回归研究本真 发展核心素养——以“库仑定律”教学为例

季正华 刘霁华

(1. 常州市北郊高级中学，江苏 常州 213031； 2. 常州市教育科学研究院，江苏 常州 213001)

课堂是培养学生学科核心素养的主阵地，如何实现从知识课堂向素养课堂的转变，是广大一线教师甚为关注的教学问题.而“学习即研究”的现代学习观，为培养学生物理核心素养的课堂教学设计提供了新的思路.

1 “学习即研究”观点的基本内涵

科学学习的本质是研究，学习者就是研究者，学习过程就是研究过程.[1]“学习即研究”是回归学习本质，用科学研究的方法引导学习，将科学观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等学科核心要素渗透到学习中，并通过构建真实情境，巧用问题驱动，激活科学思维，体验探究过程，秉持科学态度，引发质疑创新，促进学科核心素养发展，从而使学习过程的各个环节得到实质性的优化.

2 基于“学习即研究”观点的教学案例

现以江苏省高中物理评优课一等奖“库仑定律”为例来谈谈“学习即研究”观点下优化课堂教学的实践探索.

2.1 趣味实验，提出研究问题

分组实验：利用桌上的器材(PV管、丝绸、易拉罐)，不接触易拉罐，让它滚动起来.

图1 趣味实验

学生操作：用丝绸摩擦PV管起电，然后让PV管靠近易拉罐(如图1所示).

学生解释：丝绸摩擦的PV管带有电荷，PV管、易拉罐上存在异种电荷而相互吸引.

设计意图：用研究兴趣激活学习.趣味实验创设了真实的物理情境，激发了学生的学习兴趣，激活了学生思维，既吸引学生学习注意力，促进学生整体参与，又激发学生在“兴趣的作用下”探究物理本质的学习动机，从而激活学生的课堂学习状态.

2.2 基于问题，建构物理模型

电荷间的作用力与哪些因素有关？摒弃传统的“忽略带电体的形状、大小及电荷分布对它们间作用力影响”的“告知”式教学方式，采用现代“学习即研究”观点的教学方式，如图2所示.

图2 点电荷模型的教学流程

设计意图：由情境生成问题，驱动“点电荷”概念的研究性教学.从研究对象、研究问题、影响因素之间寻求突破，既维持学生学习的注意力和兴趣，又在链接学习与生活经验以及经历物理模型建构的过程中，引发学生用研究的视角分析物理现象的本质，从而促进学生科学思维能力的提升.

图3 定性实验

2.3 定性实验，提出科学猜想

如图3所示，用细线悬挂锡箔纸包裹泡沫做成的小球，将锡箔纸包裹的乒乓球固定在绝缘底座上(为减少漏电，小球表面应光滑，并用石蜡绝缘连接处).

演示实验：保持两小球之间的距离不变，改变一个小球的电量；保持两小球的带电量不变，改变两小球之间的距离.

实验现象：前者，细线与竖直方向的夹角随两小球带电量的增加而增大；后者，细线与竖直方向的夹角随两小球之间距离的增大而减小.

讨论交流：电荷间作用力随电荷量的增加而增大、随电荷间距离的增大而减小.

科学猜想：(类比：万有引力)电荷间作用力与电荷量成正比、与电荷间距离平方成反比.

设计意图：用研究目标引领学习.实验探究是人们探索自然规律、获取科学知识的主要手段，是综合的、关键的科学能力和素养的体现，其基本过程是从定性探究到定量探究.定性静电摆实验为学生提供了探究学习的机会，培养学生收集、处理信息的能力和基于证据形成猜想的能力，同时引导学生明确研究目标，引领定量探究方向.

2.4 定量实验，体验研究过程

图4 定量实验

实验原理：[2]如图4所示，带有底座的金属圆盘1放在分析天平检测台面上，在其正上方通过支架固定金属圆盘2.让两圆盘带上同种电荷，根据天平的读数得到排斥力的大小.调整测量杆改变圆盘间距离，数值由杆上刻度读出.

实验测量：由控制变量法、倍分法，合作测得数据如表1、表2.

表1 电荷间作用力F与电荷量q1的关系

表2 电荷间作用力F与电荷间距离r的关系

数据处理：作出电荷间作用力F与电荷量q1、电荷间距离r-2的关系图像(先尝试坐标纸作图，再用计算机作图)，如图5所示.

(a) 电荷间作用力F与电荷量q1的关系

(b) 电荷间作用力F与电荷间距离r-2的关系

设计意图：用研究方式组织学习.定量实验探究让学生体验现代科技带来的设计革新与测量便捷.坐标纸作图的经历，让学生学会处理实验数据的基本方法，理解图像法减小误差的基本原理，体会科学研究的严谨性，养成良好的科学态度.在学生经历和体验科学研究的过程中，强化对“学习即研究”现代学习观的认识，促进和发展学生物理核心素养.

2.5 质疑评价，引发科学思维

教师：对图5(b)你会有什么疑问？你能提出什么问题？

学生：在1/r2较大时，也就是r较小时，图像弯曲.为什么会弯曲呢？

教师：你提的问题很好，所描的点在1/r2较大时出现离散，为什么会出现这种现象呢？

学生：1/r2较大时，也就是在r较小时，带电圆盘不能看成点电荷.

教师：剔除离散点再作图看看.(操作并得出)F∝r-2只适用于点电荷模型.

教师：这提醒我们：在处理实验数据时不能随意丢弃、忽略数据，要尊重数据，养成严谨的科学态度.

设计意图：用研究过程深化学习.教学过程要向学习即研究过程转变与深化.由数据处理得出结论，既是实验探究的重要环节，也是质疑生成的过程土壤.从图像描点的离散到对离散现象的质疑，引发学生对电荷间距离与圆盘尺寸大小相对关系的分析讨论，既有利于学生对“点电荷”模型的深刻认识，又有利于在真实情境中激活学生思维，促进新问题的解决.这实现了学习方式由传统接受式向现代研究式的转变,也渗透了科学研究方法、强化了必备的研究习惯、培养了质疑生成与创新思维的能力.

2.6 史实熏陶，感受科学态度

设置疑问：库仑那个年代没有这样的高科技测力仪器，他是如何探究电荷间作用力规律的呢？

直观解惑：库仑实验如图6所示.介绍科学方法，类比生活中的“拧毛巾”过程破解难点，让学生领会放大法、倍分法等.介绍工作原理，播放视频动画，理解更为直观.

图6 库仑的实验

启迪升华：库仑实验是科学方法引领科学发现的典范，启发学生学习科学家克服时代局限，敢于挑战、勇于创新的精神.

设计意图：用研究方法启迪学习.创新能力是科学思维素养中的最高层级，实验是培养创新能力的重要手段.提出“库仑当时是如何测量电荷间作用力”这一历史性问题，引发学生对“库仑扭秤”实验的学习兴趣.对库仑实验方法的直观剖析，让学生感受物理学思想方法的美妙，树立创新意识，受到科学态度的熏陶.让物理核心素养理念在课堂中落地生根，从而实现知识课堂向素养课堂的转变.

问题拓展：图5(a)中直线的斜率值是否为静电力常量?

历史回顾：科学发现不是一帆风顺的，库仑的伟大也是站在很多巨人的肩上.科学研究是需要付出努力的，甚至需要几代人的共同努力.罗比逊——平方反比率的实验方差小于0.06，库仑扭秤平方反比率的实验方差小于0.02，今天的实验方差小于10-39.科学发现的过程是不断深入的.

对比赏析：万有引力与物体的质量有关，静电力与电荷的电荷量有关.万有引力只存在引力，而静电力有引力和斥力，体现了自然规律的多样性.万有引力定律与库仑定律都遵循距离“平方反比”规律，表达形式也十分相似，相互作用都是“场”作用.可见，自然界的事物具有多样统一性.科学多么完美，宇宙多么对称和谐.我们要善用多样统一的眼光看待世界.

设计意图：用研究文化丰富学习.拥有问题意识、科学精神的研究者才能成为真正意义上研究活动的主导者.学生只有将精神、素养作为知识结构的链路，其研究行为才更加积极、深刻.问题拓展与历史回顾，不仅培养学生数理结合、分析推理的思维能力，而且让学生获得了历史知识，开拓了视野.还以“认识科学发现的基础、体验科学发现的曲折、欣赏科学规律发现的智慧”的赏析过程来熏陶学生的科学文化、科学精神、科学态度，使学生体悟自然的和谐与多样之美.

3 “学习即研究”观点的课堂价值与策略

“学习即研究”观点下的课堂应该是主体为了问题解决调动自己的思维，特别是批判与创新思维在学习中回归研究本真发展素养的课堂，要构建这样的课堂教师必须做好以下几个方面.

3.1 明确研究路径，用“情境、问题”炼制学习活动

“情境—问题—探究—解决—评价—新问题……”是“学习即研究”观点下课堂实践的基本路径.案例依据库仑定律的发现过程，构建真实的研究情境展开教学.从驱动易拉罐的分组实验，引出点电荷模型和电荷间作用力的定性研究，到传统实验与现代科技结合探究电荷间的作用规律，再到回顾库仑定律的发现过程，最后到应用库仑定律解决实际问题，如图7所示.这样的课堂将被动的、规划的学习行为转变为问题驱动的、主动的、发现的学习行为.通过问题情境与问题解决，引发学生的交流、建构、发现、评价等活动，从而实现其知识获得和素养发展.

图7 教学流程

3.2 体现研究思想，用“探究、评价”铸炼探究品质

“学习即研究”观点下课堂实践的核心是将单纯积累知识向生成、探究、评价问题转变，实现论证式学习向研究式学习转变.教师要将物理概念、规律的形成过程和应用过程设计成研究过程，通过学生探究、分析、评价和总结等一系列活动，发现物理现象，探索物理规律或形成物理观念.案例中先后通过定性、定量实验对电荷间作用力进行探究，问题、猜想、证据、解释、交流、评价等铸炼着学生的探究品质.这样的课堂为学生提供了充分的探究学习机会，学生会自我建构认知、意志、情感结构，才能重建状态进入一个更高的发展平衡状态，发展核心素养.

3.3 追寻研究本质，用“质疑、创新”锤炼科学思维

学习的过程本质上是学习者面对特定情境对未知世界的探求过程，因而“学习即研究”观点认为课堂本质特征应具备研究的本质特征——质疑与创新.这就要求学习者对学习对象要保持好奇心和开放态度，具有探索精神，能对现象进行反思和质疑，具有批判、创新的实践精神.因此教学中要把“质疑、评价、创新”作为“研究”的过程要素，来促进研究式学习的发生.案例中通过对电荷间作用力与电荷间距离平方反比图像分析，学生能够反思和质疑数据点离散的现象，发现问题并通过科学推理、论证解决问题，从而深化了对点电荷模型的认识.这样的课堂通过过程的批判性、曲折性，让学生感悟思维的力量，认识质疑的重要.最终，提升了批判精神和批判能力，发展核心素养.