基于科学本质观教育的“库仑定律”教学设计①

(江苏省南京市金陵中学，江苏 南京 210005)

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基于科学本质观教育的“库仑定律”教学设计①

名师简介：黄皓燕(1967- )，女，江苏泰州人，教育硕士，中学物理高级教师，南京市中学物理学科带头人，主要研究高中物理教学。

黄皓燕

(江苏省南京市金陵中学，江苏 南京 210005)

库仑定律是高中物理教学的重点内容，笔者在进行教学设计时，通过人类对电荷间作用力研究历史的回顾，引导学生建构库仑定律知识，通过探究实验定量验证库仑定律，注重控制变量法、类比法和微小量放大法等物理方法的学习，渗透了科学本质观的教育。

库仑定律；科学本质；物理学史；科学探究

1 引言

20世纪80年代末期美国科学促进会集众多科学家和教育学家之智慧，提出了科学本质的定义，它包括三个主要部分：第一是科学世界观，世界是可以理解的，科学知识是有用的，但科学不能为所有问题提供圆满的答案；第二是科学探究，科学要求证据，科学是逻辑和想象力的结合，科学拒绝权威，同时科学家试图避免偏见；第三是科学事业，科学是一种复杂的社会活动，科学家在科学研究过程中遵循普遍的准则，然而科学家在参与公共事务时既是专家也是公民。在新修订的《普通高中物理课程标准》中界定了高中物理课程的目标：进一步促进学生物理核心素养的形成和发展。物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面的要素构成。其中“科学态度与责任”是指在认识科学本质、理解科学·技术·社会·环境关系的基础上，逐渐形成应有的科学态度和社会责任感，明确指出科学本质是高中物理教学的重要内容。

2 基于科学本质观教育的教学设计

从大量的研究中可以发现，提高科学本质认识的教学策略一般可归纳为内隐及外显两个途径。内隐途径是指在没有明确指出科学本质成分的情况下，通过教学增进学生对科学本质的了解。外显途径需要明白指出科学本质的成分，来增进学生对科学本质的认识。大量研究结果发现，外显的途径能更有效地形成学生的科学本质观。

增进学生科学本质观的教学一般采用科学探究和渗透物理学史的方法。本教学设计以物理学史为主，辅以实验探究法，采用的路径为：“物理学史-反思-探究-明示”，具体流程如图1所示。

2.1 科学理论(规律)是会变化的，科学理论(规律)的发展具有创造性和继承性

科学是一个不断探究、获得知识的过程，科学认识是不断发展变化的，人类对电的认识就是从未知到尝试研究，在万有引力定律启示下提出猜想，进行实验探究，总结反思，最终建立了库仑定律。

笔者在通过演示实验定性说明电荷间有作用力后，进行了下列教学流程。

图1

2.1．1 以科学史引入课题

人类对电现象的认识、研究经历了很长的时间，直到16世纪吉尔伯特才比较系统地研究了静电现象，引入了“电吸引”的概念。德国柏林科学院院士爱皮努斯1759年对电力做了研究，他假设电荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减少而增大。不过，他并没有实际测量电荷间的作用力，因而只是一种猜测。18世纪中叶，牛顿力学已经取得辉煌胜利，人们借助于万有引力的规律，对电力和磁力作了种种猜测。

2.1．2 类比猜想

师：如果你在18世纪，你对电荷间的作用力会有什么样的猜测？有可能定量计算出电荷间的作用力吗？

师：由此我们可以猜想电荷间的作用力的表达式是什么样的？

2.1．3 科学史介绍

2.1．4 明示

人类对物理规律的认识经历了循序渐进、不断探索的过程，类比法在物理规律的建立过程中起到了重要的作用。科学的猜想需要实验的证实，实践的过程也受当时文化的影响，科学的结论能否被人们接受，还与当时人们的认识水平有关。

2.2 科学知识具有持久性，依赖于实验的证实

虽然科学理论(规律)是发展变化的，但绝大部分知识都具有持久性。当我们用实验探究电荷间作用力时，会得到与库仑定律相同的结论。

2.2．1 实验探究

师：受库仑扭秤实验的启示，我们用微量天平测库仑力的大小，用相同小球相接触改变小球的电荷量。

(1) 介绍实验装置:微量天平

① 如图2所示，横梁水平时，左端的游码处于0刻度。

图2

图3

② 如图3所示，当两个小球带有同种电荷相互推斥时，天平横梁倾斜。

图4

③ 如图4所示，向左移动游码位置后，横梁又可以回到平衡状态。

④ 可以用横梁水平时游码的位置表示电荷间库仑力的大小。

⑥ 带电小球间的距离可以用刻度尺读出。

(2) 研究F与r的关系

让两小球带同种电荷，改变r的大小，读出横梁平衡时游码所在刻度，实验数据记录如下表。

序号r/cmF15.0322.512

观察数据，可以得到：F∝1/r2。

(3)F与q1、q2的关系

保持带电小球间距离为2.5cm不变，改变两小球的带电量，实验数据记录如下表。

q1q2q1q2F1qqq2122q12q12q26312q12q14q23

库仑定律：真空中两个点电荷之间的相互作用力，跟它们的电荷量的乘积成正比，跟它们的距离的二次方成反比，作用力的方向沿着它们的连线方向。

师：通过实验我们验证了库仑定律。这说明了什么？

生1：物理规律要能被重复验证，否则就不能称为规律。

生2：我们的实验只做了2～3组，这种概括并不全面，库仑定律还将接受以后更精确实验的检验。

2.2．2 明示

经过科学家们的不懈探索，终于发现了电荷间作用力的规律，先是通过想象和逻辑推理，提出猜想，经过库仑巧妙的扭秤实验等予以证实。库仑定律是电磁学中的基本定律之一,是电学史上的第一个定量定律。库仑定律的建立标志着电学研究从定性阶段转入定量阶段，人类每一次具有革命意义的进步都是依靠科学家深邃的思考和逻辑推理及精妙的实验设计。

物理学是一门以实验为基础的科学，所有的物理知识都是在实验的基础上建立起来的。只有在实验的基础上建立了正确的、经得起实践检验的理论，才能由表及里得到对客观事物的规律性认识。通过对物理学史的学习，有利于学生理解科学的实践性，进而培养学生正确的科学本质观。

2.3 科学受社会、文化的影响

科学的产生与社会发展的需求紧密相连，作为一种社会活动，科学不可避免地反映了社会的价值观和世界观。科学知识会受到政治、经济、哲学、宗教等社会文化因素的影响，社会文化的价值取向也直接影响科学研究经费的分配，科学研究的方向及方法的选择，会影响对科学解释或结论的取舍。

2．3.1 科学史介绍

在库仑定律提出前有两个人曾作过定量的实验研究，1769年英国的约翰·罗宾逊通过实验进行了直接测量，认为电力服从平方反比律，并且得到指数n=2.06，不过他的这项工作直到1801年才发表。1772-1773年间英国的卡文迪许做了双层同心球实验，第一次精确测量出电作用力与距离的关系，得到n=2.02，但他一直没有公开发表这一结果。

师：对罗宾逊和卡文迪许的研究你有什么看法？

2．3.2 明示

科学追求客观和精确，但科学家的“偏见”是不可避免的。科学家从问题的提出，到现象观察及实验设计，以及对数据的解释，常常是在现有科学理论的指导和影响下进行的。同时，科学家个人的知识背景、国籍、性别、信仰和经历等主观因素也会影响他们进行科学观察或实验的方式及结论，从而可能会得到不同的结果及对科学结果的判断。科学是世界性的，对科学的研究成果需要与社会分享，才能对社会的进步和人类的发展起推动重要。

因此，通过物理学史的教学渗透，介绍物理学家的创造思维与研究方法，有意识地对学生进行科学方法教育和训练，是培养核心素养、树立科学世界观、促进学生科学本质观发展的重要途径。

2.4 渗透物理方法教育

物理学是一门具有方法论性质的科学，物理教学中不仅要教给学生基本概念和规律，更重要的是要教给学生物理的研究方法。

3 结语

在本节课设计中，笔者渗透了科学本质观的教育，注重物理学史的讲解，通过实验探究引导学生学习物理方法。通过学生设计实验方案，运用控制变量法，通过类比万有引力定律学习库仑定律，通过库仑扭秤实验及演示实验，学习微小量放大法。

笔者以物理学史为主、实验探究法为辅对“库仑定律”实践了科学本质观教育，旨在让学生通过高中阶段的学习，能正确认识科学本质，具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，能基于证据和逻辑发表自己的见解，不迷信权威，增强社会责任感。

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①本文系江苏省教育科学规划“十二五”课题“基于科学本质教育的高中物理教学设计的实践研究”(课题编号：B-b/2013/02/326)阶段性研究成果。