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)、社會科學(xué)(history、philosophy and sociology of science)的簡稱,興起于20世紀(jì)80年代,是人們對科學(xué)、科學(xué)教育進行反思的結(jié)果。英國科學(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,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)模式強調(diào)科學(xué)史與探究實驗等相結(jié)合,包括實驗演示、引出觀念、學(xué)習(xí)歷史、設(shè)計實驗、科學(xué)觀念與實驗檢驗、評估等6個環(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)，促進學(xué)生認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)。研究表明：運用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,體會庫侖扭秤實驗設(shè)計的實驗思想和方法。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,從而使其主動建構(gòu)知識，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)的定量研究時代,對電學(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)表的時候,電學(xué)才進入科學(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,體會扭秤實驗等的妙處。

3 “庫侖定律”教學(xué)設(shè)計

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,對庫侖定律一節(jié)的教學(xué)進行設(shè)計。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

演示實驗: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。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,尺子會轉(zhuǎn)動起來,但將塑料管拿遠(yuǎn),尺子會轉(zhuǎn)動變慢，直到靜止。

師:只有兩帶電體相互靠近的時候,尺子才會轉(zhuǎn)動,這個簡單的現(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),距離變大時電荷間作用力變小。

設(shè)計意圖: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)識到電荷間作用力的大小會發(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,可以忽略帶電體的形狀大小和電荷分布,類比質(zhì)點,建立點電荷概念。

設(shè)計意圖：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,針對所要研究的問題提出假設(shè)。

3.2.3 定性探究

實驗器材：電荷間作用力演示器、起電機、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P進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)計實驗，探究定性關(guān)系。

圖3

圖4

設(shè)計實驗：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。

演示實驗：用起電機使球形導(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?？刂茙щ娦∏蚝颓蛐螌?dǎo)體電荷量不變,移動球形導(dǎo)體增大電荷間距離,再次觀察并記錄小球偏轉(zhuǎn)角度α2。實驗結(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。實驗結(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)：通過實驗探究,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,該實驗裝置精度不夠。

設(shè)計意圖：通過實驗探究,學(xué)生認(rèn)識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

通過以上實驗,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)家對該定量關(guān)系進行了探究,普利斯特里和卡文迪什根據(jù)實驗現(xiàn)象，與萬有引力定律相類比，猜測：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)驗證,定量關(guān)系一直沒有確定。直到將近20年后,庫侖設(shè)計了庫侖扭秤實驗和電擺實驗,才得到定量表達(dá)式。

教師啟發(fā)學(xué)生思考：從猜想驗證就用了將近20年的時間,實驗設(shè)計的難點在哪里呢？首先,在18世紀(jì),電荷量的定義不明確,也沒有測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：這就是電量均分的方法,庫侖正是利用這個方法解決了電荷量無法測量的難題。

教師啟發(fā)學(xué)生思考：還有一個問題,電荷間作用力比較小,難以測量,這又該如何解決呢？通常微小量難以測量,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，這就是庫侖扭秤實驗用到的轉(zhuǎn)化放大法。

教師講解歷史觀點：庫侖通過電量均分法和轉(zhuǎn)化放大法,設(shè)計了庫侖扭秤實驗,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)計意圖：滲透物理學(xué)史,讓學(xué)生掌握庫侖扭秤實驗的思想和方法,體會實驗設(shè)計的精妙之處,進而掌握庫侖定律的基本內(nèi)容。

3.2.5 播放實驗視頻，進行數(shù)據(jù)處理

由于庫侖扭秤實驗完成難度較高,教師可以播放實驗視頻,讓學(xué)生在掌握庫侖扭秤實驗的思想和方法之后了解扭秤實驗的操作步驟和現(xiàn)象。向?qū)W生展示庫侖在實驗中得到的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理,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)：庫侖扭秤實驗研究的是排斥力的規(guī)律,請同學(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？請查閱資料，庫侖是通過什么實驗得到異種電荷間引力規(guī)律的？

4 結(jié)語

本教學(xué)設(shè)計關(guān)注學(xué)生的思維過程,引導(dǎo)學(xué)生形成猜想，設(shè)計實驗進行探究。在庫侖扭秤實驗這一難點內(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)計實驗的過程,找到實驗的難點,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,體會庫侖扭秤實驗設(shè)計的思想和方法,進而掌握庫侖定律的基本內(nèi)容,加深對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識,從而達(dá)成核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。