基于核心素养探索定律教学

邱辉

摘   要：文章基于高中物理学科核心素养，探索核心素养下关于定律教学的共通性、借鉴性;结合高中物理“库仑定律”的教学实践，提出几点可行性做法，即“问题引领促认知”“追本溯源显思想”“定量探究需创新”。

关键词：库仑定律;问题引领;追本溯源;创新实验;核心素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）6-0004-4

当前新一轮课程改革正在全国范围内逐渐拉开序幕。本次课改围绕核心素养，从育人的角度出发，旨在培养学生走向社会所必需的关键能力、必备品格和价值观念。为了促进学生核心素养的真正达成，各学科也先后提出了具有学科特色的核心素养，以期形成合力。高中物理学科核心素养分为物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面。物理观念代表知识的内化，是其他核心素养的基础;科学思维和科学探究是关键能力;科学态度与责任是必备品格与价值观念。如何才能促使学科核心素养真正落地，笔者认为出发点在课程，着力点在课堂，落脚点在评价。物理学作为自然科学的重要组成部分，对学生核心素养的培养至关重要。吴加澍先生曾说过，物理教学的核心价值就在于促进学生实现三个转化：一是把人类社会积累的知识转变为学生个体的知识，使他们知道世界是什么样的，成为一个客观的人;二是把前人从事智力活动的思想方法转化为学生的认识能力，使他们明白世界为什么是这样的，成为一個理性的人;三是把蕴含在知识中的观念、态度等转化为学生的行为准则，使他们懂得怎样使世界更美好，成为一个创造的人[1]。

物理学是一门以实验为基础的学科，物理学之所以被公认为是一门重要的科学，不仅仅在于它对客观世界的规律作出了深刻的揭示，还因为它在发展、成长的过程中，形成了一套独特而卓有成效的思想方法体系[2]，物理学科中的诸多定律更能体现这一点。所谓定律是指在一定条件限制内总结得出的规律，与公理、定理不同，定律是以实验为基础的采用不完全归纳法总结得出的规律，它是观察、实验与物理思维相结合的产物。许多定律的得出都体现了科学家们的独具匠心、独具慧眼、独树一帜，当中蕴含的物理思想方法、思维方式都是物理学家们留下来的宝贵的精神文化财富。例如，万有引力定律中牛顿关于引力与重力关系猜想的独特思维;卡文迪许扭秤实验中用到了放大思想、转化思想、对称思想;法拉第关于电磁感应定律的得出长达数十年之久的追求真理的精神等等。正因为定律的发现处处体现了物理的学科特点（以实验为基础），处处蕴含着物理思想（简单、对称、统一），处处彰显着科学人文价值（对真理的孜孜追求），所以定律的教学应成为培养学科核心素养中的研究点、闪光点、出彩点。本文以库仑定律为例，通过优化认知过程，溯源思维过程，创新实验过程，谈谈定律教学如何紧密联系核心素养。

1    问题引领促认知

物理学的发展史就是一部不断修正错误、不断逼近真理的“求真”史。库仑定律的得出经历了比较漫长的发现过程，其中凝聚了以库仑为首的一众物理学家的毕生心血。如何将发现的过程转化、浓缩为物理课堂的“亚研究”“类创造”，需要有问题的引领与启发。杨振宁先生曾将他成功的奥秘归结为：“要站在问题开始的地方，要面对原始的问题......”思维总是起始于问题，问题是课堂的动力，它推动了课堂的前进与知识的生成。

1.1    核心问题显脉络

理科的课堂教学需要有清晰的脉络，需要有明确的核心，核心问题的设置是对教学内容的凝练，是课堂教学的主线，是学生认知的路线。有了核心问题，学科教学就有了层次性、连贯性，学生认知就有了递进性、梯度性。本节课的核心问题设置如图1所示。

三个核心问题构成递进式问题串，显示出了本节课教师的教学脉络和学生的认知脉络，简单、明了、清晰。

1.2    启发问题显本质

在教学过程中往往会遇到一些物理学中重要的思想方法，这时候需要设置一些启发性的问题来“促思”，来帮助学生去伪存真，直达物理本源。

教学片段1：

在讲解库仑定律的条件时，学生通过猜想得到了电荷间的相互作用与带电体的电荷量、距离、带电体间的介质、形状等因素有关后，可以设置以下问题：

师：你认为带电体间最理想也是最简单的介质是什么？

生：真空。

师：你认为带电体最简单的形状是什么样子的？

生：点。

评析：这两个问题的启发引导性强，问题中内含简化的思想，学生在思考问题的同时也体会到了物理条件的简单美，物理模型的简单美。这恰恰是物理课堂要渗透给学生的观念，学生在回答问题中实现了内化。

教学片段2：

在学生通过分组实验定性得出“距离越大，带电体间的作用力越小;电荷量越大，带电体间的作用力越大”的结论后，可以设置以下问题：

师：你认为F与q之间最简单、最有可能的定量关系是什么？

生：F与q成正比。

师：你认为F与r之间最简单、最有可能的定量关系是什么？

生：F与r成反比。（授课时再通过物理学史说明科学家的猜想）

评析：这两个问题设置在定性分组实验之后，让学生真正参与实验探究，而不是作为外来的观察者、参观者，学生在回答问题时，也体验到了物理猜想的简单美。

教学片段3：

在讲解库仑在不清楚具体电量多少的情况下如何改变电量时，设置以下问题：

师：你觉得带电体电荷量最简单的变化是什么形式？

生：成倍变化。

师：你认为可以如何实现成倍变化呢？

生：将带电小球与另一个完全相同的不带电的小球相接触，使电量均分。

评析：该问题让学生直面当时库仑遇到困难的情境，学生在回答出成倍变化、如何成倍变化的同时，也体悟到了物理思想的简单美。

物理定律一般具有近似性和局限性。物理规律的近似性来源于理论模型，是对实际过程的简化。物理规律的局限性在于规律总是在一定范围内发现或推理得到的，并在有限范围内被检验，也就是说物理规律有它的适用范围和条件[3]。对于定律中的适用范围或者简化模型可以通过启发性问题充分挖掘其背后的物理本质。

2    追本溯源显思想

库仑定律是电磁学的第一个基本定律，其重要性不言而喻，如何让学生自然流畅地得到库仑定律就需要溯源。所谓溯源，即追溯本源，在追溯本源中建构知识，在还原历史中体会科学思维。库仑定律是以库仑为首的众多科学家智慧的结晶，其中不仅有库仑扭秤的巧妙设计，也有普利斯特里等科学家的类比猜想。让学生经历知识的建构过程，了解知识的来龙去脉，可以帮助学生沿着科学家的路去体会、去体验、去体悟科学家当时的想法。这除了可以帮助学生获得知识，更重要的是通过科学家的思维来培养学生的科学思维，培养学生分析、解决问题的能力。早在17世纪，随着富兰克林等众多科学家对电的研究的逐步深入，才有了库仑定律的发现，当中的发现过程如图2所示。

富蘭克林曾做过一个有趣的实验，他将一个带电小球放入一个均匀带电的空银桶中，发现小球静止不动，说明小球在银桶中不受力。于是，他将这个有趣的实验告诉了他的好友普利斯特里。普利斯特里重复了该实验后，类比万有引力定律中将一个物体放入均匀球壳中，物体同样不受万有引力，由此类比猜想出电荷间的作用应该与距离的平方成反比（如图3）。

但因为社会发展水平所限，当时遇到了两个困难：

困难1：电荷间的相互作用力很小。如何才能够精确地测定力的大小？

这当中体现了库仑的智慧所在，体现了物理中的放大思想和转化思想。

具体操作如图4所示。

困难2：当时无法测量电荷量，甚至连电荷量的单位都没有。如何确定电荷间的数量关系？

库仑巧妙地避免了电荷量无法定量测量的问题，采用了与相同的不带电小球接触使电荷量成倍减小的方法。体现了物理中的对称思想。

库仑扭秤其实只能探究库仑斥力间的定量关系。对于库仑引力，由于两带电小球会相碰，改变了小球上的电荷量，影响实验结果。库仑在第二篇论文中想出了第二种方法来补救，也就是著名的“电摆实验”。教科书中没有提及，仅根据库仑扭秤得出库仑定律存在不严谨的地方。电摆实验是在牛顿万有引力定律的启发下得到的。库仑意识到在地球对物体的作用力遵从平方反比规律的前提下，必然存在地面上单摆摆动周期正比于摆锤离地心的距离。库仑把电的吸引力同地球对物体的吸引力进行类比，设计了电摆实验。如图5所示，库仑进行了3次实验，纸片与球心的距离之比为3：6：8，三次振动周期之比为20：41：60，库仑认为，在漏电的情况下实验值与理论值基本符合，得到库仑引力也是与距离平方成反比的[4]。

定律的教学必然会与物理学史相关联。笔者对物理学史的教学一直比较推崇，因为它是漫长的历史长河中遗留下的精神文化瑰宝。让学生沿着科学家的路再走一遍，利用科学家的思想熏陶学生，可以起到事半功倍的作用。其作用有三点：1.增加课堂的趣味性、融洽度，促进学生形成物理观念。2.体悟物理学家独到、独特的思想方法，创新、前瞻的思维方式，培养学生的科学思维与科学探究能力。3.感受科学发展的艰辛，形成学生的科学态度与责任。但物理学史的讲解不应变成教师的“独角戏”。笔者认为，可以在现象发生处让学生猜想，在问题解决处让学生思考，在过程艰辛处让学生感悟，增强物理学史讲授中的互动性，才能更好地体现追本溯源的初衷。

3    定量探究需创新

定律的发现除了需要溯源外，还可以借助于现代先进的仪器设备进行一些创新，通过创新实验得到结论的同时，也培养了学生的创新精神，告诉学生“老问题”也可以用“新办法”。

物理核心素养中倡导科学探究，科学探究必然需要创新。创新是课堂的闪光点，是优质课堂的必备要素。本节课基于库仑扭秤调节困难、实验原理与高中生知识接受不符合等因素的考量，创新采用0.001 g电子分析天平测出两带电金属圆片间的作用力。

实验器材：电子分析天平一台，自制带有绝缘柄的铝箔金属圆片一组，快速定位支架，起电机一台。

实验原理：使两金属圆片正对，利用电子分析天平的去皮功能使示数归零，利用起电机使两金属圆片带上同种电荷后，天平的示数就可换算成力的大小。

实验过程：

（1）控制两金属圆片的电荷量不变，改变两金属圆片间的距离

利用起电机使两金属圆片带上同种电荷，根据标记使两金属圆片的初始距离为4 cm，读出天平示数之后每隔1 cm向上增加，依次记录数据，采用Excel表格作出图像（图6），由此得到F∝。

（2）控制两金属圆片的距离不变，改变金属圆片的电荷量

利用起电机使两金属圆片带上同种电荷，保持距离不变，记录天平示数。采用第三块完全相同的不带电金属圆片与上金属圆片接触使电量减半，记录天平示数。重复上述操作，可使上金属圆片电量再次减半，记录数据。采用Excel表格作出图像（图7），由此得到F∝q1。采用相同操作与下金属圆片接触，同样可以得到结论F∝q2。

本实验还可以使两金属圆片带上异种电荷，演示电荷间的吸引力，相比于库仑扭秤和电摆实验，原理更加简单，现象更加明显。

定量创新实验的课堂展示在学生进行分组定性实验之后，学生通过亲自动手得出了作用力与距离和电荷量的定性关系后，迫切需要得出定量关系。创新实验穿插在库仑扭秤的讲解之中，库仑扭秤的定量测量分析与创新实验的现场操作展示，将整个实验从实验仪器、实验原理到实验操作、数据处理包括误差分析全部呈现在学生面前，让学生经历猜想、实验、得出结论、分析误差、实验改进整个探究的过程，可以更好地帮助学生感知作用力与距离和电荷量的关系。笔者在讲解得出实验结论时，并没有对误差弃之不理，而是让学生讨论、分析误差产生的原因。学生提出了很多很好的想法，有学生提出可以加玻璃罩减小周围环境的影响，而这些都是以后可以改进的方面。

定律教学需要创新，可以是实验创新，也可以是思路创新。借助于一些现代化的手段解决前人无法解决的难题，会使课堂更加富有时代性、创造性。创新是对科学探究的继承与发展，更是人类对真理、对社会发展的不断追求。

学科知识只有通过学科活动才能转化为学科素养，如何借助定律教学帮助核心素养落地，课堂是主阵地。核心素养的达成需要课堂递进化、创新化，需要知识情境化、问题化，需要生成延缓化、过程化，最终促成學生能力化、素养化。当然，物理课堂除了需要利用物理知识、物理思维来培养学生的核心素养外，其实还承担着传播物理文化的重要使命。这就需要物理教师有意识地去开发课程，创新课堂，在实现立德树人育人目标的同时，还能够促进物理教师价值的自我实现。

参考文献：

[1]吴加澍.对物理教学的哲学思考[J].课程·教材·教法，2005，25（7）：64-69.

[2]袁振国.教育新理念[M].北京：教育科学出版社，2002：41.

[3]王华，张健，李春密.渗透物理学史，促进规律建构——以“库仑定律”为例兼谈物理定律教学[J].物理教师，2017，38（7）：9-11.

[4]仲扣庄.物理学史教程[M].南京：南京师范大学出版社，2009：125.

（栏目编辑    赵保钢）