融入HPS教育的中學(xué)物理教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“庫侖定律”教學(xué)為例

梁利虹 李貴安

(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710119)

1 引言

HPS是科學(xué)史、哲學(xué)、社會(huì)科學(xué)(history、philosophy and sociology of science)的簡(jiǎn)稱,興起于20世紀(jì)80年代,是人們對(duì)科學(xué)、科學(xué)教育進(jìn)行反思的結(jié)果。英國(guó)科學(xué)教育學(xué)者孟克(Marten Monk)和奧斯本(Jonathan Osborne)總結(jié)了科學(xué)教育的歷史經(jīng)驗(yàn),以建構(gòu)主義為理論基礎(chǔ),提出把HPS融入中小學(xué)科學(xué)課程,提出了HPS教學(xué)模式。HPS教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)科學(xué)史與探究實(shí)驗(yàn)等相結(jié)合,包括實(shí)驗(yàn)演示、引出觀念、學(xué)習(xí)歷史、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)觀念與實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)、評(píng)估等6個(gè)環(huán)節(jié)。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》將物理學(xué)科的教育價(jià)值凝練為物理學(xué)科核心素養(yǎng),注重體現(xiàn)物理學(xué)科的本質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)。研究表明：運(yùn)用HPS教學(xué)模式可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣,提升學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，幫助學(xué)生較好地理解科學(xué)本質(zhì),養(yǎng)成科學(xué)的態(tài)度。本文以“庫侖定律”的教學(xué)為例,展示HPS教學(xué)模式的應(yīng)用。

2 “庫侖定律”教學(xué)分析

2.1 教學(xué)要求

關(guān)于庫侖定律的數(shù)學(xué)要求為：重視發(fā)揮物理學(xué)史的教育功能,讓學(xué)生了解庫侖定律的探索歷程,體會(huì)庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)思想和方法。物理學(xué)的概念、規(guī)律及其思想方法都是在一定的歷史條件下產(chǎn)生，隨著歷史的發(fā)展而不斷發(fā)展的。物理學(xué)史展示了物理學(xué)家不斷質(zhì)疑、探究的過程。在課堂中融入物理學(xué)史,讓學(xué)生了解科學(xué)探究的歷程,從而使其主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)，掌握科學(xué)研究的方法，理解科學(xué)本質(zhì)。

2.2 教學(xué)內(nèi)容分析

庫侖定律開啟了電學(xué)的定量研究時(shí)代,對(duì)電學(xué)的發(fā)展具有非常重要的意義。馮·勞厄曾說過：“直到庫侖定律發(fā)表的時(shí)候,電學(xué)才進(jìn)入科學(xué)的行列”。人教版將庫侖定律編排在高中物理必修第三冊(cè)第九章第二節(jié),教材中關(guān)于物理學(xué)史的內(nèi)容較少。本節(jié)教學(xué)應(yīng)注重滲透物理學(xué)史,讓學(xué)生站在科學(xué)家的角度思考,體會(huì)扭秤實(shí)驗(yàn)等的妙處。

3 “庫侖定律”教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)流程

筆者基于孟克和奧斯本提出的HPS教學(xué)模式,對(duì)庫侖定律一節(jié)的教學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)。教學(xué)流程如圖1所示。

3.2 教學(xué)過程

3.2.1 創(chuàng)設(shè)物理情境,提出問題

演示實(shí)驗(yàn):將與毛皮摩擦過的橡膠棒A置于旋轉(zhuǎn)支架上,用另一根與毛皮摩擦過的橡膠棒B靠近A,發(fā)現(xiàn)A轉(zhuǎn)動(dòng)。如果沒有這些器材,可以用塑料尺子或塑料管代替橡膠棒,用瓶蓋代替旋轉(zhuǎn)支架(圖2)。

師:尺子轉(zhuǎn)動(dòng)的原因是什么？

生：同種電荷相互排斥、異種電荷相互吸引。

師:該現(xiàn)象說明了什么？

生：電荷間存在相互作用力。

教師邊演示邊講解:當(dāng)塑料管靠近尺子時(shí),尺子會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來,但將塑料管拿遠(yuǎn),尺子會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)變慢，直到靜止。

師:只有兩帶電體相互靠近的時(shí)候,尺子才會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng),這個(gè)簡(jiǎn)單的現(xiàn)象能說明什么？

生：電荷間相互作用力的大小可能與距離有關(guān),距離變大時(shí)電荷間作用力變小。

設(shè)計(jì)意圖:創(chuàng)設(shè)情境,從情境中提煉問題,總結(jié)發(fā)現(xiàn)電荷間相互作用力的大小與某些因素有關(guān),進(jìn)而提出猜想與假設(shè)。

圖1

圖2

3.2.2 基于問題,形成猜想

通過以上教學(xué),學(xué)生可以認(rèn)識(shí)到電荷間作用力的大小會(huì)發(fā)生變化,也很容易想到其與距離有關(guān),接下來形成猜想和假設(shè)就輕而易舉。

師：點(diǎn)電荷間相互作用力F的大小與什么因素有關(guān)？

教師引導(dǎo)學(xué)生回答并總結(jié)：影響因素有電荷間距離、電荷量、帶電體形狀大小、環(huán)境等，影響因素較多。提示學(xué)生當(dāng)電荷間距離較大時(shí),可以忽略帶電體的形狀大小和電荷分布,類比質(zhì)點(diǎn),建立點(diǎn)電荷概念。

設(shè)計(jì)意圖：從觀察到的現(xiàn)象出發(fā),引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)具體的物理問題,形成猜想,針對(duì)所要研究的問題提出假設(shè)。

3.2.3 定性探究

實(shí)驗(yàn)器材：電荷間作用力演示器、起電機(jī)、球形導(dǎo)體、包有錫紙的泡沫小球等.

模型構(gòu)建：如圖3所示,小球P受到電荷O的作用而偏離豎直位置,對(duì)P進(jìn)行受力分析可得重力和電荷間作用力的關(guān)系：F=mgtanθ。以此模型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究定性關(guān)系。

圖3

圖4

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：如圖4所示,P是包有錫紙的泡沫小球,用絲線將小球懸掛進(jìn)來,O是球形導(dǎo)體。錫紙小球和球形導(dǎo)體帶上同種電荷后,小球偏轉(zhuǎn)的角度越大,說明受到的電荷間作用力越大。控制距離不變,改變電荷量，定性探究電荷間作用力和電荷量之間的關(guān)系；控制電荷量不變,改變距離,定性探究電荷間作用力和距離之間的關(guān)系。

演示實(shí)驗(yàn)：用起電機(jī)使球形導(dǎo)體帶上正電荷,將球形導(dǎo)體觸碰小球,使小球也帶上正電荷。然后讓球形導(dǎo)體靠近帶電小球,觀察并記錄小球的偏轉(zhuǎn)角度α1。控制帶電小球和球形導(dǎo)體電荷量不變,移動(dòng)球形導(dǎo)體增大電荷間距離,再次觀察并記錄小球偏轉(zhuǎn)角度α2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為α1>α2。

結(jié)論1：電荷間距離越大,電荷間作用力越小。

用同樣的方法使球形導(dǎo)體和小球帶上正電荷。將球形導(dǎo)體靠近帶電小球,觀察并記錄小球偏轉(zhuǎn)角度β1,繼續(xù)用起電機(jī)增加球形導(dǎo)體的帶電量,再次觀察并記錄小球偏轉(zhuǎn)角度β2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：β2>β1。

結(jié)論2：電荷量越大,電荷間作用力越大。

師生總結(jié)：通過實(shí)驗(yàn)探究,我們可以得到電荷間作用力與距離和電荷量的定性關(guān)系,但是并不能得到它們之間的定量關(guān)系,而且由于電荷間作用力較小,該實(shí)驗(yàn)裝置精度不夠。

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)驗(yàn)探究,學(xué)生認(rèn)識(shí)到電荷間作用力和距離、電荷量之間的定性關(guān)系。

3.2.4 滲透物理學(xué)史,掌握科學(xué)思想和方法

通過以上實(shí)驗(yàn),無法得到電荷間作用力與電荷量、距離之間的定量關(guān)系。18世紀(jì)一些物理學(xué)家對(duì)該定量關(guān)系進(jìn)行了探究,普利斯特里和卡文迪什根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，與萬有引力定律相類比，猜測(cè)：電荷間作用力和距離成平方反比關(guān)系。由于沒有直接的證據(jù)驗(yàn)證,定量關(guān)系一直沒有確定。直到將近20年后,庫侖設(shè)計(jì)了庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)和電擺實(shí)驗(yàn),才得到定量表達(dá)式。

教師啟發(fā)學(xué)生思考：從猜想驗(yàn)證就用了將近20年的時(shí)間,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在哪里呢？首先,在18世紀(jì),電荷量的定義不明確,也沒有測(cè)量帶電體電荷量的儀器,那么該如何探究定量關(guān)系呢？

教師講解歷史觀點(diǎn)：這就是電量均分的方法,庫侖正是利用這個(gè)方法解決了電荷量無法測(cè)量的難題。

教師啟發(fā)學(xué)生思考：還有一個(gè)問題,電荷間作用力比較小,難以測(cè)量,這又該如何解決呢？通常微小量難以測(cè)量,我們要用到放大法。但是具體如何放大呢？跟庫侖研究的金屬絲扭轉(zhuǎn)工作有何關(guān)系呢？

圖5

教師利用多媒體展示：如圖5所示,將導(dǎo)體小球放在水平橫桿的一端,在另外一端加上平衡小球,使導(dǎo)體小球帶上電,在旁邊放置一帶同種電荷的小球。導(dǎo)體小球由于受到力的而作用使懸絲扭轉(zhuǎn),扭轉(zhuǎn)的角度與電荷間的作用力成正比，這就是庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)用到的轉(zhuǎn)化放大法。

教師講解歷史觀點(diǎn)：庫侖通過電量均分法和轉(zhuǎn)化放大法,設(shè)計(jì)了庫侖扭秤實(shí)驗(yàn),得出了同種電荷間作用力與距離和電荷量之間的定量關(guān)系,即庫侖定律。

設(shè)計(jì)意圖：滲透物理學(xué)史,讓學(xué)生掌握庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)的思想和方法,體會(huì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的精妙之處,進(jìn)而掌握庫侖定律的基本內(nèi)容。

3.2.5 播放實(shí)驗(yàn)視頻，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

由于庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)完成難度較高,教師可以播放實(shí)驗(yàn)視頻,讓學(xué)生在掌握庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)的思想和方法之后了解扭秤實(shí)驗(yàn)的操作步驟和現(xiàn)象。向?qū)W生展示庫侖在實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,從數(shù)據(jù)中得出結(jié)論。

3.2.6 討論與總結(jié)

介紹庫侖定律的適用范圍,使學(xué)生掌握庫侖定律的內(nèi)涵。最后，教師布置課后作業(yè)：庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)研究的是排斥力的規(guī)律,請(qǐng)同學(xué)們思考扭秤裝置能不能探究同種電荷間吸引力的規(guī)律？請(qǐng)查閱資料，庫侖是通過什么實(shí)驗(yàn)得到異種電荷間引力規(guī)律的？

4 結(jié)語

本教學(xué)設(shè)計(jì)關(guān)注學(xué)生的思維過程,引導(dǎo)學(xué)生形成猜想，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。在庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)這一難點(diǎn)內(nèi)容上,恰當(dāng)融入物理學(xué)史。讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)家設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程,找到實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn),介紹科學(xué)家的思維過程和問題解決途徑。從而使其了解庫侖定律的探索歷程,體會(huì)庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想和方法,進(jìn)而掌握庫侖定律的基本內(nèi)容,加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí),從而達(dá)成核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。