(江蘇省南京市金陵中學(xué)，江蘇 南京 210005)

·名師論壇·

基于科學(xué)本質(zhì)觀教育的“庫侖定律”教學(xué)設(shè)計①

名師簡介：黃皓燕(1967- )，女，江蘇泰州人，教育碩士，中學(xué)物理高級教師，南京市中學(xué)物理學(xué)科帶頭人，主要研究高中物理教學(xué)。

黃皓燕

(江蘇省南京市金陵中學(xué)，江蘇 南京 210005)

庫侖定律是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，筆者在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時，通過人類對電荷間作用力研究歷史的回顧，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)庫侖定律知識，通過探究實(shí)驗(yàn)定量驗(yàn)證庫侖定律，注重控制變量法、類比法和微小量放大法等物理方法的學(xué)習(xí)，滲透了科學(xué)本質(zhì)觀的教育。

庫侖定律；科學(xué)本質(zhì)；物理學(xué)史；科學(xué)探究

1 引言

20世紀(jì)80年代末期美國科學(xué)促進(jìn)會集眾多科學(xué)家和教育學(xué)家之智慧，提出了科學(xué)本質(zhì)的定義，它包括三個主要部分：第一是科學(xué)世界觀，世界是可以理解的，科學(xué)知識是有用的，但科學(xué)不能為所有問題提供圓滿的答案；第二是科學(xué)探究，科學(xué)要求證據(jù)，科學(xué)是邏輯和想象力的結(jié)合，科學(xué)拒絕權(quán)威，同時科學(xué)家試圖避免偏見；第三是科學(xué)事業(yè)，科學(xué)是一種復(fù)雜的社會活動，科學(xué)家在科學(xué)研究過程中遵循普遍的準(zhǔn)則，然而科學(xué)家在參與公共事務(wù)時既是專家也是公民。在新修訂的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中界定了高中物理課程的目標(biāo)：進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展。物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面的要素構(gòu)成。其中“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”是指在認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)、理解科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐漸形成應(yīng)有的科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任感，明確指出科學(xué)本質(zhì)是高中物理教學(xué)的重要內(nèi)容。

2 基于科學(xué)本質(zhì)觀教育的教學(xué)設(shè)計

從大量的研究中可以發(fā)現(xiàn)，提高科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識的教學(xué)策略一般可歸納為內(nèi)隱及外顯兩個途徑。內(nèi)隱途徑是指在沒有明確指出科學(xué)本質(zhì)成分的情況下，通過教學(xué)增進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的了解。外顯途徑需要明白指出科學(xué)本質(zhì)的成分，來增進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識。大量研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外顯的途徑能更有效地形成學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀。

增進(jìn)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀的教學(xué)一般采用科學(xué)探究和滲透物理學(xué)史的方法。本教學(xué)設(shè)計以物理學(xué)史為主，輔以實(shí)驗(yàn)探究法，采用的路徑為：“物理學(xué)史-反思-探究-明示”，具體流程如圖1所示。

2.1 科學(xué)理論(規(guī)律)是會變化的，科學(xué)理論(規(guī)律)的發(fā)展具有創(chuàng)造性和繼承性

科學(xué)是一個不斷探究、獲得知識的過程，科學(xué)認(rèn)識是不斷發(fā)展變化的，人類對電的認(rèn)識就是從未知到嘗試研究，在萬有引力定律啟示下提出猜想，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，總結(jié)反思，最終建立了庫侖定律。

筆者在通過演示實(shí)驗(yàn)定性說明電荷間有作用力后，進(jìn)行了下列教學(xué)流程。

圖1

2.1．1 以科學(xué)史引入課題

人類對電現(xiàn)象的認(rèn)識、研究經(jīng)歷了很長的時間，直到16世紀(jì)吉爾伯特才比較系統(tǒng)地研究了靜電現(xiàn)象，引入了“電吸引”的概念。德國柏林科學(xué)院院士愛皮努斯1759年對電力做了研究，他假設(shè)電荷之間的斥力和吸力隨帶電物體的距離的減少而增大。不過，他并沒有實(shí)際測量電荷間的作用力，因而只是一種猜測。18世紀(jì)中葉，牛頓力學(xué)已經(jīng)取得輝煌勝利，人們借助于萬有引力的規(guī)律，對電力和磁力作了種種猜測。

2.1．2 類比猜想

師：如果你在18世紀(jì)，你對電荷間的作用力會有什么樣的猜測？有可能定量計算出電荷間的作用力嗎？

師：由此我們可以猜想電荷間的作用力的表達(dá)式是什么樣的？

2.1．3 科學(xué)史介紹

2.1．4 明示

人類對物理規(guī)律的認(rèn)識經(jīng)歷了循序漸進(jìn)、不斷探索的過程，類比法在物理規(guī)律的建立過程中起到了重要的作用?？茖W(xué)的猜想需要實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，實(shí)踐的過程也受當(dāng)時文化的影響，科學(xué)的結(jié)論能否被人們接受，還與當(dāng)時人們的認(rèn)識水平有關(guān)。

2.2 科學(xué)知識具有持久性，依賴于實(shí)驗(yàn)的證實(shí)

雖然科學(xué)理論(規(guī)律)是發(fā)展變化的，但絕大部分知識都具有持久性。當(dāng)我們用實(shí)驗(yàn)探究電荷間作用力時，會得到與庫侖定律相同的結(jié)論。

2.2．1 實(shí)驗(yàn)探究

師：受庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)的啟示，我們用微量天平測庫侖力的大小，用相同小球相接觸改變小球的電荷量。

(1) 介紹實(shí)驗(yàn)裝置:微量天平

① 如圖2所示，橫梁水平時，左端的游碼處于0刻度。

圖2

圖3

② 如圖3所示，當(dāng)兩個小球帶有同種電荷相互推斥時，天平橫梁傾斜。

圖4

③ 如圖4所示，向左移動游碼位置后，橫梁又可以回到平衡狀態(tài)。

④ 可以用橫梁水平時游碼的位置表示電荷間庫侖力的大小。

⑥ 帶電小球間的距離可以用刻度尺讀出。

(2) 研究F與r的關(guān)系

讓兩小球帶同種電荷，改變r的大小，讀出橫梁平衡時游碼所在刻度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下表。

序號r/cmF15.0322.512

觀察數(shù)據(jù)，可以得到：F∝1/r2。

(3)F與q1、q2的關(guān)系

保持帶電小球間距離為2.5cm不變，改變兩小球的帶電量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下表。

q1q2q1q2F1qqq2122q12q12q26312q12q14q23

庫侖定律：真空中兩個點(diǎn)電荷之間的相互作用力，跟它們的電荷量的乘積成正比，跟它們的距離的二次方成反比，作用力的方向沿著它們的連線方向。

師：通過實(shí)驗(yàn)我們驗(yàn)證了庫侖定律。這說明了什么？

生1：物理規(guī)律要能被重復(fù)驗(yàn)證，否則就不能稱為規(guī)律。

生2：我們的實(shí)驗(yàn)只做了2～3組，這種概括并不全面，庫侖定律還將接受以后更精確實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。

2.2．2 明示

經(jīng)過科學(xué)家們的不懈探索，終于發(fā)現(xiàn)了電荷間作用力的規(guī)律，先是通過想象和邏輯推理，提出猜想，經(jīng)過庫侖巧妙的扭秤實(shí)驗(yàn)等予以證實(shí)。庫侖定律是電磁學(xué)中的基本定律之一,是電學(xué)史上的第一個定量定律。庫侖定律的建立標(biāo)志著電學(xué)研究從定性階段轉(zhuǎn)入定量階段，人類每一次具有革命意義的進(jìn)步都是依靠科學(xué)家深邃的思考和邏輯推理及精妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計。

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，所有的物理知識都是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來的。只有在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了正確的、經(jīng)得起實(shí)踐檢驗(yàn)的理論，才能由表及里得到對客觀事物的規(guī)律性認(rèn)識。通過對物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生理解科學(xué)的實(shí)踐性，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生正確的科學(xué)本質(zhì)觀。

2.3 科學(xué)受社會、文化的影響

科學(xué)的產(chǎn)生與社會發(fā)展的需求緊密相連，作為一種社會活動，科學(xué)不可避免地反映了社會的價值觀和世界觀?？茖W(xué)知識會受到政治、經(jīng)濟(jì)、哲學(xué)、宗教等社會文化因素的影響，社會文化的價值取向也直接影響科學(xué)研究經(jīng)費(fèi)的分配，科學(xué)研究的方向及方法的選擇，會影響對科學(xué)解釋或結(jié)論的取舍。

2．3.1 科學(xué)史介紹

在庫侖定律提出前有兩個人曾作過定量的實(shí)驗(yàn)研究，1769年英國的約翰·羅賓遜通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了直接測量，認(rèn)為電力服從平方反比律，并且得到指數(shù)n=2.06，不過他的這項(xiàng)工作直到1801年才發(fā)表。1772-1773年間英國的卡文迪許做了雙層同心球?qū)嶒?yàn)，第一次精確測量出電作用力與距離的關(guān)系，得到n=2.02，但他一直沒有公開發(fā)表這一結(jié)果。

師：對羅賓遜和卡文迪許的研究你有什么看法？

2．3.2 明示

科學(xué)追求客觀和精確，但科學(xué)家的“偏見”是不可避免的?？茖W(xué)家從問題的提出，到現(xiàn)象觀察及實(shí)驗(yàn)設(shè)計，以及對數(shù)據(jù)的解釋，常常是在現(xiàn)有科學(xué)理論的指導(dǎo)和影響下進(jìn)行的。同時，科學(xué)家個人的知識背景、國籍、性別、信仰和經(jīng)歷等主觀因素也會影響他們進(jìn)行科學(xué)觀察或?qū)嶒?yàn)的方式及結(jié)論，從而可能會得到不同的結(jié)果及對科學(xué)結(jié)果的判斷?？茖W(xué)是世界性的，對科學(xué)的研究成果需要與社會分享，才能對社會的進(jìn)步和人類的發(fā)展起推動重要。

因此，通過物理學(xué)史的教學(xué)滲透，介紹物理學(xué)家的創(chuàng)造思維與研究方法，有意識地對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法教育和訓(xùn)練，是培養(yǎng)核心素養(yǎng)、樹立科學(xué)世界觀、促進(jìn)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀發(fā)展的重要途徑。

2.4 滲透物理方法教育

物理學(xué)是一門具有方法論性質(zhì)的科學(xué)，物理教學(xué)中不僅要教給學(xué)生基本概念和規(guī)律，更重要的是要教給學(xué)生物理的研究方法。

3 結(jié)語

在本節(jié)課設(shè)計中，筆者滲透了科學(xué)本質(zhì)觀的教育，注重物理學(xué)史的講解，通過實(shí)驗(yàn)探究引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)物理方法。通過學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，運(yùn)用控制變量法，通過類比萬有引力定律學(xué)習(xí)庫侖定律，通過庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)及演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)微小量放大法。

筆者以物理學(xué)史為主、實(shí)驗(yàn)探究法為輔對“庫侖定律”實(shí)踐了科學(xué)本質(zhì)觀教育，旨在讓學(xué)生通過高中階段的學(xué)習(xí)，能正確認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)，具有學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與求知欲，能基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己的見解，不迷信權(quán)威，增強(qiáng)社會責(zé)任感。

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①本文系江蘇省教育科學(xué)規(guī)劃“十二五”課題“基于科學(xué)本質(zhì)教育的高中物理教學(xué)設(shè)計的實(shí)踐研究”(課題編號：B-b/2013/02/326)階段性研究成果。