呂有功

（江蘇省沙溪高級(jí)中學(xué)，江蘇 太倉 215411）

采用類比教學(xué)減輕學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷的探索
——以“庫侖定律”的教學(xué)為例

呂有功

（江蘇省沙溪高級(jí)中學(xué)，江蘇 太倉 215411）

類比法是科學(xué)家在建立定律時(shí)應(yīng)用的一種重要科學(xué)方法。根據(jù)著名心理學(xué)家維果茨基根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出“最近發(fā)展區(qū)”理論，采用類比法教學(xué)，既可以減輕減輕學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷，又可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

類比；認(rèn)知負(fù)荷；庫侖定律

依據(jù)最近發(fā)展區(qū)理論，在“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)進(jìn)行的教學(xué)是促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的最佳時(shí)機(jī)。然而在有些課堂教學(xué)中，教師往往沒有找準(zhǔn)最近發(fā)展區(qū)，教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的認(rèn)知水平不符合，既增加了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，又不能取得很好的教學(xué)效果。下面，筆者就以庫侖定律為例，談?wù)勅绾瓮ㄟ^類比教學(xué)減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。

一、教而知惑，惑而求索

“庫侖定律”是高中物理選修3-1第一章靜電場(chǎng)的第二節(jié)，在教學(xué)中我產(chǎn)生了以下兩點(diǎn)困惑：（1）庫侖定律應(yīng)該是定性研究和定量研究的結(jié)果，而教材上庫侖定律的內(nèi)容卻出現(xiàn)在定性研究和定量研究之間。這定量的關(guān)系式到底怎么得來呢，讓人有些費(fèi)解。（2）庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)涉及到用扭絲的轉(zhuǎn)角間接測(cè)量靜電力變化的比值關(guān)系，由于涉及扭力和力矩平衡等知識(shí)，學(xué)生比較陌生，存在一定的認(rèn)知困難。帶著這兩個(gè)困惑，我嘗試以“顯化科學(xué)方法”的方式展開“庫侖定律”的教學(xué)設(shè)計(jì)，力求降低學(xué)生進(jìn)入電磁學(xué)的學(xué)習(xí)門檻，使類比的思想逐步滲透到學(xué)生的腦海中。

二、趣味實(shí)驗(yàn)，激發(fā)興趣

教學(xué)片段1：師：用毛皮摩擦過的橡膠棒靠近易拉罐，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：易拉罐被橡膠棒吸引滾動(dòng)起來了。師：為什么橡膠棒能把易拉罐吸引走，這其中隱藏了什么樣的物理學(xué)知識(shí)，是否與帶電體間的相互作用有關(guān)呢？相信我們學(xué)完庫侖定律后就可以來解釋相關(guān)知識(shí)。教學(xué)感悟：在新課程的引入時(shí)，我通過生活中常見的器材設(shè)計(jì)趣味實(shí)驗(yàn)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

三、演示探究，引入類比

教學(xué)片段2：師：電荷間作用力的大小決定于哪些因素呢？我們通過實(shí)驗(yàn)來探究。實(shí)驗(yàn)演示。實(shí)驗(yàn)過程：第一步：首先讓小球A帶電，控制P1、P2、P3下方三個(gè)小球所帶電荷量相同，觀察并比較P1、P2、P3下方三個(gè)帶電小球受到A球的作用力大小。第二步：控制帶電小球A電量和位置不動(dòng)，不斷增大右側(cè)小球所帶的電荷量，觀察并比較帶電小球所受到A球的作用力大小。師：通過上述實(shí)驗(yàn)我們可以猜測(cè)電荷間作用力的大小與哪些因素有關(guān)呢？生：可能與距離、電荷量大小、球的形狀和大小有關(guān)。師：前面力學(xué)中我們?cè)谘芯课矬w間相互作用關(guān)系時(shí)是如何處理物體的形狀和大小的？生：當(dāng)物體的大小和形狀在所研究的問題中可以忽略時(shí)，我們可以把物體簡化為一個(gè)點(diǎn)。師：處理帶電體間相互作用力的時(shí)候，當(dāng)帶電體的形狀、大小以及電荷分布可以忽略不計(jì)，我們同樣可將它看作是一個(gè)幾何點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)稱為點(diǎn)電荷。教學(xué)感悟：關(guān)于“點(diǎn)電荷”的知識(shí)，教師無需進(jìn)行講解，可

教學(xué)片段4：師：如果用電荷量類比質(zhì)量，帶電體間的相互作用力可以如何表達(dá)呢？生師：猜想之后我們就需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可是電荷間的作用力比較小該如何處理呢？同學(xué)們可以先談一下我們?cè)趯W(xué)習(xí)萬有引力時(shí)是如何測(cè)得引力常量的，其原理是什么？生：1789年由卡文迪許設(shè)計(jì)了卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)，其原理利用了兩次放大。（1）盡可能地增大了T型架連接兩球的長度使兩球間萬有引力產(chǎn)生較大的力矩，使桿偏轉(zhuǎn)。（2）盡力增大弧度尺與系統(tǒng)的距離使小鏡子的反射光在弧線上轉(zhuǎn)動(dòng)了較大角度。師：庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)介紹。教學(xué)感悟：庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)涉及到扭絲的轉(zhuǎn)角間接測(cè)量靜電力變化的比值關(guān)系、扭力概念、平衡知識(shí)。這些知識(shí)不僅枯燥而且不易理解，教學(xué)中通過引導(dǎo)學(xué)生回顧卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)，并熟悉其放大原理有利于學(xué)生接受庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路。

不同對(duì)象在某些方面具有相同或者相似性，通過類比可以找到在其他方面也具有相同和相似的性質(zhì)。類比法同樣是科學(xué)家在建立定律時(shí)應(yīng)用的一種重要科學(xué)方法。本節(jié)課以類比為主線，深化了學(xué)生對(duì)庫侖定律的理解，彰顯了物理教學(xué)的邏輯性。因此，教師在教學(xué)中要力求尊重物理學(xué)史，減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，提高課堂實(shí)效。通過引導(dǎo)學(xué)生回顧力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)的概念及應(yīng)用條件，進(jìn)而思考對(duì)帶電體間相互作用力問題如何處理帶電體的形狀與大小。通過類比，學(xué)生很自然地理解了帶電體本身的大小跟它們之間的距離相比可以忽略時(shí)，帶電體就可以看作點(diǎn)電荷。

四、回顧歷史，巧妙類比

教學(xué)片段3：師：帶電體間相互作用力隨電荷量的增大而增大，隨距離的增大而減少。這與我們以前學(xué)過的什么力比較相似呢？生：萬有引力。師：帶電體間相互作用力與萬有引力真的很相似嗎？展示月球受到萬有引力做圓周運(yùn)動(dòng)和電子受到正電荷的吸引力做圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)圖。展示歷史材料（材料略）。師：能否說普利斯特列發(fā)現(xiàn)了電荷間的引力與距離的平方成反比規(guī)律。學(xué)生討論。教學(xué)感悟：用新舊知識(shí)類比法學(xué)習(xí)物理知識(shí)，能起到事半功倍的效果。課堂教學(xué)中通過學(xué)生已學(xué)的知識(shí)萬有引力定律、天體的運(yùn)動(dòng)，把學(xué)生的思維從陌生的微觀粒子運(yùn)動(dòng)帶到熟悉的宏觀天體運(yùn)動(dòng)的情境中。根據(jù)歷史資料，學(xué)生能加深普利斯特列根據(jù)類比思維提出電力也服從反平方定律這一科學(xué)猜想的重要意義。

五、定量探究，深化類比

[1]吳燕丹.庫侖定律教學(xué)的高端備課[J].物理通報(bào),2014(05).

[2]姜益華，杭建明.關(guān)于庫侖定律表述的思考[J].物理教學(xué)探討,2002(02).

G424

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1008-3561（2015）21-0077-01

呂有功（1979－），男，江蘇太倉人，中學(xué)一級(jí)教師，從事高中物理教學(xué)與研究。