库仑定律教学的高端备课＊

王 慧 邢红军

（首都师范大学物理系 北京 100048）

陈清梅

（北京中医药大学基础部 北京 100102）

“库仑定律”是现行人教版《高中物理·选修3－1》“静电场”一章的内容，作为电磁学的基本定律，它不仅是力学向电磁学过渡的桥梁，而且是整个电磁学的基石.但是到目前为止，对库仑定律的教学设计还存在诸多争议.有鉴于此，我们拟采用高端备课的方式，运用类比法深化对库仑定律的理解，以彰显物理教学的逻辑，促进物理课堂的有效教学.

1 传统教学设计存在的问题

查阅文献发现，有关库仑定律的教学设计基本都是以人教版教材为蓝本，将教学活动按顺序分为三个部分：

（1）通过实验探究影响电荷间相互作用的因素，得到的结论是电荷间的相互作用力随着电荷量的增大而增大，随着电荷间距离的增大而减小；

（2）直接给出库仑定律的内容，即：“真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上”；

（3）通过库仑扭秤实验得出库仑定律的表达式

笔者基于物理教学的逻辑和学生的认知规律，以高端的视角对库仑定律的教学进行了深入的剖析，结果发现，上述教学设计存在着“三个不符合”.

第一，教学顺序与教学的逻辑不符合.库仑定律理应是定性研究与定量研究的结果，而教材却把库仑定律的内容放在定性研究与定量研究之间，使得新知识的获得既不能承前亦不能启后，在定性实验之后直接给出库仑定律，很可能使学生产生错误认识，认为如果一个量随着另一个量的增大而增大就是正比关系，反之就是反比关系.

第二，教学内容与学生的认知水平不符合.在知识层面，库仑扭秤实验涉及到用扭丝的转角（库仑扭秤的主要工作部件）间接测量静电力变化的比值关系、涉及到扭力的概念和力矩平衡的知识，这些知识都远远超出了学生现有的认知水平.在技能层面，由于库仑扭秤结构上的复杂性和操作上的精确性，重演这个实验，需要介绍实验器材、分析实验原理、讲解操作方法，学生难以自主驾驭.而且教学实践表明，此实验很难获得想要的结果.

第三，探究实验与历史事实不符合.库仑定律得以完备精准描述，并不只是一个扭秤实验就能完成的，扭秤实验只能验证同号电荷间的相互作用力，而对异号电荷间的库仑力则是库仑通过电摆实验得出.因此，教材通过库仑扭秤实验就得到库仑定律是违背历史事实的.

究其原因，探究实验难辞其咎.由于实验本身的难度打乱了从定性到定量得出结论的逻辑思路，使知识获得的过程缺乏逻辑性，所以学生很难从整体上把握库仑定律的内涵.事实上，库仑定律的建立既是实验事实的总结，也是理论研究的成果.在物理课堂教学中，学生间接经验的获得未必非要重演科学家的实验，类比法同样是科学家在建立定律时应用的一种重要科学方法，教学中没有必要厚此薄彼.

鉴于此，本文尝试突破传统教学的局限，利用类比法使学生学习库仑定律.这样，既尊重了历史史实、减轻了学生的认知负荷，又为后续学习电磁学提供了方法模型.

2 库仑定律的高端备课

针对传统教学以“科学探究实验”为主的教学模式，我们以“显化科学方法”的方式展开“库仑定律”规律教学的高端备课，以期降低高二学生进入电磁学学习的门槛，搭建一座从力学向电磁学过渡的桥梁，使类比的思想逐渐渗透到学生的头脑中.本次高端备课主要分为以下三个阶段.

2.1 设计先行组织者 提供类比的可能

设计先行组织者，是奥苏贝尔提供的一种重要的教学策略，它是先于学习任务本身呈现的一种引导性材料，设计“组织者”的目的是增加新旧知识之间的可辨性，以促进类属性的学习［1］.

学生通过先前的学习，已经熟悉了天体的运动和万有引力定律，掌握了原子的结构、电荷和电荷量的概念，知道了电荷之间存在着相互作用力.本节采用类比法的关键是让学生领悟到新旧知识之间的联系，找出它们的共同属性.为了使新知识尽快纳入到学生已有的图式中，需要设计一个问题情境，即电子绕原子核运动的多媒体动画，由学生分析电子的运动情况和受力情况，经由这一分析，学生容易联想到行星绕太阳的运动.这样一来，就把学生的思维从陌生的微观粒子运动带到熟知的宏观天体运动的情境中，这一思维的过渡，能够激发学生的想象力，使类比推理顺利进行.

高端备课不同于教材编排，为了使教学更加符合逻辑，我们在定律建立之前就呈现静电力和点电荷两个概念，把它们作为“先行组织者”的一部分.这一处理，可以使学生在静电力和万有引力、点电荷和质点这两组类比对象中建立联系，增加类比的可行性.

2.2 从特殊到特殊 有效实施类比

在进行类比之前，首先向学生介绍类比法的定义.所谓类比法，就是根据两个对象之间在某些方面具有的相同或相似性，推论它们在其他方面也可能相同或相似的方法，它既是一种创新思维方法，又是一种形象思维方法，其思维过程是从特殊到特殊［2］.高端备课依据这一思维过程进行的类比推理如下图所示.（图1表示类比推理的思路，图2表示类比推理的具体过程）

图1 类比推理的思路

图2 类比推理的具体过程

如图2所示，从“运动的相似性”到“定律表达的相似性”，这一推理思路简单流畅，扬弃了复杂的实验验证，着眼于万有引力和库仑力之间的共同属性，契合了学生的认知水平.

对于行星绕太阳运动的规律学生已经耳熟能详，知道这是一个圆周运动的模型，并且万有引力提供向心力；而对于电子绕原子核的运动相对比较抽象，但是学生通过化学课和上节课的介绍，容易接受电子在核外绕核做圆周运动这一事实，知道电子绕核运动的规律，离核越远的电子受原子核束缚越小，即电子与原子核之间的作用力也是随着距离的增大而减小的，这一规律与万有引力有着惊人的相似.由动力学的知识可知，运动的相似性很可能是由于受力的相似性造成的.有了这一认知，就可以利用类比推理，仿照万有引力定律的内容，尝试表述电荷之间作用力遵从的规律.学生就能够顺利把万有引力定律的内容迁移过来，把定律中“物体”改为“电荷”、把“质量”改为“电荷量”，并且可以写出表达式

这样，库仑定律的雏形基本形成.

显然，学生不可能想到把比例系数直接写成k，也不可能把定律使用条件直接限制在“真空、静止、点电荷”，也就是类比的结果会与定律本身有出入，但这并不影响本节课的教学效果，反而为讲清库仑定律的外延埋下伏笔.类比推理通过分析共性已经使学生理解了库仑定律的内涵，即：库仑力的大小满足平方反比律，且与带电体的电荷量有关.接下来通过分析上述差异，使学生了解库仑定律的适用条件，即讲清公式的外延.这样，通过类比推理，求同存异，一个完整的库仑定律就建立起来，“真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上.即：F＝

2.3 渗透物理学史 验证类比结果

库仑定律的建立是集多位科学家的分析研究成果于一体，最后由库仑通过扭秤实验和电摆实验确认得出.因此，高端备课并不能止步于库仑定律的顺利得出，库仑所做的验证实验也应该是本节的教学内容之一.

由于库仑扭秤实验和电摆实验所涉及的知识和技能均超出了学生现有的水平，单独介绍实验会使得教学枯燥乏味，所以，通过与学生一起回顾库仑定律发现前后科学家所做的工作和成就，一方面可以让学生了解库仑定律建立的背景及其过程，使学生的思维和科学家的思维产生共鸣，体会类比法的成功.另一方面可以增加学生的好奇心和求知欲，为下一步介绍验证实验做铺垫.

介绍库仑的实验时应该重点突出两点：第一，库仑扭秤实验只能验证同号电荷间的库仑力满足平方反比关系，对于异号电荷间库仑力的特点则是库仑类比单摆实验设计了一个电摆得出的.第二，库仑当年实验时，还不知道怎样测量物体所带的电荷量，甚至连电荷量的单位都没有.根据电荷守恒定律，两个相同金属球接触后电荷量将等量分配，可确定两金属球带电荷量变化的比值关系.

这样，通过物理学史的渗透，正本清源，旨在引起学生情感上的共鸣，使学生不仅仅增长了知识，而且对类比法有了深入的了解，并有利于“情感、态度、价值观”的升华.

3 高端备课的启示

总结以上高端备课的过程，可以得到以下几点启示.

3.1 高端备课应力求体现物理教学的逻辑性

教学的逻辑与思维的逻辑是一致的，知识本身的逻辑体系是影响教学效果的重要因素.传统教学设计受探究实验的限制，使教学存在明显的逻辑缺陷，不利于间接经验的有效获得.高端备课直接采用类比法，以“类比的可能→类比的实施→类比的验证”这样一条逻辑路线展开，脉络清晰、目标明确，使每一个教学步骤都处在学生的“最近发展区”里，既不低估，也不逾越，真正体现了循序渐进的教学原则.这样的教学设计，借助科学方法表达了物理教学的逻辑性，由浅入深，由已知到未知，引导学生大胆推测，有利于激发学生探索意向、培养学生的逻辑思维能力.

3.2 高端备课应注重科学方法的显性教育

物理学是一门具有方法论性质的科学.物理教学中不仅要教给学生基本概念和规律，更重要的是要教给学生学习物理的研究方法.而我国物理教材的编写上则表现为对知识点的逻辑体系采用显处理，而对物理知识的内在关系和物理方法，采用隐处理，即不在课本中写明，而是让学生自己去领悟，这是明显偏离物理教育培养目标的［4］.由于本章以及整个电磁学知识的抽象性，后续学习用到类比法的频次较多，显化这一科学方法就显得尤为重要.然而教材对科学方法采用了隐处理的方式，着重笔墨介绍了验证实验，这样不利于知识的获得.高端备课依据类比法的思维过程逐步展开，前承牛顿力学，使学生对万有引力定律的认识得以升华；后启电磁学，为之后电场、磁场中抽象概念的学习提供了方法模型.

3.3 高端备课应促进课堂教学有效性的提高

有效教学是指教师遵循教学活动的客观规律，以尽可能少的时间、精力和物力投入，取得尽可能多的教学效果，从而实现特定的教学目标，满足社会和个人的教育价值需求.新课改倡导以“科学探究”为主的课堂教学模式，而忽视了课堂教学有效性的提高.库仑定律的教学设计大多侧重于“探究实验”，目的是为了通过探究活动发现基本的原理，像科学家那样思考问题.但是由于实验条件和学生知识水平的限制，有些实验并不适合探究.如果在教学中一味追求形式，片面强调学生的主体作用，不仅浪费时间，而且问题并不能得到有效解决.高端备课运用类比法使新旧知识进行了有意义同化，突破了物理规律教学难点，从而有利于物理课堂教学有效性的提高.

1 陈琦，刘儒德.当代教育心理学.北京：北京师范大学出版社，2007.171

2 巨朝军.类比推理微探.齐鲁学刊，1999（4）

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

4 乔际平，邢红军.物理教育心理学.南宁：广西教育出版社，2002.96～97