深度還原物理學(xué)家探究過程的教學(xué)探討
——以卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)為例

何文瑜 王笑君

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

1 問題的提出

核心素養(yǎng)背景下,物理學(xué)史的教學(xué)逐漸受到國內(nèi)教育工作者的重視,新課標(biāo)也明確要求教師應(yīng)在課堂中呈現(xiàn)物理學(xué)的發(fā)展進(jìn)程.當(dāng)前滲透物理學(xué)史的教學(xué)還存在以下幾點(diǎn)問題:

(1) 物理學(xué)史滲透的廣度和深度不夠.實(shí)際物理課堂中仍有許多教師未注重引入物理學(xué)史,對難以在課堂上重現(xiàn)的物理學(xué)史實(shí)驗(yàn)更是沒有深入講解其發(fā)現(xiàn)、探究過程.[1]如講電磁感應(yīng)現(xiàn)象時,僅僅提到“法拉第艱苦10年發(fā)現(xiàn)磁生電”,卻沒有挖掘其探究過程的思想價(jià)值,不能夠發(fā)揮物理學(xué)史更深層次的教育功能.

(2) 部分表達(dá)誤導(dǎo)學(xué)生對物理學(xué)史的認(rèn)知.如“庫侖通過實(shí)驗(yàn)得出庫侖定律”的說法是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?庫侖只在實(shí)驗(yàn)中得出了兩個靜止點(diǎn)電荷間的相互作用力與他們之間距離的平方成反比,而與它們電荷量的乘積成正比是庫侖的假設(shè);[2]又如“通過天文觀察和萬有引力定律的推算發(fā)現(xiàn)了海王星”的說法也是不準(zhǔn)確的,海王星的發(fā)現(xiàn)并不只是通過簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算,且其發(fā)現(xiàn)過程并不是一帆風(fēng)順,具有一定的偶然性.

2 深度教學(xué)模式的學(xué)科核心素養(yǎng)價(jià)值挖掘

深度教學(xué)起源于郭元祥教授的研究項(xiàng)目,是讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下深度參與教學(xué)過程的教學(xué)模式.[3]教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷知識的發(fā)現(xiàn)、探究過程,挖掘知識中的物理思想和方法,使學(xué)生對知識有更全面、更深層次的理解,即經(jīng)歷 “還原與下沉”、“經(jīng)驗(yàn)與探究”、“反思與上浮”的“U型教學(xué)”過程.[4]根據(jù) “U型”教學(xué)模式,筆者將其3個過程細(xì)化為6個環(huán)節(jié),提出了深度還原物理學(xué)家探究過程的教學(xué)模式,如圖1所示.

圖1 深度還原物理學(xué)家探究過程的“U型”教學(xué)模式

該教學(xué)模式通過在課堂中引入科學(xué)家的探究,深度還原物理知識的生成過程,讓學(xué)生經(jīng)歷大致的探究過程,在深入理解知識的同時發(fā)展科學(xué)探究的能力.每個環(huán)節(jié)的學(xué)科核心素養(yǎng)價(jià)值體現(xiàn)如下.

(1) “下沉”是基于理解的過程.還原知識背景,讓學(xué)生沉浸在歷史背景中,通過完整的物理學(xué)史料展現(xiàn)更全面的科學(xué)家形象并挖掘潛藏的物理觀念,增強(qiáng)學(xué)生對物理知識的理解;根據(jù)歷史背景創(chuàng)設(shè)問題情境,激發(fā)學(xué)生的好奇心,使學(xué)生在問題情境中經(jīng)歷同化和順應(yīng),從而深入探究過程,培養(yǎng)探究精神.

(2) “深度探究”是基于設(shè)計(jì)的過程.在“實(shí)驗(yàn)探究”環(huán)節(jié)中,學(xué)生通過 “經(jīng)歷”物理學(xué)家的探究過程,主動進(jìn)行實(shí)踐和深度思考,體會當(dāng)中的物理建模、邏輯推理等思想;進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究后,對所涉及的物理關(guān)系進(jìn)行推理和論證,培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)推理和科學(xué)論證思維.

(3) “上浮”是基于反思的過程.從知識的總結(jié)和質(zhì)疑兩方面入手,總結(jié)是將探究過程中的科學(xué)方法提煉出來,使學(xué)生對相關(guān)方法進(jìn)行內(nèi)化與應(yīng)用;質(zhì)疑即超越知識,運(yùn)用高階思維批判性地看待前人的研究,進(jìn)行思維的拓展,讓學(xué)生用發(fā)展的眼光看待物理學(xué),從而提高質(zhì)疑創(chuàng)新能力并培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度.

3 深度還原物理學(xué)家探究過程的教學(xué)設(shè)計(jì)示例

圖2 卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)的深度教學(xué)流程圖

在“萬有引力定律”的授課中,引力常量的測量涉及到卡文迪許的扭秤實(shí)驗(yàn).本文以該扭秤實(shí)驗(yàn)為例,按照上述“U型”教學(xué)模式進(jìn)行深度還原物理學(xué)家探究過程的教學(xué)示例分析,其深度教學(xué)流程如圖2.

3.1 教學(xué)目標(biāo)

通過深度還原卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)的探究過程,達(dá)到以下幾點(diǎn)教學(xué)目標(biāo): ① 了解扭秤實(shí)驗(yàn)的歷史背景、建模過程與物理意義,形成科學(xué)史觀; ② 掌握卡文迪許的思維方法,學(xué)會對物理情境進(jìn)行科學(xué)分析和推理; ③ 能夠?qū)η叭说难芯窟M(jìn)行質(zhì)疑,培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新思維,形成嚴(yán)謹(jǐn)和敢于質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度.

3.2 示例分析

3.2.1 還原歷史情境,形成科學(xué)史觀

在傳統(tǒng)教學(xué)中,教師一般直接說“牛頓無法確定其中的引力常量,100多年后卡文迪許通過扭秤實(shí)驗(yàn)將引力常量測量出來……”,并通過實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)圖簡單介紹扭秤裝置,而沒有給學(xué)生教授該實(shí)驗(yàn)的歷史背景,使知識缺乏完整性.我們應(yīng)先還原該實(shí)驗(yàn)的歷史背景,讓學(xué)生體會到科學(xué)與社會、科技背景緊密聯(lián)系,從而促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)本質(zhì).

(1) 引出歷史.

物理學(xué)史的教學(xué)需要我們客觀講述歷史,幫助學(xué)生形成正確的歷史觀.首先需要澄清教材上傳達(dá)的錯誤信息:卡文迪許在扭秤實(shí)驗(yàn)中測量的是地球的質(zhì)量和密度,而不是引力常量.由于后來人們用地球密度和黃金代換公式求出的引力常量標(biāo)準(zhǔn)值,與用卡文迪許的數(shù)據(jù)算出的引力常量值誤差甚小,所以出于對卡文迪許的尊重,人們普遍認(rèn)為是卡文迪許測量出了引力常量.[5]

卡文迪許為什么會去測量地球質(zhì)量和密度呢?這就要提到這個實(shí)驗(yàn)的靈感.扭秤最初是由靜電學(xué)的奠基人庫侖發(fā)明的,他通過實(shí)驗(yàn)得出了扭力計(jì)算公式和電荷間作用力與它們之間距離的關(guān)系.卡文迪許和他的老師米歇爾都希望能將牛頓的引力思想擴(kuò)展到地球,并致力于測量地球的密度.在得知庫侖的電扭秤實(shí)驗(yàn)后,他們希望能夠通過類似的方法測量萬有引力,由于米歇爾的早逝,卡文迪許肩負(fù)起兩人共同的理想,開始了實(shí)驗(yàn).[6]

(2) 提出問題.

在引出歷史背景后,進(jìn)一步提問:怎么通過扭秤來測量地球上物體間的引力?創(chuàng)設(shè)問題情境,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,讓學(xué)生進(jìn)行下一步的深度探究.

3.2.2 體驗(yàn)探究過程,培養(yǎng)科學(xué)思維

扭秤實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于扭秤天平的模型建構(gòu).在傳統(tǒng)課堂中,教師一般通過解釋該實(shí)驗(yàn)的簡化裝置圖,讓學(xué)生了解當(dāng)時的測量方法.但扭秤實(shí)驗(yàn)的裝置并不只是由簡單的平面鏡、T型架以及幾個小球構(gòu)成,只講解簡化裝置會讓學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)有所誤解,不利于形成科學(xué)態(tài)度.而原始的實(shí)驗(yàn)裝置圖(圖3)比較抽象復(fù)雜,直接講解的難度較大.為了讓學(xué)生正確地認(rèn)識扭秤實(shí)驗(yàn),教師應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生沿著卡文迪許探究的足跡,將自己代入卡文迪許的角色中,進(jìn)行層層深入的探究.

圖3 卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)裝置圖

(1) 實(shí)驗(yàn)探究.

圖4 庫侖電扭秤實(shí)驗(yàn)裝置圖

要測量兩個物體間如此微弱的萬有引力,直接用肉眼是無法觀測的.該實(shí)驗(yàn)裝置的特殊之處就是在建模過程中巧妙地將微小的物理量放大,便于測量.庫侖通過電扭秤裝置(圖4)中T型架的扭轉(zhuǎn)得出“同種電荷間的排斥力與它們距離的平方成反比”的結(jié)論,如何借助庫侖發(fā)明的電扭秤,進(jìn)一步搭建可以測量萬有引力的扭秤模型?為了避免學(xué)生在教師的教學(xué)設(shè)計(jì)下失去主動性而進(jìn)行“虛假”探究,筆者可采用符合學(xué)生認(rèn)知邏輯的 “問題鏈”(圖5),將思維的深度層層推進(jìn),拓展學(xué)生的思考空間,從而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行邏輯推理并構(gòu)建出實(shí)驗(yàn)的核心裝置,培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)思維和邏輯推理思維.

圖5 建構(gòu)扭秤實(shí)驗(yàn)裝置的問題鏈設(shè)計(jì)

在“問題鏈”情境中,我們將所運(yùn)用到的思維方法灌輸給學(xué)生,如通過光路的變化來看扭秤的偏轉(zhuǎn)所用到的“轉(zhuǎn)換法”,以及兩次“微小量放大”的物理思想:通過改變力臂長度和利用鏡面反射兩種方式放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.為了進(jìn)一步讓學(xué)生形象地感受到微小量放大法的物理思想,可以在課堂上準(zhǔn)備磁鐵、鐵絲、長短桿、螺母等,讓學(xué)生交流合作,探究力臂長度與桿偏轉(zhuǎn)角大小的關(guān)系,如圖6.通過自主設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),能夠激發(fā)學(xué)生的求知欲,使學(xué)生更好地體會到物理中的相互作用觀,培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和實(shí)踐意識.

(a) (b)

學(xué)生嘗試建立扭秤實(shí)驗(yàn)的核心裝置后,筆者將卡文迪許改進(jìn)后的原始實(shí)驗(yàn)裝置圖展現(xiàn)出來,并對以上探究得出的思路進(jìn)行總結(jié).針對較為復(fù)雜、空間感較強(qiáng)或不易真實(shí)還原的物理模型,可借助豐富的多媒體功能進(jìn)行展示,如flash動畫(圖7)或3D Max制作模型(圖8),將思維“可視化”,給學(xué)生展示更加清晰、立體的物理模型.

圖7 扭秤實(shí)驗(yàn)flash動畫截圖

圖8 扭秤實(shí)驗(yàn)3D Max立體簡化裝置圖

(2) 數(shù)學(xué)分析.

在搭建實(shí)驗(yàn)裝置并測量數(shù)據(jù)后,又是如何計(jì)算出地球的質(zhì)量呢?筆者提前介紹力矩知識,并建立如圖9的俯視圖向?qū)W生講解相關(guān)物理量,讓學(xué)生進(jìn)行數(shù)學(xué)分析.

圖9 扭秤實(shí)驗(yàn)核心裝置俯視圖

3.2.3 提煉思維方法,提高創(chuàng)新能力

傳統(tǒng)課堂中引入物理學(xué)史時,教師通常只介紹歷史而沒有注重介紹歷史的發(fā)展,學(xué)生停留在歷史,卻沒能反思?xì)v史的局限性,不利于培養(yǎng)創(chuàng)新思維.根據(jù)“U型”教學(xué)模式,在還原歷史和經(jīng)歷探究后,需要對相關(guān)知識進(jìn)行反思.

(1) 提煉方法.

教師可以從探究過程中涉及的科學(xué)思維與科學(xué)態(tài)度等方面進(jìn)行總結(jié).本實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)的科學(xué)思維主要有以下幾種:

① 微小量放大法.在本實(shí)驗(yàn)中,卡文迪許為了測量轉(zhuǎn)角用了“化角為線”法,還有哪些方法能夠放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呢?如敲打放上碎紙片的鼓面來驗(yàn)證振動發(fā)聲,這是“化重為輕”的方法;擠壓插了吸管的密閉玻璃瓶并觀察吸管的液面變化可以驗(yàn)證力使物體發(fā)生形變,這是“化粗為細(xì)”的方法……通過交流,讓學(xué)生回顧所學(xué)的物理實(shí)驗(yàn),并相應(yīng)地作出創(chuàng)新,能夠深化學(xué)生的物理觀念,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維.

② 比值法.在計(jì)算地球的質(zhì)量時,筆者將小球、大球間的萬有引力關(guān)系與小球、地球間的萬有引力關(guān)系進(jìn)行比值,從而約去未知量、求得地球質(zhì)量,這就用到了數(shù)學(xué)中的“比值法”.教師通過對涉及到的數(shù)學(xué)分析方法加以強(qiáng)調(diào),讓學(xué)生學(xué)會運(yùn)用知識對現(xiàn)象進(jìn)行邏輯推理和解釋,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力.

③ 類比法.高中知識涉及的物理學(xué)史中提到兩次扭秤實(shí)驗(yàn),一個是卡文迪許測量地球質(zhì)量的扭秤天平實(shí)驗(yàn),另一個是庫侖測靜電力常量的電扭秤實(shí)驗(yàn).我們可以將兩個扭秤實(shí)驗(yàn)進(jìn)行類比,讓學(xué)生通過類比法更清晰地認(rèn)識這兩個在科學(xué)史上有著重要地位的物理實(shí)驗(yàn).

卡文迪許的實(shí)驗(yàn)有力地證明了萬有引力的存在,同時也開創(chuàng)了測量弱相互作用的新時代.扭秤實(shí)驗(yàn)歷時兩年,其過程并不是一帆風(fēng)順的.由于引力非常小,測量過程中極易受周圍環(huán)境的干預(yù),故卡文迪許將前人的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了改進(jìn),將裝置置于密閉容器中,考慮了溫度等因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,自己跑到遠(yuǎn)處用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測,反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并以17次測量數(shù)據(jù)的平均值得出了地球的質(zhì)量.給學(xué)生展示一絲不茍、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺W(xué)家形象,有助于學(xué)生形成細(xì)心嚴(yán)謹(jǐn)、敢于探究的科學(xué)態(tài)度.

(2) 拓展思維.

學(xué)習(xí)物理學(xué)史要求我們基于歷史,超越歷史.經(jīng)歷了深度探究和總結(jié)方法后,學(xué)生對相關(guān)知識已有較高的認(rèn)知水平,教師引領(lǐng)學(xué)生充分發(fā)揮高階思維,對探究過程進(jìn)行交流、評估與創(chuàng)新.

首先,鼓勵學(xué)生質(zhì)疑前人的探究.針對扭秤實(shí)驗(yàn),我們可以從實(shí)驗(yàn)過程是否可行、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差是否過大等角度提出以下幾點(diǎn)質(zhì)疑:

① 人工制作的金屬球可能自帶磁性,扭秤是否因?yàn)閮汕虻拇判远D(zhuǎn)?

② 地球本身會自轉(zhuǎn),扭秤是否可能因?yàn)槲矬w自身在地表平面的扭轉(zhuǎn)性而偏轉(zhuǎn)?

③ 卡文迪許在水平方向上測量萬有引力,可能會受到周圍引力場的影響,能否通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置,在豎直方向上測量出更精確的萬有引力?

卡文迪許在實(shí)驗(yàn)儀器的選取等方面存在片面性,由于其他因素導(dǎo)致的扭秤偏轉(zhuǎn)很有可能使測量結(jié)果產(chǎn)生誤差,故所得出的測量數(shù)據(jù)的真實(shí)性也有待考察.通過讓學(xué)生對卡文迪許探究過程的深度思考,鼓勵學(xué)生提出前人研究的不完善之處,形成對該實(shí)驗(yàn)獨(dú)到的見解,培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力.

其次,展示后人的創(chuàng)新研究.扭秤實(shí)驗(yàn)至今已過去了200多年,在卡文迪許之后關(guān)于該實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的研究也越來越多,如波依斯運(yùn)用縮小法改進(jìn)扭秤實(shí)驗(yàn)等.引力常量的最新進(jìn)展是由我國華中科技大學(xué)和中山大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)做出的,他們測量到了目前為止最為精準(zhǔn)的引力常量.教師介紹相關(guān)的前沿知識能夠使學(xué)生了解到前人研究的局限性,放眼于科學(xué)的發(fā)展,從而培養(yǎng)他們對物理學(xué)的科學(xué)態(tài)度以及創(chuàng)新能力.

4 結(jié)語

相關(guān)研究表明深層教學(xué)相較于淺層教學(xué)有更好的教學(xué)效果,能夠更好地提高學(xué)生的思辨能力,因此有必要對課堂中引入的物理學(xué)史進(jìn)行深度講解,以充分發(fā)揮物理學(xué)史的教育價(jià)值.借助“U型”教學(xué)模式進(jìn)行物理學(xué)史教學(xué)的“深度”主要體現(xiàn)在:更完整、客觀地展現(xiàn)歷史情境,深度還原和反思物理學(xué)家探究細(xì)節(jié),挖掘科學(xué)思維方法.通過該教學(xué)模式,學(xué)生能夠沉浸在探究過程中,體驗(yàn)物理學(xué)家完整的思維過程,內(nèi)化科學(xué)方法并批判性地看待前人研究,有助于教師潛移默化地將前人的物理思想融入學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)史觀、模型建構(gòu)和質(zhì)疑創(chuàng)新等思維.