库仑定律的教学——注重三维目标的具体落实，本文主要内容关键词为：库仑定律论文,注重论文,目标论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
我以“库仑定律”的公开课于2006年10月参加了第七届全国青年物理教师大奖赛，这一次的经历，使我对三维目标的落实有了深切的体会。
一、三维目标的分析制定应合理适切
要上好一节课，教学目标的制定是基础，学生已有的知识、已经掌握的方法有哪些，在此基础上，这节课又必须达到怎样的目标，根据教学大纲及学生的实际情况，教师必须认真思考、准确定位。
这次大赛，我之所以选择“库仑定律”这个内容，主要是因为这节课能体现的知识层面很多，库仑定律是电学学习的第一个定量规律，是学习其他静电学知识的基础，除了电学中一些基本物理量的引出，静电力大小定量规律的推导外，实验上有大型的演示实验及其他一些静电小实验的配合，科学方法上有类比法、控制变量法、图像法等，情感上也能丰富地体现科学探索之路的不易，连教学亮点也能轻易地找出两三个。想要上得不精彩还不那么容易呢。可是精心设计及全面准备的第一次试讲却与预想的大相径庭，课堂上还时不时地出现“答非所问”的现象，甚至拖堂超过十多分钟。
第一次的失败原因显而易见：层层突出反而淹没了重点，事事求新更是没有了亮点，老师只以自己的思路来教，学生便会吃力地摸索着这个思路来学，对于老师的提问，学生往往不能全面地思考，而是在猜测老师需要得到的是怎样的答案，这对学生无疑是一种折磨。新的课程目标的根本是为了学生，我们千万不能为了体现教师个人的水平而将目标定得太高，也不能为了追求学科体系自身的完备而刻意强调面面俱到，其实这样非但达不到预期的效果，反而只会让大多数的学生害怕物理，失去对物理的兴趣。要适应现代社会的需求，新的课程目标不仅要消除学生被动接受知识，而且要促进学生积极探索的精神。
重新定位后，留给学生的难点只剩下分析在电荷量一定的条件下，静电力的大小与距离之间的定量关系。舍弃了原本作为亮点之一的大型实验，静电力大小与两小球电荷量之间的定量关系也只做了简单介绍，整节课将类比的科学方法突出为重点，贯穿始终，让学生从根本上明白为什么要类比；如何进行类比及类比的优点。同时，也利用了简单的自制实验（见附录二）使学生从真正意义上体会到科学家库仑制作的库仑扭秤的精髓，体验科学探索的坎坷之路。
二、三维目标是相辅相成、协调统一的
老教材中对“库仑定律”这部分内容的处理是先得到静电力的规律，然后与万有引力进行比较，使学生认识类比的方法，倘若要加上第三维情感目标的话，便还要回头去回顾历史，这便生硬地将三维目标给分割开了。
于是，我改变了传统的教法，设计了情景，使学生通过氢原子核外电子绕核旋转与天体运动的相似，认识到由于运动的相似，这两种力的其他特性也可能是相似的，让学生猜测电力可能的数学表达式；在验证时同样运用类比，使学生认识扭秤——一种可以将微小力的作用效果放大的装置；得出结论后，再次运用类比，让学生讨论静电力与万有引力的相似之处，以加强类比的概念；最后，通过历史回顾告诉学生：历史上在库仑定律的研究过程中，类比法所起到的重要作用，对学生加以情感教育。这样的设计，本以为将类比的方法贯穿始终，整堂课会非常流畅，学生也很快地会掌握类比法并能加以运用。试讲后，虽没有明显的问题，但总有一种“赶火车”的感觉，而且探究的味道也不浓。课后专家指导我问题出在我没能真正将三维目标协调统一起来，因此上课才会显得有些“赶”。想到这儿，我似乎找到了症结所在。我苦思冥想设计的情景引入——氢原子核外电子绕核旋转与天体运动的相似，仍是我“灌输”给学生的类比思路，并不能真正意义上地让学生体会类比的方法，除了引入上有所创新外，剩余的仍是走老路，仍是将三维目标分成三个部分的传统行为。其实完全可以让学生通过一些科学探究的基本过程，来认识类比的科学方法，从而研究静电力的规律，同时领略科学家以坚忍不拔的毅力完成科学研究的艰辛，感悟科学研究的长期性、连续性和艰巨性。于是，我再次修改了教学方案：点拨学生联想静电力与万有引力的产生都不需要直接接触；除此之外，让同学们讨论，寻找这两种力一些其他相似的特性。这次讨论的效果相当好，这两种力都随着距离的增大而减小，随着质量或电荷量的增加而增大，甚至有同学提到这两种力所研究的物理模型也是相似的，都是忽略本身大小、形状的理想化物理模型。有了如此深刻的认识，类比法的引出才顺理成章，同学们也真正明白为何会作出这样的猜测，接着又该如何运用类比的思想来研究静电力的规律，历史的回顾基本上便是同学们的探索之路，整堂课一气呵成。
三、三维目标的落实切忌华而不实
对于“库仑定律”这节课，难教的是实验的问题。静电的实验本来就难做，若想在课堂上定量测量两点电荷间的静电力，来探索静电力与两点电荷的电荷量和相互间距离的关系，更是难上加难。少了实验的支撑，这节物理课一定会变得空洞而乏味，避重就轻。于是，我开始设计的教学的亮点是个可定量测量库仑力大小的大型实验，而难点则是让同学们根据实验测得的数据去进行分析。
高二的学生对实验数据的处理已具备一定的能力，经过短暂的讨论，同学们马上利用计算法与图像法得到了定量规律。可是试讲后，学生来找我咨询库仑扭秤装置的结构及实验原理，这个现象引起了我的注意，我自认为对实验装置介绍得非常清楚，可学生为何听不明白呢？换个角度站在学生的立场上，这套实验装置太复杂了。于是，我加强了对库仑扭秤装置的介绍，并利用金属丝悬挂小木棒，转过一定角度后看小木棒回转的情况，使学生了解金属丝的扭力大小会随着扭转角度的增加而增大。作了修改后，问题没有解决，数据处理的部分依旧顺利，可对于实验装置的介绍部分，大多数学生仍一脸茫然，金属丝悬挂小木棒的演示实验效果也不那么理想。
静下心来仔细想想，其实这个实验仅仅是用现代化手段提高了测量数据的精确度而已，我既然已经知道学生对于数据处理并不感到陌生，问题出在这个复杂的库仑扭秤上，而且我的这个大型实验除了不具备普遍性不说，更是无法体现库仑的思想及库仑扭秤的精华。要让学生知其然，并且知其所以然，看来我的设计有必要做一次彻底的转变，要实现这种转变，则必须忍痛舍弃原本被我视为亮点的定量实验。掉转枪口，在课堂上我首先指出了当时实验所面临的两大难题——无法直接测量静电力（非常小）；无法测量电荷量。针对难题，介绍库仑的创新思维和精妙的实验方法：不采用精确测量各物理量的具体大小，而采用比值的方法确定各相关物理量之间的定量关系。具体为：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；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量变化的比值关系。在这个过程中，扭力是学生从来没有接触过的，而金属丝的扭力与扭转角度成正比的关系又是实验原理的关键，为了帮助学生攻克这个难点，在介绍库仑扭秤的工作原理时，首先通过小实验让学生感受塑料胶棒的扭力随扭转的角度增大而增大，然后应用数字化信息系统中的力传感器进行实验，定量得出塑胶棒扭转时的扭力与塑胶棒扭转的角度成正比；最后通过库仑扭秤（实物）操作演示、动画等形式，展示库仑扭秤的基本原理与操作方法，使学生对库仑当时的研究有所认识，从而达到突破难点的目的。这样，既让学生也能领会库仑这位杰出的物理学家的精妙思想，又体验了科学发展的艰辛。
通常认为在公开课上只要有创意，有新意，有夺人眼球的噱头，便是一节成功的公开课，这就是犯了三维目标在具体落实上的华而不实。老师的“表演”固然重要，但学生才是课堂的主体，要让学生能真正达到教师制定的三维目标，除了认真备课外，分析学生也必不可少，针对学生的实际情况，教师必须反复推敲，采用合理而有效的教学方法，在此基础上，倘若再能有所创新与突破，才能称得上是锦上添花。
附录一 库仑定律教学设计
一、教学目标
1.知识与技能
(1)知道点电荷的概念。
(2)理解真空中的库仑定律，知道静电力恒量。
(3)根据探究实验目的，学会观察、实验数据分析、归纳得出结论等物理学基本方法。
2.过程与方法
(1)通过库仑定律与万有引力定律的比较，认识“类比”的科学方法。
(2)通过探究库仑定律的过程，感受提出假设、实验验证、得出结论等科学探究的基本过程，认识研究物理规律的一般方法。
3.情感、态度与价值观
通过库仑定律发现过程的介绍，领略科学家以坚忍不拔的毅力完成科学研究的艰辛，感悟科学研究的长期性、连续性和艰巨性。
二、教学重点和难点
重点：应用类比的方法推测出静电力的数学表达式。
难点：分析在电荷量一定的条件下，静电力的大小与距离之间的定量关系。
三、教学资源
1.物理实验：
(1)演示实验：起电机、金属小球、验电羽、通草球、库仑扭秤、数字化信息系统实验器材（包括：力传感器、电脑、数据采集器等）。(2)学生实验：塑胶棒
2.信息化平台：PPT、多媒体动画。
四、教学设计思路
本设计的基本思路是：通过复习静电的基本知识，并通过电荷间存在静电力的作用的事实，引导学生定性猜测静电力的大小与哪些因素有关，通过比较静电力与万有引力之间存在某些相似点，应用类比的方法猜测静电力大小的数学表达形式，通过回顾库仑对静电力的研究历史，并应用库仑当年实验所得到的数据进行分析，归纳得出库仑定律。
五、教学流程
1.教学流程图（见图1）
2.教学流程的说明
活动Ⅰ 演示起电机使静电羽张开
回顾已学过的一些电学知识：电荷量，电荷守恒定律，电荷与电荷间力的相互作用。
问题Ⅰ 设问1
通过设问：影响静电力大小的因素可能有哪些？在学生猜测的基础上，归纳出影响静电力大小的因素。适时建立点电荷的模型。
活动Ⅱ 实验演示
通过带电金属小球使悬挂的通草球悬绳偏离竖直方向，定性验证影响静电力大小的因素。
问题Ⅱ 设问2
图1
猜测静电力大小与两金属小球所带电荷量以及两小球距离之间的定量关系。适时建立应用点电荷的模型。
根据类比，由万有引力与静电力的相似之处，推测这两种力的其他特性也可能相似，由此猜测静电力数学表达式。
活动Ⅲ 自制模型，库仑扭秤实验
通过数字化信息系统中的力传感器进行实验，得出塑胶棒扭转时的扭力随转过角度增加而增大，并成正比关系。
通过实验和动画，介绍库仑扭秤装置结构及工作原理。
回顾库仑对静电力的研究历史，并根据库仑当时得到的三组实验数据，分析在电荷量一定的条件下，静电力的大小跟距离的平方成反比。
问题Ⅲ 设问3
在电荷量无法测量的情况下，根据电荷守恒定律如何按比例地改变小球所带电荷量？
介绍库仑如何通过实验，得出在距离一定的条件下，静电力与两金属小球所带电荷量的乘积成正比的结论。
问题Ⅳ 问题
如何用文字描述静电力与两金属小球所带电荷量以及两小球距离之间的定量关系。归纳得出库仑定律，介绍静电力恒量。
活动Ⅳ 应用比较在微观粒子间静电力与万有引力的大小关系。
3.教学的主要环节，本设计可分为四个主要的教学环节
第一环节，通过演示实验，启发学生回顾电学基本知识。
第二环节，猜测影响静电力大小的因素，建立点电荷的概念，并通过演示实验验证。
第三环节，运用类比的思想，根据万有引力的表达式推测静电力可能的数学表达式，通过回顾库仑对静电力的研究历史，并应用库仑当时实验所得到的数据加以验证。总结得出库仑定律。
第四环节，通过比较微观粒子间静电力与万有引力的大小关系，学会应用库仑定律计算静电力的方法，同时了解在微观领域中可忽略万有引力影响的原因。
4.作业布置
(1)进一步比较静电力与万有引力的相似与不同之处，完成表格。(2)教材P14第1题，第4题。
附录二 自主实验
下表是当年库仑给出的实验，是扭丝的扭转角θ与两个带电体之间的距离r的关系。
两球间隔r 悬丝扭角θ
第一次 36个刻度 36度
第二次 18个刻度 144度
第三次 8.5个刻度 575.5度
如表所示，能够从表中数据得到的规律是：扭丝的扭转角θ与两个带电体之间的距离r的平方成反比例的关系。那么，如何使学生理解“扭丝的扭转角θ与使扭丝扭转的力F成正比”成为这一方案的瓶颈。为了使学生更好的体验扭丝的扭转角θ与使扭丝扭转的力F成正比的规律，我们设计如下实验。首先，让每位学生用手体验一下：使一根塑胶棒扭转需要力，而且所用力的大小随扭转的角度增大而增大。然后应用数字化信息系统中的力传感器，定量测出使塑胶棒扭转的扭力与塑胶棒扭转的扭转角θ成正比例的关系，取得了良好的效果。
本节课在第七届全国青年物理教师教学大赛中获奖，本实验也是此教学方案中的一个亮点。
一、实验设备制作方法如下（见图2）
1.取一段能适当扭转的塑胶棒，我们采用的是市场上常见的胶水棒（即受热会熔化、并能作为胶水使用的塑胶棒）。在塑胶棒的两端加上紧固件，使它的两端能安装转动把手、定位杆等。
图2
2.利用铁架台固定使塑胶棒只能定轴转动的限位孔、力传感器、量角器和定位器。使塑胶棒与力传感器接触的一端，在力传感器和定位器的共同作用下处于静止状态。力传感器上采集到的数据为塑胶棒所受扭力的一部分，与塑胶棒所受扭力合力成正比。
3.使塑胶棒的另一端能自由转动，并在塑胶棒的转动把手上安装转角指针，使之能较准确地测出塑胶棒被扭转的角度（如图2所示）。
二、实验时注意事项
1.塑胶棒的一端不能自由转动是由于力传态器和定位器的共同作用，塑胶棒与限位孔之间是不固定的。如果实验中塑胶棒与限位孔之间存在较大摩擦或这一端发生移位，将对实验结果产生较大的影响。
2.实验中塑胶棒扭转的角度不宜过大，过大时由于种种原因将影响实验数据准确性。
3.实验中塑胶棒与限位孔之间可能存在摩擦，在操作时应缓慢定向扭转塑胶棒，避免摩擦力对实验数据产生影响。
在此实验的基础上，将库仑原始数据的表格略作修改如下：
两球间隔r 距离之比 悬丝扭角θ
静电力之比
第一次36个刻度4
36度1
第二次18个刻度2
144度
4
第三次8.5个刻度 0.94 575.5度 16
由于学生已有静电力与悬丝扭角成正比的认识，所以他们自然地得出了静电力与距离之间的定量关系。