学习进阶与科学论证整合的物理概念教学

柯晓露 宋静

摘   要：将学习进阶理论和科学论证相结合，并以“库仑定律”的教学为例，探讨两者整合模式下的物理概念教学。研究发现，这样的物理教学模式有助于学科核心概念的构建，并能通过有意识的科学论证培养学生的科学思维，创建学生的物理学科体系，促进学生物理核心素养的发展。

关键词：学习进阶;科学论证;概念教学;库仑定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）2-0006-4

1    引   言

新修订的《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称2017版课标）将物理核心素养界定为“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。物理概念的理解需要遵循学生的思维发展路径，而科学论证是一种重要的科学思维方法，同时也是科学探究的核心。将概念进阶与科学论证进行整合教学，在学习进阶的节点渗透科学论证，并引入物理学史等相关资料，有利于学生物理核心素养的全面发展。

2    学习进阶的理论及要素

学习进阶理论最先在美国教育界兴起，美国国家教育委员会认为，“学习进阶”是孩子在一个较大的时间跨度内学习或者探究知识时，其思维所遵循的连贯且不断深入发展的路径的描述。在运用学习进阶理论进行物理教学时，要在大概念的视角下进行，保证知识结构的完整和连贯性。在概念学习的进阶教学中，要确定以下几个关键点[1]。

（1）学习进阶的起点。即学生现有的知识水平——前概念。

（2）学习进阶的终点。即学生要掌握的科学概念及现阶段要掌握的程度。

（3）学习进阶的维度。根据学生要掌握的学科核心概念、主题核心概念、重要概念等进行分类整理，确定概念所在的维度。

（4）学习进阶节点。学生在达到进阶终点前的各个重要理解步骤。

（5）基于学习进阶的测评工具。检测学生学习概念时所处的思维发展水平。

在学习进阶教学中，教师围绕着学生的思维发展而教学，在大概念整体思想下教学，通过各种教学方式突破学生的进阶节点，这样的教学策略是高效的。

3    科学论证活动

科学论证教学包括口头论证和书面论证。高质量的科学论证要求学生能够针对一个科学的问题提出观点、寻找依据、推理反驳。学生的论证能力是在教学干预下伴随着概念理解的深入而逐步提升的。

当前教学中展开科学论证活动的理论基础最主要的是图尔敏论证模式[2]。

结合Erduran等提出来的以反驳为主要结构要素的包含五个水平的学科论证表现评价框架和弭乐等构建的“三层级七水平”的科学论证发展进阶表现框架，本研究将教学中的科学论证简化为三个层次。

层次一：学生能根据教学内容提出自己的观点;

层次二：学生能提出自己的观点，并针对自己的观点匹配相应的事实证据和理论依据，进行推理论证;

层次三：学生能针对自己提出的观点匹配相对应的证据进行推理论证，并对不同的观点收集证据进行拓展反驳论证。

4    以“库仑定律”为例的概念教学

在学习进阶与科学论证整合的物理概念教学中，呈现一个个完整的科学论证活动，将科学论证活动的各个环节匹配相应的概念学习进阶节点，在概念进阶节点上通过科学论证进行突破，从而实现概念的进阶和论证能力进阶的协同发展（图2）。

下面以2017版课标中“必修3”里的“静电场”主题下的“库仑定律”为例，谈谈学习进阶与科学论证整合的物理概念教学。

4.1    “库仑定律”概念的维度界定

在2017版课标中，物理观念包括物质、运动与相互作用、能量等要素。

“库仑定律”所属的学科核心概念为“运动与相互作用”，这个学科核心概念涉及力学领域和电磁学领域等方面，范围非常广泛。在“运动与相互作用”下的主题核心概念“相互作用”包括物體间的引力作用和静电力作用、电场和磁场作用、原子和原子核间的相互作用等重要概念。

“库仑定律”描述的是电荷间的相互作用力，是电磁学史上的第一个定量化的定律，是静电学和整个经典电磁理论的基础。“库仑定律”在经典电磁学史上占有非常重要的位置。“库仑定律”既是实验经验的总结，也是理论研究的成果。在教学上，“库仑定律”是力学向电磁学过渡的桥梁。通过“库仑定律”的学习，学生对万有引力定律等呈现的“相互作用”关系有进一步的认识，并对之后电磁场等的学习打下基础。

4.2    学习进阶的概念终点和科学论证能力发展的期望

“库仑定律”在2017版课标内容要求中的3.1.2的描述为“知道点电荷模型。知道两个点电荷相互作用的规律。体会探究库仑定律过程中的科学思想和方法。”从要求可以看出，学生要能建构电荷间相互作用的数学模型，并能与其他的相互作用概念相关联，从而掌握主题核心概念“相互作用”。“库仑定律”包含以下主要内容：

（1）真空中两个点电荷间的相互作用力F的方向沿着它们的连线。同种电荷相斥，异种电荷相吸。

（2）两个点电荷的相互作用力大小与各自的电荷量q的乘积成正比，跟距离r的平方成反比。即

对学生科学论证能力的期望在于能够进行高层次的科学论证活动，学生能够针对问题提出观点，收集资料，建构证据，并进行推理反驳。

4.3    学习进阶的概念起点和学生科学论证能力现状

在学习“库仑定律”前，分析学生的当前认知水平可以知道，概念“学习进阶”的起点如下：

（1）电荷间存在着相互作用力，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。

（2）学过质点及万有引力定律，知道如何计算物体间的相互作用力。

（3）电荷无法直接观测，对电荷无感性的认知。

（4）两带电体相互作用，部分学生认为带电量大的物体受到的作用力大，带电量小的物体受到的作用力小。

在未系统对学生进行科学论证能力训练前，学生通常不注重科学论证，在论证中通常会遇到以下困难[3]：

（1）无法提出正确的观点。

（2）使用生活经验和已有认知，而不使用事实证据和理论依据来进行推理。

（3）缺乏分析和批判论证的能力。

（4）无法深刻理解概念和规律的内涵外延，不能和问题情境相结合进行论证。

（5）不能清晰表述论证。

科学论证能力是科学思维能力的重要组成部分。只有经常有意识地进行强化练习，才能促进学生学科核心素养的全面发展。

4.4    “库仑定律”概念教学节点

“库仑定律”的教学，由于库仑扭秤实验的精密性和对实验条件的苛刻要求，定量实验难以在课堂上实现。目前，各种赛课和相关论文都对物理教学课堂上的库仑定律定量实验进行改进和创新，取得了一定的突破。如用精度较高的电子分析天平或电子称来测量静电力的大小，但实验的严密性还需要推敲，更难以像库仑扭秤实验那样有效培养学生的物理观念和科学思维能力等，实现其教育价值。所以，笔者认为，在“库仑定律”的教学中应紧扣物理学史，根据学生概念的学习进阶路径设计教学思路。

4.4.1    “库仑定律”学习进阶节点一——点电荷模型的建立

在课堂引入上，可以创设一些有趣的静电力实验情境，如山东科学技术出版社物理选修3-1教材“迷你实验室”中的“看谁能赢”“水流偏转”“纸屑飞出”等，引起学生对静电力的思考。学生在已有前概念的基础上知道物体带有电荷，带电体间有相互作用力。这时，老师可以指出本节课的教学目的：探究带电体间的相互作用规律。开始探究规律，必先要建立物理模型。教师通过提问“两个带电体间的相互作用力可能与什么因素有关？”让学生阐述自己的观点，如可能与带电体的形状、大小、电荷量、距离等因素有关。教师提问“如此复杂的实物如何简化创建模型？”引导学生与前面的知识点“质点”进行类比，创建新的模型，并对模型进行推理论证和反驳论证，修正模型，最后突破学习进阶节点，建立点电荷模型。

静电力在实验和观测上有很大的难度，需要很精密的仪器。点电荷模型创建后，接下来是让学生进行“库仑定律”的定性实验（图3），让学生从实验收集事实证据，验证两个点电荷之间的作用力与它们之间的距离的平方成反比，与它们的电荷量成正比。

4.4.2    “库仑定律”学习进阶节点二——静电力的大小与距离的平方成反比

在学生有以上的认识后，如何引导学生突破静电力的大小与距离的平方成反比是学习进阶的一个重要节点，这里必须要从相关的物理学史讲起，引导学生体验科学家的科学论证过程，从而实现概念的学习和科学思维的提升。

1684年，牛顿研究发现，均匀球壳对球壳外一处物体的吸引力相当于将球面质量都集中在球心产生的吸引力，而对球壳内任意一点处的吸引力大小为零。1747年，富兰克林发现，带电小软木会受到带电金属罐的吸引，但把软木块放入金属罐的内部时却完全不受力。普林斯特重复了这个实验，通过类比推理，认为电荷之间的作用力跟万有引力是符合同一定律的，即与距离成平方反比关系。1785年，库仑设计了精巧的电斥力扭秤实验，用事实证据证实了普林斯特的观点，并在1787年借鉴了万有引力下单摆的周期运动，设计了电摆实验，证实了“正电荷与负电荷之间的吸引力也遵循距离的平方反比关系”。

“静电力大小与距离的平方成反比”的提出与证实体现了科学家的智慧，是一个伟大的科学论证过程。学生参与并学习科学研究的发现，对培养学生的核心素养是很有帮助的。同时，这里也为后面电磁场和静电屏蔽原理的学习埋下伏笔。在均匀的各向同性的三维空间中的点辐射源，其傳播都满足与距离的平方成反比的关系。遵守平方反比定律的正反力具有屏蔽效应。现在的很多电子通信设备， 如果不借助于静电屏蔽， 各种元件相互干扰，就难以实现信息传递。对平方反比律本质的追问，有利于学生建立正确的物质观，对自然规律的多样性和统一性有进一步的认识。

库仑扭秤实验和电摆实验难以在课堂上展示，但是教师可以通过视频和资料让学生经历科学家的实验过程，感受科学家是如何通过实验获得事实证据、推理论证观点，如何用转换法和微小量放大法对静电力进行测量。在教学中可以将库仑扭秤实验的原始数据列出（表1），引导学生分析数据得出结论，并引导学生体验科学家面对第三组数据的偏差，及仅用三组数据验证规律证据的不足时的科学思维光芒。

4.4.3    “库仑定律”学习进阶节点三——静电力大小与q成正比

质量的大小是比较容易观察和感知到的。电荷无法直接观察，需要通过带电体受力的大小反推电荷量的多少。而库仑当时只知道物体带电荷，但是没有电荷量的量度。如何找到静电力与电荷量之间的关系，库仑用了一个很巧妙但不太严格的方法：对称均分法。库仑认为，根据守恒的思想和对称的思想，可以得到两个相同的小球接触，小球上的电荷电量会平均分配。

面对库仑的这个观点，可以引领学生进行论证，守恒思想和对称思想是否可以作为电量平均分配的依据？可设计相关的实验（图4），从而获得相应的事实证据支持观点。

在验证小球电荷量可均分后，同样可以类比万有引力定律中的质量，利用库仑扭秤实验验证静电力大小与电荷q成正比，从而突破了学习进阶的节点三，建立了库仑定律。

4.4.4    “库仑定律”学习进阶节点四——库仑定律的适用条件

在建立库仑定律后，可以利用现代的精密仪器，验证库仑定律的正确性，并在验证过程中思考库仑定律的适用条件。

（1）两个点电荷之间距离趋于零时，相互作用力是否趋于无穷大？学生进行推理论证和反驳论证，得出在无穷近处，电荷无法看成点电荷，库仑定律将无法成立。通过实验验证和合理推断，库仑定律的适用范围可扩展到 10-13～1026 m。

（2）两个点电荷的相互作用力会受到其他电荷的影响？同样让学生进行推理论证和反驳论证，最后得出静电力叠加原理。

（3）库仑定律是否只适用于真空条件？让学生进行论证反驳，两个点电荷间的作用力不会因为其他因素的存在而受到影响。但是，如果在非均匀介质中，点电荷受到的总作用力比较复杂，难以测量。

通过对库仑定律的内涵和外延的探究论证，突破了概念学习进阶的第四个节点，从而深入地理解和掌握库仑定律，对主题核心概念“相互作用”有更进一步的认识。

5    结    语

通过“库仑定律”的课例可以看出，将学习进阶和科学论证整合的物理概念教学，顺应学生的思维发展，培养学生的科学思维，对学生建构物理模型、掌握学科核心概念有较大的作用。值得注意的是，在整合中，应根据实际需要选用合适的科学论证方法，而不是每次科学论证都要达到层次三的水平。同时，在教学过程中注重情境的创设和问题的提出。这样的教学设计能有效达成物理学科的教学目标，培养学生的学科核心素养。

参考文献：

[1]陈小红，罗琬华.构建物理概念习得的学习进阶[J].中学物理教学参考，2014，43（8）：8-11.

[2]斯蒂芬·图尔敏.谢小庆，王丽，译.论证的使用[M].北京：北京语言大学出版社，2016.

[3]郑颖，张军朋，张玉发.高中生物理科学论证能力表现——基于Rasch模型的测试评价[J].物理教师，2019，40（1）：2-6.

[4]李文娟，張杰.源于实验创新的教学设计策略——以“库仑定律”的教学设计为例[J].物理教学，2019，41（8）：52-54.

（栏目编辑    赵保钢）