基于科學本質(zhì)觀教育的“庫侖定律”教學設計①

(江蘇省南京市金陵中學，江蘇 南京 210005)

·名師論壇·

基于科學本質(zhì)觀教育的“庫侖定律”教學設計①

名師簡介：黃皓燕(1967- )，女，江蘇泰州人，教育碩士，中學物理高級教師，南京市中學物理學科帶頭人，主要研究高中物理教學。

黃皓燕

(江蘇省南京市金陵中學，江蘇 南京 210005)

庫侖定律是高中物理教學的重點內(nèi)容，筆者在進行教學設計時，通過人類對電荷間作用力研究歷史的回顧，引導學生建構(gòu)庫侖定律知識，通過探究實驗定量驗證庫侖定律，注重控制變量法、類比法和微小量放大法等物理方法的學習，滲透了科學本質(zhì)觀的教育。

庫侖定律；科學本質(zhì)；物理學史；科學探究

1 引言

20世紀80年代末期美國科學促進會集眾多科學家和教育學家之智慧，提出了科學本質(zhì)的定義，它包括三個主要部分：第一是科學世界觀，世界是可以理解的，科學知識是有用的，但科學不能為所有問題提供圓滿的答案；第二是科學探究，科學要求證據(jù)，科學是邏輯和想象力的結(jié)合，科學拒絕權(quán)威，同時科學家試圖避免偏見；第三是科學事業(yè)，科學是一種復雜的社會活動，科學家在科學研究過程中遵循普遍的準則，然而科學家在參與公共事務時既是專家也是公民。在新修訂的《普通高中物理課程標準》中界定了高中物理課程的目標：進一步促進學生物理核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展。物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”四個方面的要素構(gòu)成。其中“科學態(tài)度與責任”是指在認識科學本質(zhì)、理解科學·技術·社會·環(huán)境關系的基礎上，逐漸形成應有的科學態(tài)度和社會責任感，明確指出科學本質(zhì)是高中物理教學的重要內(nèi)容。

2 基于科學本質(zhì)觀教育的教學設計

從大量的研究中可以發(fā)現(xiàn)，提高科學本質(zhì)認識的教學策略一般可歸納為內(nèi)隱及外顯兩個途徑。內(nèi)隱途徑是指在沒有明確指出科學本質(zhì)成分的情況下，通過教學增進學生對科學本質(zhì)的了解。外顯途徑需要明白指出科學本質(zhì)的成分，來增進學生對科學本質(zhì)的認識。大量研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外顯的途徑能更有效地形成學生的科學本質(zhì)觀。

增進學生科學本質(zhì)觀的教學一般采用科學探究和滲透物理學史的方法。本教學設計以物理學史為主，輔以實驗探究法，采用的路徑為：“物理學史-反思-探究-明示”，具體流程如圖1所示。

2.1 科學理論(規(guī)律)是會變化的，科學理論(規(guī)律)的發(fā)展具有創(chuàng)造性和繼承性

科學是一個不斷探究、獲得知識的過程，科學認識是不斷發(fā)展變化的，人類對電的認識就是從未知到嘗試研究，在萬有引力定律啟示下提出猜想，進行實驗探究，總結(jié)反思，最終建立了庫侖定律。

筆者在通過演示實驗定性說明電荷間有作用力后，進行了下列教學流程。

圖1

2.1．1 以科學史引入課題

人類對電現(xiàn)象的認識、研究經(jīng)歷了很長的時間，直到16世紀吉爾伯特才比較系統(tǒng)地研究了靜電現(xiàn)象，引入了“電吸引”的概念。德國柏林科學院院士愛皮努斯1759年對電力做了研究，他假設電荷之間的斥力和吸力隨帶電物體的距離的減少而增大。不過，他并沒有實際測量電荷間的作用力，因而只是一種猜測。18世紀中葉，牛頓力學已經(jīng)取得輝煌勝利，人們借助于萬有引力的規(guī)律，對電力和磁力作了種種猜測。

2.1．2 類比猜想

師：如果你在18世紀，你對電荷間的作用力會有什么樣的猜測？有可能定量計算出電荷間的作用力嗎？

師：由此我們可以猜想電荷間的作用力的表達式是什么樣的？

2.1．3 科學史介紹

2.1．4 明示

人類對物理規(guī)律的認識經(jīng)歷了循序漸進、不斷探索的過程，類比法在物理規(guī)律的建立過程中起到了重要的作用?？茖W的猜想需要實驗的證實，實踐的過程也受當時文化的影響，科學的結(jié)論能否被人們接受，還與當時人們的認識水平有關。

2.2 科學知識具有持久性，依賴于實驗的證實

雖然科學理論(規(guī)律)是發(fā)展變化的，但絕大部分知識都具有持久性。當我們用實驗探究電荷間作用力時，會得到與庫侖定律相同的結(jié)論。

2.2．1 實驗探究

師：受庫侖扭秤實驗的啟示，我們用微量天平測庫侖力的大小，用相同小球相接觸改變小球的電荷量。

(1) 介紹實驗裝置:微量天平

① 如圖2所示，橫梁水平時，左端的游碼處于0刻度。

圖2

圖3

② 如圖3所示，當兩個小球帶有同種電荷相互推斥時，天平橫梁傾斜。

圖4

③ 如圖4所示，向左移動游碼位置后，橫梁又可以回到平衡狀態(tài)。

④ 可以用橫梁水平時游碼的位置表示電荷間庫侖力的大小。

⑥ 帶電小球間的距離可以用刻度尺讀出。

(2) 研究F與r的關系

讓兩小球帶同種電荷，改變r的大小，讀出橫梁平衡時游碼所在刻度，實驗數(shù)據(jù)記錄如下表。

序號r/cmF15.0322.512

觀察數(shù)據(jù)，可以得到：F∝1/r2。

(3)F與q1、q2的關系

保持帶電小球間距離為2.5cm不變，改變兩小球的帶電量，實驗數(shù)據(jù)記錄如下表。

q1q2q1q2F1qqq2122q12q12q26312q12q14q23

庫侖定律：真空中兩個點電荷之間的相互作用力，跟它們的電荷量的乘積成正比，跟它們的距離的二次方成反比，作用力的方向沿著它們的連線方向。

師：通過實驗我們驗證了庫侖定律。這說明了什么？

生1：物理規(guī)律要能被重復驗證，否則就不能稱為規(guī)律。

生2：我們的實驗只做了2～3組，這種概括并不全面，庫侖定律還將接受以后更精確實驗的檢驗。

2.2．2 明示

經(jīng)過科學家們的不懈探索，終于發(fā)現(xiàn)了電荷間作用力的規(guī)律，先是通過想象和邏輯推理，提出猜想，經(jīng)過庫侖巧妙的扭秤實驗等予以證實。庫侖定律是電磁學中的基本定律之一,是電學史上的第一個定量定律。庫侖定律的建立標志著電學研究從定性階段轉(zhuǎn)入定量階段，人類每一次具有革命意義的進步都是依靠科學家深邃的思考和邏輯推理及精妙的實驗設計。

物理學是一門以實驗為基礎的科學，所有的物理知識都是在實驗的基礎上建立起來的。只有在實驗的基礎上建立了正確的、經(jīng)得起實踐檢驗的理論，才能由表及里得到對客觀事物的規(guī)律性認識。通過對物理學史的學習，有利于學生理解科學的實踐性，進而培養(yǎng)學生正確的科學本質(zhì)觀。

2.3 科學受社會、文化的影響

科學的產(chǎn)生與社會發(fā)展的需求緊密相連，作為一種社會活動，科學不可避免地反映了社會的價值觀和世界觀?？茖W知識會受到政治、經(jīng)濟、哲學、宗教等社會文化因素的影響，社會文化的價值取向也直接影響科學研究經(jīng)費的分配，科學研究的方向及方法的選擇，會影響對科學解釋或結(jié)論的取舍。

2．3.1 科學史介紹

在庫侖定律提出前有兩個人曾作過定量的實驗研究，1769年英國的約翰·羅賓遜通過實驗進行了直接測量，認為電力服從平方反比律，并且得到指數(shù)n=2.06，不過他的這項工作直到1801年才發(fā)表。1772-1773年間英國的卡文迪許做了雙層同心球?qū)嶒?，第一次精確測量出電作用力與距離的關系，得到n=2.02，但他一直沒有公開發(fā)表這一結(jié)果。

師：對羅賓遜和卡文迪許的研究你有什么看法？

2．3.2 明示

科學追求客觀和精確，但科學家的“偏見”是不可避免的。科學家從問題的提出，到現(xiàn)象觀察及實驗設計，以及對數(shù)據(jù)的解釋，常常是在現(xiàn)有科學理論的指導和影響下進行的。同時，科學家個人的知識背景、國籍、性別、信仰和經(jīng)歷等主觀因素也會影響他們進行科學觀察或?qū)嶒灥姆绞郊敖Y(jié)論，從而可能會得到不同的結(jié)果及對科學結(jié)果的判斷?？茖W是世界性的，對科學的研究成果需要與社會分享，才能對社會的進步和人類的發(fā)展起推動重要。

因此，通過物理學史的教學滲透，介紹物理學家的創(chuàng)造思維與研究方法，有意識地對學生進行科學方法教育和訓練，是培養(yǎng)核心素養(yǎng)、樹立科學世界觀、促進學生科學本質(zhì)觀發(fā)展的重要途徑。

2.4 滲透物理方法教育

物理學是一門具有方法論性質(zhì)的科學，物理教學中不僅要教給學生基本概念和規(guī)律，更重要的是要教給學生物理的研究方法。

3 結(jié)語

在本節(jié)課設計中，筆者滲透了科學本質(zhì)觀的教育，注重物理學史的講解，通過實驗探究引導學生學習物理方法。通過學生設計實驗方案，運用控制變量法，通過類比萬有引力定律學習庫侖定律，通過庫侖扭秤實驗及演示實驗，學習微小量放大法。

筆者以物理學史為主、實驗探究法為輔對“庫侖定律”實踐了科學本質(zhì)觀教育，旨在讓學生通過高中階段的學習，能正確認識科學本質(zhì)，具有學習和研究物理的好奇心與求知欲，能基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己的見解，不迷信權(quán)威，增強社會責任感。

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①本文系江蘇省教育科學規(guī)劃“十二五”課題“基于科學本質(zhì)教育的高中物理教學設計的實踐研究”(課題編號：B-b/2013/02/326)階段性研究成果。