)資源欄目,結(jié)合自己興趣閱讀下列文章.

① 廖洪忠.“萬有引力定律和庫侖定律類比研究”.物理教學(xué)，2009，36(06).17-20.

② 徐在新、錢振華 .“庫侖定律的精確度”物理教學(xué),2010，32(4).4-6.

設(shè)計意圖:拓展是學(xué)生學(xué)習(xí)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),它反映了教育價值的導(dǎo)向,是教育質(zhì)量提升的重要載體,本拓展遵循復(fù)習(xí)、鞏固、提升的原則,先行布置學(xué)生復(fù)習(xí)章節(jié)知識,自我內(nèi)化所學(xué)內(nèi)容.通過閱讀“科學(xué)漫步”擴(kuò)展學(xué)生視野,開拓認(rèn)知范圍.后通過“問題與練習(xí)”布置,引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí),形成解決問題的能力,最后為便于學(xué)生在“自我對話”中促進(jìn)其對問題的探索,盡力提供學(xué)生與專家對話的機(jī)會,將相關(guān)前沿論文通過學(xué)校網(wǎng)站呈現(xiàn),努力實(shí)現(xiàn)“分層教學(xué),因材施教”的教育理想.

3 優(yōu)化“激疑·對話·拓展”教學(xué)策略的實(shí)施,總結(jié)凝練策略的調(diào)控措施

“激疑·對話·拓展”教學(xué)策略,旨在通過課堂實(shí)踐,努力促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展,使學(xué)生正真成為學(xué)習(xí)者,提升物理核心素養(yǎng).為使教學(xué)過程最優(yōu)化,使核心素養(yǎng)的培養(yǎng)更充分有力,結(jié)合上課實(shí)踐體會提出3種調(diào)控措施.

3.1 激疑中適當(dāng)放慢學(xué)習(xí)過程

無論是科學(xué)思維還是創(chuàng)新思維的培養(yǎng)都需要充分思考的時間,適當(dāng)放慢學(xué)習(xí)過程,才能保障學(xué)生有時去思考、去發(fā)現(xiàn),去生疑,由疑生趣,使學(xué)生對問題本身產(chǎn)生興趣,促進(jìn)學(xué)生積極主動的學(xué)習(xí).本節(jié)課在組織學(xué)生利用“電荷間作用力演示器”半定性地探究庫侖定律的實(shí)驗(yàn)中,激發(fā)出了學(xué)生許多具體疑問,如在毛皮摩擦橡膠棒讓橡膠棒帶電的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中,摩擦?xí)r間的長短、摩擦與位置選擇、長度有無要求、方向是單向還是往復(fù)、摩擦前是否需要對毛皮干燥等,放慢學(xué)習(xí)過程,才能留下發(fā)現(xiàn)和提問的機(jī)會,促進(jìn)學(xué)生的積極思考和思維習(xí)慣的發(fā)展.

3.2 對話中適當(dāng)放寬教學(xué)范圍

學(xué)生提出的問題多種多樣,設(shè)計的方案不盡相同,也是學(xué)生思維發(fā)展的充分表現(xiàn),其中不泛有思維的火花與創(chuàng)新的起點(diǎn),我們當(dāng)盡力保護(hù),做好引導(dǎo)與解釋,激發(fā)學(xué)生因疑生趣的思維原點(diǎn).如本節(jié)課中,在理論上,萬有引力與庫侖力產(chǎn)生機(jī)理“相似性”的提問;實(shí)驗(yàn)中,讓橡膠棒上的電荷轉(zhuǎn)移到金屬球上與兩金屬球接觸起電操作上的不同;數(shù)學(xué)應(yīng)用中,采用矢量三角形與正交分解方法在解決電學(xué)中三力平衡中的優(yōu)選等,都要求教學(xué)不能完全拘泥于教學(xué)要求與大綱,更不能隨口吹滅思維的火苗.當(dāng)適當(dāng)放寬教學(xué)范圍,不唯教材,不唯大綱,以發(fā)展學(xué)生核心核素,關(guān)鍵能力為選擇標(biāo)準(zhǔn).

3.3 拓展中倡導(dǎo)深度學(xué)習(xí)的理念

思維能力是智力的核心,而思維的深刻性又是評價思維能力發(fā)展的重要指標(biāo),進(jìn)行物理學(xué)科的深度學(xué)習(xí)能有效促進(jìn)學(xué)生智力的發(fā)展,拓展應(yīng)貫穿在教學(xué)過程的始終,進(jìn)行逐層遞進(jìn)的問題設(shè)計,才能有助于課堂教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn).如建立了電荷間的相互作用即庫侖定律后,規(guī)律上,它與萬有引力的不同有哪些呢?如微觀世界里,相比與庫侖力,萬有引力對電荷的運(yùn)動狀態(tài)改變的影響為何可忽略不計?電荷有正負(fù)電性,物質(zhì)有沒有正負(fù)物質(zhì)性,你所定義的負(fù)物質(zhì)與反物質(zhì)、暗物質(zhì)的區(qū)別是什么?應(yīng)用上,如出現(xiàn)了第三個電荷,多個庫侖力的運(yùn)算規(guī)則是什么?受三力平衡是采用矢量三角形法還是正交分解的方法呢?更多點(diǎn)電荷或均勻帶電體對點(diǎn)電荷的作用,采用對稱法、割補(bǔ)法還是先微元后積分的方法呢?只有通過深度學(xué)習(xí),學(xué)生的思維能力,解決問題的能力才能得到充分發(fā)展,創(chuàng)新意識與能力才能得到培養(yǎng)與提升.

課堂時間是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的最寶貴的資源.如何最大限度的用于發(fā)展學(xué)生,促進(jìn)學(xué)生的核心素養(yǎng)的形成,是一個時代話題,也是新課程改革的一項(xiàng)重大任務(wù),作為一名普通高中物理教師,將永遠(yuǎn)走在課改的路上.