融入物理学史促进学生理解科学本质的教学探讨——以“库仑定律”为例

李红伟

(广州市第五中学，广东 广州 510240)

1 问题提出

“HPS”是科学史、科学哲学与科学社会学的英文缩写．HPS教育提出至今已经有100多年的历史.在上世纪 80 年代,一些西方国家相继推行HPS教育来促进科学教育的发展．近年来,我国的HPS教育研究得到很大发展,并取得了较大的成效,达成了新的共识，即HPS教育有利于学生对科学概念、科学规律的理解,有利于学生探究精神与创新思维的培养,有利于学生对科学本质的认识,有利于学生的科学素养的提高.

《普通高中物理课程标准(2017年版)》提出高中物理课程目标:高中物理课程应在义务教育的基础上,进一步促进学生物理核心素养的形成和发展．[1]构成物理核心素养的4个方面:物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任;其中“科学态度与责任”是指在认识科学本质,认识科学·技术·社会·环境关系的基础上,逐渐形成的应有的科学态度和社会责任感．[1]新的课程标准明确指出科学本质是高中物理核心素养的重要内容,说明对科学本质教育的重视,这一点与HPS教育理念是相吻合的.

科学本质主要指科学知识及科学知识发展过程中固有的价值观和假设．[2]目前对科学本质究竟包含哪些方面的内容依然存在争议,达成共识的内容主要有以下几个方面:科学具有暂时性、 创造性、观察和推理、主观性、社会和文化嵌入性以及实证性等．[3]在现行物理教学中,对于提升学生对科学本质的理解通常会采用开展科学探究活动和融入物理学史两种方法.融入物理学史可以帮助学生了解物理学家在面对问题时是如何思考假设、如何解决问题,认识物理知识是如何形成与发现的,从而理解其中蕴藏的科学本质的丰富内涵.

库仑定律的发现和发展是一个漫长的历程,是几代科学家不懈努力的结果(如表1所示)．库仑定律的发现及科学家们对n的精确测量不懈追求历程,不仅反映了科学家们在研究过程的思想与方法,更充分体现了科学本质内涵的各个方面．如科学家们从不同角度对平方反比规律进行研究,诠释了科学的主观性;库仑通过扭秤实验和电摆实验证明了电荷间相互作用遵从平方反比规律,体现了科学的创造性;D.伯努利猜测电荷之间是否与万有引力一样遵从平方反比规律,这是基于观察和推理;科学家们对n的精确测量不懈追求过程,体现了科学的暂时性．将这些物理史实融入到课堂教学过程中,让学生明确库仑定律不是库仑独自发现建立的,在之前有许多科学家的奠基性工作;了解在库仑定律发现之后科学家们所做的不懈努力,认识到科学发展不是一帆风顺、一蹴而就的,是一个继承与发展的过程;在此过程依靠的是仔细观察,依靠的是质疑精神、批判精神,即在观察中质疑现行理论,提出挑战,提出新的观点．鉴于此,笔者决定将库仑定律的发现史融入课堂教学中,以此来提升学生对科学本质内涵的理解.

表1 库仑定律的发现和发展史

2 教学设计及实施

如何将物理学史中所承载的科学本质共识,真正落实到物理课堂教学中,成为提升学生学科素养的重要组成部分,是物理教师需认真思考的问题．传统教学对物理学史教育一般采取以下两种教学策略:一是教师结合图片、视频等媒体呈现绘声绘色地讲给学生听;另外就是采取成果汇报方式,即学生课前查阅史料,形成文字、PPT等学习成果,课堂上进行成果汇报．笔者认为这两种方式固然能够调动学生学习积极性,但都不可避免流于形式,是一种浅层次的体验,因为学生学习过于专注形式或史实本身,必将会忽略科学家们的思想方法,忽略物理学史中所蕴含的科学本质内涵．按照应该加强学生思维深度体验的教学理念,结合高中学生的学习特点,笔者对库仑定律的教学设计了以下教学流程(如图1所示).

教学活动设计从科学探究环节考虑,设计了包含库仑定律的猜想、验证、发现与发展等几个重要教学环节;各环节的设计均注重学生主动性,让学生积极参与认真思考,达成学生通过活动体验来理解科学本质的目的.

图1 库仑定律的教学流程图

2.1 第1个主要环节——为重要事件排序

教学活动： 将历史上的以下重要事件按照时间先后进行排序.

(1) 库仑用扭秤实验和电摆实验证明静电力遵从平方反比规律,后来又设计实验证明静电力大小与两电荷电量的乘积成正比,提出库仑定律.

(2) 普林斯顿和劳顿俩人将n精确到2±10-9.

(3) 普利斯特利类比万有引力提出:电荷间的作用力服从平方反比规律.

(4) 麦克斯韦利用检验空心导体内表面带电情况的方法,将n精确到2±10-4.

(5) 卡文迪许通过半球封闭实验验证了静电力的平方反比规律,并将n精确到2±0.02之间,可惜的是他并没有将结论发表.

(6) 德国科学家爱皮努斯实验发现:当发生相互作用的电荷之间距离减小时,两者的吸引力或排斥力增大.

(7) 英国爱丁堡科学家约翰·鲁宾逊用实验的方法得到r的指数n=2.06.

(8) D.伯努利首先猜测电荷间的作用是否与万有引力一样遵从平方反比规律.

设计意图： 教学设计过程中刻意将物理事件发生的时间隐去,要求学生置身于当时的历史情境,设身处地站在当时科学家的角度进行问题的思考.通过小组之间的合作交流,逻辑分析,梳理事件发生的先后顺序.教师在学生深度体验的基础上阐述库仑定律发现过程中所蕴含的科学本质:主观性、创造性.

2.2 第2个主要环节——类比猜想

教学活动：播放:氢原子核外电子绕核旋转与地球绕太阳运动的动画;类比:地球绕太阳做匀速圆周运动,万有引力提供向心力;电子绕原子核做匀速圆周运动,静电力提供向心力;猜想:万有引力大小与两物体质量乘积成正比,与距离平方成反比;则静电力的大小与两电荷电量乘积成正比,与距离平方成反比.

物理学史：1760年D.伯努利首先猜测电荷间的作用是否与万有引力一样遵从平方反比规律.

科学思维与方法：模型建构法、类比思维法.

科学本质：主观性、观察和推理.

设计意图： 库仑定律的发现很大程度上是通过静电力与万有引力类比得到的,教学设计中有意识地强化类比意识,给学生提供了氢原子核外电子绕核旋转与地球绕太阳运动的动画,让学生从运动情况的相似想到受力特点的相似,从而进一歩猜想静电力与电荷电量、电荷间距离的关系;让学生在类比猜想的过程中体会科学的本质:主观性、观察和推理.

2.3 第3个主要环节——定性探究

教学活动：①F与r之间的定性关系：让A、B球带上同种电荷，B球向A球逐渐靠近，A球悬线偏角变大,如图1(a)所示；②F与q之间的定性关系： 让A、B球带同种电荷，增大A、B球所带电荷量，两球悬线偏角变大，如图1(b)所示.

图1

物理学史：1750年爱皮努斯实验发现相互作用的电荷之间距离减小时，两者的吸引力或排斥力增大.

科学思维与方法：控制变量法、转换思维法.

科学本质：观察和推理、实证性.

设计意图： 利用控制变量法探究F与r之间、F与q之间的定性关系,让学生通过观察实验的现象,自主分析,归纳得出静电力大小与各要素之间定性关系,重温科学家的探究历程,促进学生对科学本质的观察和推理、实证性等方面深刻理解.

2.4 第4个主要环节——定量探究

图2

教学活动：① 静电力测量仪左右两端连接A、B球，所有球不带电，横梁水平时，指针处于中间0刻度.② 让B、C球带异种电荷，C球置于B球正上方，调节球C位置；当指针处于中间0刻度时，横梁水平，电荷间库仑力的大小由力传感器示数，刻度尺读出带电小球间的距离.③ 通过等分电量法改变B、C球电荷量，重复②实验步骤多次.④ 让B、D球带同种电荷，D球置于B球正下方，重复②③实验步骤多次(图2).

图3

物理学史：① 1772年，英国物理学家卡文笛许通过双层同心球实验证明了电荷间的作用力与距离平方成反比.② 1785年法国物理学家库仑用扭秤实验和电摆实验证明静电力遵从平方反比规律，后来又设计实验证明静电力大小与两电荷电量的乘积成正比，提出库仑定律(图3).[4]

科学思维与方法：微小量放大法、转换思维法、等分电量法.

科学本质：创造性、观察和推理.

设计意图： 教学设计中,通过自制实验器材——静电力测量仪探究静电力大小与电荷电量和电荷间距之间的定量关系,学生在规律的学习过程中,结合史实了解实验设计的思路,体会实验隐含的科学思想方法．设计中特别强调:库仑是通过扭秤实验与电摆实验这两个实验才最终证明静电力遵从平方反比规律.这有利于纠正学生的习惯性错误观点——库仑通过扭秤实验得出库仑定律．这不仅有利于学生理解科学的实践性,还有利于学生认识问题的全面性、客观性,从而培养学生正确的科学本质观.

2.5 第5个主要环节——应用对比

教学活动：例题.已知氢核的质量1.67×10-27kg,电子的质量9.1×10-31kg,在氢原子内它们之间的最短距离为5.3×10-11m;试比较氢原子中氢核与电子之间的库仑力和万有引力．请比较万有引力定律和库仑定律的表达式有哪些相似之处?谈谈你会有怎样的想法?对自然规律的多样性与统一性应如何认识?

物理学史：理论上万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力可以解释宇宙间所有现象;爱因斯坦后半生一直致力于研究这四种作用力之间联系,希望寻找统一的理论来解释四种相互作用力的各种现象.

科学思维与方法：类比思维法、假设思维法.

科学本质：暂时性、主观性.

设计意图： 万有引力公式计算得到的两物体间的作用力只能是相互吸引,库仑定律公式计算得到的电荷间相互作用的力,既可以相互吸引也可以相互排斥,这是两公式实质区别;但万有引力和库仑定律数学表达式在形式上如此相似,且表述的都是场力,这都为寻找统一的理论提供了可能．爱因斯坦后半生一直致力于大统一理论的研究,虽然没有最终成功,但对科学本质的主观性、暂时性等方面进行了很好的诠释.

3 体现科学本质的教学建议

科学本质观的教学方式可分为隐性教育和显性教育．隐性教育是指在没有明确指出科学本质成分的情形下,通过教学过程增进学生对科学本质的认识;显性教育是指在明白指出科学本质成分的前提下,在教学过程中增进学生对科学本质的理解．实践证明,显性教育能够更有效地促进学生的科学本质观形成和发展.

2017版高中物理课程标准中在课程目标中对科学本质的教育目标提出了显性要求——能正确认识科学的本质．这要求教师要关注科学本质,认识到在物理课堂教学中教授科学本质的重要性;要求教师在教学设计中有意识地把科学本质观教育作为教学目标之一,使其成为一种教学行为．如“库仑定律”的科学本质教学目标可以设置为:了解科学知识的产生依赖于观察和推理;了解科学知识的暂时性.

著名教育家叶圣陶先生指出?“教材无非是个例子”.这表明教材是学生学习资源的其中一种,是教师实现教学目标的工具之一．教师在使用教材过程中,应该从教学的实际出发,创造性地使用教材,对教材内容进行适度的拓展延伸．教材在编写中,由于受各方面因素的制约,对物理学史的描述并不完整详尽;教师在备课过程中,要充分地了解物理学史内容所对应的历史背景,了解科学家们科学探究的思想与方法,了解科学家们所经历的探索历程、依据的实验事实等等;设计课堂教学活动时,要根据物理学史的内容类型,预设合理的教学活动,从而实现科学本质观教育的目标.

研究表明:如果没有经历正确的引导和显性的说明,学生难以通过自己的探究活动清楚的认识科学本质的特征．教师在每个主要环节的学习活动结束,要趁热打铁,与学生一起共同总结科学本质的内容,且外显在板书上;在教学活动完成后,既要引导学生对科学知识、科学方法进行归纳,也要有意识地对总结科学本质内容进行总结．总结科学本质内容时要讲究策略,不要生硬贴标签,而要结合物理史实与学生课堂经历的学习活动,从中概括、提炼与升华.

总之,物理学史中蕴含丰富的教育资源,对于提升学生对科学本质的理解具有极大的教育价值．作为中学物理教师,充分地挖掘其中的育人价值,应用不同的形式开展科学本质观教育活动,必将对学生学习物理概念,掌握物理规律,内化科学方法和理解科学本质内涵起到良好的促进作用.