融入物理學(xué)史促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)探討
——以“庫侖定律”為例

李紅偉

(廣州市第五中學(xué)，廣東 廣州 510240)

1 問題提出

“HPS”是科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)社會學(xué)的英文縮寫．HPS教育提出至今已經(jīng)有100多年的歷史.在上世紀(jì) 80 年代,一些西方國家相繼推行HPS教育來促進(jìn)科學(xué)教育的發(fā)展．近年來,我國的HPS教育研究得到很大發(fā)展,并取得了較大的成效,達(dá)成了新的共識，即HPS教育有利于學(xué)生對科學(xué)概念、科學(xué)規(guī)律的理解,有利于學(xué)生探究精神與創(chuàng)新思維的培養(yǎng),有利于學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識,有利于學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)的提高.

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出高中物理課程目標(biāo):高中物理課程應(yīng)在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展．[1]構(gòu)成物理核心素養(yǎng)的4個方面:物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任;其中“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”是指在認(rèn)識科學(xué)本質(zhì),認(rèn)識科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上,逐漸形成的應(yīng)有的科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任感．[1]新的課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出科學(xué)本質(zhì)是高中物理核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容,說明對科學(xué)本質(zhì)教育的重視,這一點與HPS教育理念是相吻合的.

科學(xué)本質(zhì)主要指科學(xué)知識及科學(xué)知識發(fā)展過程中固有的價值觀和假設(shè)．[2]目前對科學(xué)本質(zhì)究竟包含哪些方面的內(nèi)容依然存在爭議,達(dá)成共識的內(nèi)容主要有以下幾個方面:科學(xué)具有暫時性、 創(chuàng)造性、觀察和推理、主觀性、社會和文化嵌入性以及實證性等．[3]在現(xiàn)行物理教學(xué)中,對于提升學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解通常會采用開展科學(xué)探究活動和融入物理學(xué)史兩種方法.融入物理學(xué)史可以幫助學(xué)生了解物理學(xué)家在面對問題時是如何思考假設(shè)、如何解決問題,認(rèn)識物理知識是如何形成與發(fā)現(xiàn)的,從而理解其中蘊藏的科學(xué)本質(zhì)的豐富內(nèi)涵.

庫侖定律的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展是一個漫長的歷程,是幾代科學(xué)家不懈努力的結(jié)果(如表1所示)．庫侖定律的發(fā)現(xiàn)及科學(xué)家們對n的精確測量不懈追求歷程,不僅反映了科學(xué)家們在研究過程的思想與方法,更充分體現(xiàn)了科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的各個方面．如科學(xué)家們從不同角度對平方反比規(guī)律進(jìn)行研究,詮釋了科學(xué)的主觀性;庫侖通過扭秤實驗和電擺實驗證明了電荷間相互作用遵從平方反比規(guī)律,體現(xiàn)了科學(xué)的創(chuàng)造性;D.伯努利猜測電荷之間是否與萬有引力一樣遵從平方反比規(guī)律,這是基于觀察和推理;科學(xué)家們對n的精確測量不懈追求過程,體現(xiàn)了科學(xué)的暫時性．將這些物理史實融入到課堂教學(xué)過程中,讓學(xué)生明確庫侖定律不是庫侖獨自發(fā)現(xiàn)建立的,在之前有許多科學(xué)家的奠基性工作;了解在庫侖定律發(fā)現(xiàn)之后科學(xué)家們所做的不懈努力,認(rèn)識到科學(xué)發(fā)展不是一帆風(fēng)順、一蹴而就的,是一個繼承與發(fā)展的過程;在此過程依靠的是仔細(xì)觀察,依靠的是質(zhì)疑精神、批判精神,即在觀察中質(zhì)疑現(xiàn)行理論,提出挑戰(zhàn),提出新的觀點．鑒于此,筆者決定將庫侖定律的發(fā)現(xiàn)史融入課堂教學(xué)中,以此來提升學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的理解.

表1 庫侖定律的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展史

2 教學(xué)設(shè)計及實施

如何將物理學(xué)史中所承載的科學(xué)本質(zhì)共識,真正落實到物理課堂教學(xué)中,成為提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的重要組成部分,是物理教師需認(rèn)真思考的問題．傳統(tǒng)教學(xué)對物理學(xué)史教育一般采取以下兩種教學(xué)策略:一是教師結(jié)合圖片、視頻等媒體呈現(xiàn)繪聲繪色地講給學(xué)生聽;另外就是采取成果匯報方式,即學(xué)生課前查閱史料,形成文字、PPT等學(xué)習(xí)成果,課堂上進(jìn)行成果匯報．筆者認(rèn)為這兩種方式固然能夠調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性,但都不可避免流于形式,是一種淺層次的體驗,因為學(xué)生學(xué)習(xí)過于專注形式或史實本身,必將會忽略科學(xué)家們的思想方法,忽略物理學(xué)史中所蘊含的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵．按照應(yīng)該加強學(xué)生思維深度體驗的教學(xué)理念,結(jié)合高中學(xué)生的學(xué)習(xí)特點,筆者對庫侖定律的教學(xué)設(shè)計了以下教學(xué)流程(如圖1所示).

教學(xué)活動設(shè)計從科學(xué)探究環(huán)節(jié)考慮,設(shè)計了包含庫侖定律的猜想、驗證、發(fā)現(xiàn)與發(fā)展等幾個重要教學(xué)環(huán)節(jié);各環(huán)節(jié)的設(shè)計均注重學(xué)生主動性,讓學(xué)生積極參與認(rèn)真思考,達(dá)成學(xué)生通過活動體驗來理解科學(xué)本質(zhì)的目的.

圖1 庫侖定律的教學(xué)流程圖

2.1 第1個主要環(huán)節(jié)——為重要事件排序

教學(xué)活動： 將歷史上的以下重要事件按照時間先后進(jìn)行排序.

(1) 庫侖用扭秤實驗和電擺實驗證明靜電力遵從平方反比規(guī)律,后來又設(shè)計實驗證明靜電力大小與兩電荷電量的乘積成正比,提出庫侖定律.

(2) 普林斯頓和勞頓倆人將n精確到2±10-9.

(3) 普利斯特利類比萬有引力提出:電荷間的作用力服從平方反比規(guī)律.

(4) 麥克斯韋利用檢驗空心導(dǎo)體內(nèi)表面帶電情況的方法,將n精確到2±10-4.

(5) 卡文迪許通過半球封閉實驗驗證了靜電力的平方反比規(guī)律,并將n精確到2±0.02之間,可惜的是他并沒有將結(jié)論發(fā)表.

(6) 德國科學(xué)家愛皮努斯實驗發(fā)現(xiàn):當(dāng)發(fā)生相互作用的電荷之間距離減小時,兩者的吸引力或排斥力增大.

(7) 英國愛丁堡科學(xué)家約翰·魯賓遜用實驗的方法得到r的指數(shù)n=2.06.

(8) D.伯努利首先猜測電荷間的作用是否與萬有引力一樣遵從平方反比規(guī)律.

設(shè)計意圖： 教學(xué)設(shè)計過程中刻意將物理事件發(fā)生的時間隱去,要求學(xué)生置身于當(dāng)時的歷史情境,設(shè)身處地站在當(dāng)時科學(xué)家的角度進(jìn)行問題的思考.通過小組之間的合作交流,邏輯分析,梳理事件發(fā)生的先后順序.教師在學(xué)生深度體驗的基礎(chǔ)上闡述庫侖定律發(fā)現(xiàn)過程中所蘊含的科學(xué)本質(zhì):主觀性、創(chuàng)造性.

2.2 第2個主要環(huán)節(jié)——類比猜想

教學(xué)活動：播放:氫原子核外電子繞核旋轉(zhuǎn)與地球繞太陽運動的動畫;類比:地球繞太陽做勻速圓周運動,萬有引力提供向心力;電子繞原子核做勻速圓周運動,靜電力提供向心力;猜想:萬有引力大小與兩物體質(zhì)量乘積成正比,與距離平方成反比;則靜電力的大小與兩電荷電量乘積成正比,與距離平方成反比.

物理學(xué)史：1760年D.伯努利首先猜測電荷間的作用是否與萬有引力一樣遵從平方反比規(guī)律.

科學(xué)思維與方法：模型建構(gòu)法、類比思維法.

科學(xué)本質(zhì)：主觀性、觀察和推理.

設(shè)計意圖： 庫侖定律的發(fā)現(xiàn)很大程度上是通過靜電力與萬有引力類比得到的,教學(xué)設(shè)計中有意識地強化類比意識,給學(xué)生提供了氫原子核外電子繞核旋轉(zhuǎn)與地球繞太陽運動的動畫,讓學(xué)生從運動情況的相似想到受力特點的相似,從而進(jìn)一歩猜想靜電力與電荷電量、電荷間距離的關(guān)系;讓學(xué)生在類比猜想的過程中體會科學(xué)的本質(zhì):主觀性、觀察和推理.

2.3 第3個主要環(huán)節(jié)——定性探究

教學(xué)活動：①F與r之間的定性關(guān)系：讓A、B球帶上同種電荷，B球向A球逐漸靠近，A球懸線偏角變大,如圖1(a)所示；②F與q之間的定性關(guān)系： 讓A、B球帶同種電荷，增大A、B球所帶電荷量，兩球懸線偏角變大，如圖1(b)所示.

圖1

物理學(xué)史：1750年愛皮努斯實驗發(fā)現(xiàn)相互作用的電荷之間距離減小時，兩者的吸引力或排斥力增大.

科學(xué)思維與方法：控制變量法、轉(zhuǎn)換思維法.

科學(xué)本質(zhì)：觀察和推理、實證性.

設(shè)計意圖： 利用控制變量法探究F與r之間、F與q之間的定性關(guān)系,讓學(xué)生通過觀察實驗的現(xiàn)象,自主分析,歸納得出靜電力大小與各要素之間定性關(guān)系,重溫科學(xué)家的探究歷程,促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的觀察和推理、實證性等方面深刻理解.

2.4 第4個主要環(huán)節(jié)——定量探究

圖2

教學(xué)活動：① 靜電力測量儀左右兩端連接A、B球，所有球不帶電，橫梁水平時，指針處于中間0刻度.② 讓B、C球帶異種電荷，C球置于B球正上方，調(diào)節(jié)球C位置；當(dāng)指針處于中間0刻度時，橫梁水平，電荷間庫侖力的大小由力傳感器示數(shù)，刻度尺讀出帶電小球間的距離.③ 通過等分電量法改變B、C球電荷量，重復(fù)②實驗步驟多次.④ 讓B、D球帶同種電荷，D球置于B球正下方，重復(fù)②③實驗步驟多次(圖2).

圖3

物理學(xué)史：① 1772年，英國物理學(xué)家卡文笛許通過雙層同心球?qū)嶒炞C明了電荷間的作用力與距離平方成反比.② 1785年法國物理學(xué)家?guī)靵鲇门こ訉嶒灪碗姅[實驗證明靜電力遵從平方反比規(guī)律，后來又設(shè)計實驗證明靜電力大小與兩電荷電量的乘積成正比，提出庫侖定律(圖3).[4]

科學(xué)思維與方法：微小量放大法、轉(zhuǎn)換思維法、等分電量法.

科學(xué)本質(zhì)：創(chuàng)造性、觀察和推理.

設(shè)計意圖： 教學(xué)設(shè)計中,通過自制實驗器材——靜電力測量儀探究靜電力大小與電荷電量和電荷間距之間的定量關(guān)系,學(xué)生在規(guī)律的學(xué)習(xí)過程中,結(jié)合史實了解實驗設(shè)計的思路,體會實驗隱含的科學(xué)思想方法．設(shè)計中特別強調(diào):庫侖是通過扭秤實驗與電擺實驗這兩個實驗才最終證明靜電力遵從平方反比規(guī)律.這有利于糾正學(xué)生的習(xí)慣性錯誤觀點——庫侖通過扭秤實驗得出庫侖定律．這不僅有利于學(xué)生理解科學(xué)的實踐性,還有利于學(xué)生認(rèn)識問題的全面性、客觀性,從而培養(yǎng)學(xué)生正確的科學(xué)本質(zhì)觀.

2.5 第5個主要環(huán)節(jié)——應(yīng)用對比

教學(xué)活動：例題.已知氫核的質(zhì)量1.67×10-27kg,電子的質(zhì)量9.1×10-31kg,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．請比較萬有引力定律和庫侖定律的表達(dá)式有哪些相似之處?談?wù)勀銜性鯓拥南敕?對自然規(guī)律的多樣性與統(tǒng)一性應(yīng)如何認(rèn)識?

物理學(xué)史：理論上萬有引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力可以解釋宇宙間所有現(xiàn)象;愛因斯坦后半生一直致力于研究這四種作用力之間聯(lián)系,希望尋找統(tǒng)一的理論來解釋四種相互作用力的各種現(xiàn)象.

科學(xué)思維與方法：類比思維法、假設(shè)思維法.

科學(xué)本質(zhì)：暫時性、主觀性.

設(shè)計意圖： 萬有引力公式計算得到的兩物體間的作用力只能是相互吸引,庫侖定律公式計算得到的電荷間相互作用的力,既可以相互吸引也可以相互排斥,這是兩公式實質(zhì)區(qū)別;但萬有引力和庫侖定律數(shù)學(xué)表達(dá)式在形式上如此相似,且表述的都是場力,這都為尋找統(tǒng)一的理論提供了可能．愛因斯坦后半生一直致力于大統(tǒng)一理論的研究,雖然沒有最終成功,但對科學(xué)本質(zhì)的主觀性、暫時性等方面進(jìn)行了很好的詮釋.

3 體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)建議

科學(xué)本質(zhì)觀的教學(xué)方式可分為隱性教育和顯性教育．隱性教育是指在沒有明確指出科學(xué)本質(zhì)成分的情形下,通過教學(xué)過程增進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識;顯性教育是指在明白指出科學(xué)本質(zhì)成分的前提下,在教學(xué)過程中增進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解．實踐證明,顯性教育能夠更有效地促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀形成和發(fā)展.

2017版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中在課程目標(biāo)中對科學(xué)本質(zhì)的教育目標(biāo)提出了顯性要求——能正確認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì)．這要求教師要關(guān)注科學(xué)本質(zhì),認(rèn)識到在物理課堂教學(xué)中教授科學(xué)本質(zhì)的重要性;要求教師在教學(xué)設(shè)計中有意識地把科學(xué)本質(zhì)觀教育作為教學(xué)目標(biāo)之一,使其成為一種教學(xué)行為．如“庫侖定律”的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)可以設(shè)置為:了解科學(xué)知識的產(chǎn)生依賴于觀察和推理;了解科學(xué)知識的暫時性.

著名教育家葉圣陶先生指出?“教材無非是個例子”.這表明教材是學(xué)生學(xué)習(xí)資源的其中一種,是教師實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的工具之一．教師在使用教材過程中,應(yīng)該從教學(xué)的實際出發(fā),創(chuàng)造性地使用教材,對教材內(nèi)容進(jìn)行適度的拓展延伸．教材在編寫中,由于受各方面因素的制約,對物理學(xué)史的描述并不完整詳盡;教師在備課過程中,要充分地了解物理學(xué)史內(nèi)容所對應(yīng)的歷史背景,了解科學(xué)家們科學(xué)探究的思想與方法,了解科學(xué)家們所經(jīng)歷的探索歷程、依據(jù)的實驗事實等等;設(shè)計課堂教學(xué)活動時,要根據(jù)物理學(xué)史的內(nèi)容類型,預(yù)設(shè)合理的教學(xué)活動,從而實現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)觀教育的目標(biāo).

研究表明:如果沒有經(jīng)歷正確的引導(dǎo)和顯性的說明,學(xué)生難以通過自己的探究活動清楚的認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)的特征．教師在每個主要環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)活動結(jié)束,要趁熱打鐵,與學(xué)生一起共同總結(jié)科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容,且外顯在板書上;在教學(xué)活動完成后,既要引導(dǎo)學(xué)生對科學(xué)知識、科學(xué)方法進(jìn)行歸納,也要有意識地對總結(jié)科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)．總結(jié)科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容時要講究策略,不要生硬貼標(biāo)簽,而要結(jié)合物理史實與學(xué)生課堂經(jīng)歷的學(xué)習(xí)活動,從中概括、提煉與升華.

總之,物理學(xué)史中蘊含豐富的教育資源,對于提升學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解具有極大的教育價值．作為中學(xué)物理教師,充分地挖掘其中的育人價值,應(yīng)用不同的形式開展科學(xué)本質(zhì)觀教育活動,必將對學(xué)生學(xué)習(xí)物理概念,掌握物理規(guī)律,內(nèi)化科學(xué)方法和理解科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵起到良好的促進(jìn)作用.