庫(kù)侖定律教學(xué)中科學(xué)探究的誤區(qū)與反思

白晶

摘? ? 要：庫(kù)侖定律教學(xué)中的科學(xué)探究主要存在兩個(gè)誤區(qū)：實(shí)驗(yàn)探究中片面追求符合定律的數(shù)據(jù)結(jié)果，偏離了理解科學(xué)發(fā)現(xiàn)本質(zhì)的價(jià)值取向;理論探究中類(lèi)比思維方法的不當(dāng)使用，導(dǎo)致物理本質(zhì)理解的偏差.物理教學(xué)中應(yīng)重視科學(xué)探究對(duì)知識(shí)產(chǎn)生過(guò)程的體驗(yàn)價(jià)值，重視科學(xué)思維在科學(xué)探究中的重要作用，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)理解的教育價(jià)值.

關(guān)鍵詞：庫(kù)侖定律;科學(xué)探究;誤區(qū)

科學(xué)探究作為促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)理解的科學(xué)教育途徑，也是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)涵之一.作為教學(xué)策略的科學(xué)探究，應(yīng)區(qū)別于科學(xué)事業(yè)中的探究，其意義常常不在于發(fā)現(xiàn)規(guī)律，而在于促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)發(fā)現(xiàn)的本質(zhì).庫(kù)侖定律的建立開(kāi)創(chuàng)了定量研究電學(xué)的時(shí)代，其發(fā)現(xiàn)的歷史展現(xiàn)了理論與實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)對(duì)物理學(xué)發(fā)展的影響，蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)教育價(jià)值.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求體會(huì)探究庫(kù)侖定律過(guò)程中的科學(xué)思想與方法.[1]其中有兩個(gè)關(guān)鍵詞“探究”和“體會(huì)”.何以探究，如何體會(huì)，這兩個(gè)問(wèn)題關(guān)系到科學(xué)探究在庫(kù)侖定律教學(xué)中能否促進(jìn)課程目標(biāo)的達(dá)成，若處理不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致相關(guān)的教學(xué)誤區(qū).

一、實(shí)驗(yàn)探究的誤區(qū)與反思

庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)史上定量研究靜電力規(guī)律的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，課程標(biāo)準(zhǔn)也建議體會(huì)庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的巧妙之處.然而，由于庫(kù)侖扭秤結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)操作的細(xì)致程度要求較高，導(dǎo)致重演該實(shí)驗(yàn)難以獲得較為精確的結(jié)果.在實(shí)際教學(xué)中，庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)通常被其他實(shí)驗(yàn)方案替代，例如用精度較高的電子秤等儀器測(cè)量靜電力的大小.這些替代方案在操作的便捷度與數(shù)據(jù)的精確度兩方面都優(yōu)于庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)，顯得“性價(jià)比”很高，卻忽視了庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值.

要追問(wèn)庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值，有必要先了解庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)的歷史意義.回到庫(kù)侖（1736—1806）發(fā)現(xiàn)庫(kù)侖定律的時(shí)代，當(dāng)時(shí)通過(guò)精確測(cè)量證明自然定律在學(xué)者中并不是一項(xiàng)共識(shí).[2]24庫(kù)侖扭秤為靜電力的平方反比律的建立提供了實(shí)證基礎(chǔ)，反映了科學(xué)研究是建立在精確測(cè)量基礎(chǔ)上的.從測(cè)量本質(zhì)上講，庫(kù)侖扭秤就是一種測(cè)力計(jì).一切測(cè)量力的工具，其實(shí)是測(cè)量力的作用效果，例如彈簧測(cè)力計(jì)將力的測(cè)量轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)度的測(cè)量，電子秤將力的測(cè)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的測(cè)量.庫(kù)侖扭秤通過(guò)機(jī)械力和靜電力之間的平衡，[2]28實(shí)現(xiàn)靜電力作用效果的轉(zhuǎn)換放大與測(cè)量，展現(xiàn)了電現(xiàn)象與規(guī)律的力學(xué)本質(zhì).

基于科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)（History and Philosophy of Science，HPS）的觀點(diǎn)，重做或模擬科學(xué)史上的重要實(shí)驗(yàn)，是建立一個(gè)科學(xué)事實(shí)的必要條件，對(duì)探究科學(xué)思想的萌發(fā)、科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生、科學(xué)理論的形成而言，是直觀形象的重要途徑.[3]教學(xué)儀器市場(chǎng)上常見(jiàn)到庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)的教具，直接將現(xiàn)成的庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)裝置展示給學(xué)生.由于其結(jié)構(gòu)部件較多，且懸絲的扭轉(zhuǎn)效果不易觀察，無(wú)法凸顯庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心思想.不妨在課堂上模擬制作扭秤的核心部件，展現(xiàn)由部件到整體的過(guò)程，見(jiàn)“物”知“理”，理解庫(kù)侖扭秤作為測(cè)力計(jì)的測(cè)量本質(zhì)，體會(huì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想.

歷史上不乏有研究者重做或模擬庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)，并指出庫(kù)侖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能被重復(fù)，且實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)過(guò)于分散，不能作為靜電力平方反比律的證據(jù).[2]18基于HPS的視角，建議將歷史上庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)作為教學(xué)資源引入課堂，對(duì)其進(jìn)行分析與評(píng)價(jià).表1是根據(jù)史料記載整理的庫(kù)侖發(fā)表的扭秤實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，包括扭秤穩(wěn)定時(shí)帶電球間距r和對(duì)應(yīng)的懸絲扭角θ.[4]

結(jié)合表1，引導(dǎo)學(xué)生思考：如何將懸絲扭角的數(shù)據(jù)還原為靜電力的數(shù)據(jù)，需要知道靜電力的具體數(shù)值嗎？庫(kù)侖采集的帶電球間距r的數(shù)據(jù)分別是36、18、8.5個(gè)刻度，這些數(shù)據(jù)之間存在怎樣的倍數(shù)關(guān)系？這樣采集數(shù)據(jù)可能有怎樣的用意嗎？根據(jù)以上討論，將表1轉(zhuǎn)換為表2，體會(huì)庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的倍分法.

針對(duì)第3組數(shù)據(jù)與平方反比律有偏差的事實(shí)，如果不加討論就簡(jiǎn)單歸因于實(shí)驗(yàn)誤差，就丟掉了這個(gè)細(xì)節(jié)的科學(xué)教育價(jià)值.基于HPS的視角，建議將事實(shí)還原到科學(xué)發(fā)現(xiàn)的起點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生思考應(yīng)該采取怎樣的科學(xué)態(tài)度面對(duì)這個(gè)偏差，造成這個(gè)偏差的原因是實(shí)驗(yàn)的誤差還是反比律的理論需要修正.事實(shí)上，即使找到系統(tǒng)誤差的來(lái)源，根據(jù)分散的并不十分精確的僅僅3組數(shù)據(jù)歸納出靜電力的規(guī)律，證據(jù)顯然是不夠充分的.至此，可引導(dǎo)學(xué)生基于批判性思維，用辯證的觀點(diǎn)評(píng)價(jià)庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)的歷史地位和科學(xué)意義.庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值在于，啟發(fā)學(xué)生思考科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程中猜想、假設(shè)與直覺(jué)的價(jià)值，認(rèn)識(shí)到科學(xué)發(fā)現(xiàn)不只是依靠有限的事實(shí)歸納或單純的邏輯推理.

二、理論探究的誤區(qū)與反思

物理學(xué)史研究表明，僅僅依靠具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累與分析，得到嚴(yán)格意義上的庫(kù)侖定律是不夠的.庫(kù)侖定律既是實(shí)驗(yàn)事實(shí)的總結(jié)，也是理論研究的成果，其中類(lèi)比的思維方法起到了關(guān)鍵的作用.根據(jù)兩個(gè)（或兩類(lèi)）對(duì)象在某些屬性上相同（或相似），推測(cè)它們?cè)诹硗獾膶傩陨弦蚕嗤耐评矸Q(chēng)為類(lèi)比推理.[5]庫(kù)侖定律的發(fā)現(xiàn)很大程度上依賴于從萬(wàn)有引力理論中受到的啟發(fā)，即靜電力與萬(wàn)有引力的類(lèi)比.

靜電力與萬(wàn)有引力的類(lèi)比是基于兩者在何種屬性上的相同或相似呢？對(duì)這個(gè)問(wèn)題認(rèn)識(shí)的誤解會(huì)導(dǎo)致類(lèi)比策略在庫(kù)侖定律教學(xué)中的不當(dāng)使用.例如：將行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)與電子繞原子核運(yùn)動(dòng)的物理模型作類(lèi)比，通過(guò)圓周運(yùn)動(dòng)的向心力來(lái)源的分析，類(lèi)比萬(wàn)有引力，猜想靜電力的規(guī)律.[6]這樣的類(lèi)比，其合理性是值得商榷的，原因有二：第一，量子力學(xué)理論的原子模型，已經(jīng)拋棄了電子軌道的概念，現(xiàn)在還在不斷發(fā)展中.用電子繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)的原子模型作為類(lèi)比的依據(jù)不符合現(xiàn)代微觀理論，不利于科學(xué)的物質(zhì)觀念的形成.第二，物理學(xué)史上，雖然庫(kù)侖定律的發(fā)現(xiàn)得益于與萬(wàn)有引力定律的類(lèi)比，但類(lèi)比的依據(jù)并非如此，而是富蘭克林的空罐實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)表明電荷只分布在導(dǎo)體表面，而在導(dǎo)體內(nèi)部沒(méi)有靜電效應(yīng).[7]92牛頓根據(jù)萬(wàn)有引力隨距離的平方反比律，已經(jīng)證明均勻球殼內(nèi)部任何位置的物體所受引力為零.[8]靜電力和萬(wàn)有引力的這種相似性成為歷史上用類(lèi)比方法建立庫(kù)侖定律的依據(jù).

另外，常見(jiàn)到將庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)與卡文迪許的扭秤實(shí)驗(yàn)做類(lèi)比的教學(xué)策略.這種類(lèi)比作為教學(xué)策略可以接受，但如果誤認(rèn)為庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)受到了卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，這是對(duì)物理學(xué)史的誤解.事實(shí)是，庫(kù)侖于1785年完成靜電扭秤實(shí)驗(yàn)，卡文迪許于1789年完成萬(wàn)有引力扭秤實(shí)驗(yàn).值得一提的是，卡文迪許早于庫(kù)侖發(fā)現(xiàn)了靜電力隨距離的平方反比律，但是并非由靜電扭秤實(shí)驗(yàn)得出，而是基于1773年的雙層同心球?qū)嶒?yàn)的結(jié)果，通過(guò)與牛頓的萬(wàn)有引力理論類(lèi)比得到，只是當(dāng)時(shí)沒(méi)有發(fā)表.[7]93-95

使用類(lèi)比思維策略時(shí)，應(yīng)注意參與類(lèi)比的事物或過(guò)程在物理本質(zhì)上應(yīng)當(dāng)具有一致性.靜電力和萬(wàn)有引力規(guī)律，這兩種相互作用規(guī)律的相似性背后是否隱藏著更為深刻的原因呢？從場(chǎng)的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)靜電力和萬(wàn)有引力，兩種力類(lèi)比的合理性，歸因于力場(chǎng)的空間幾何性質(zhì)的統(tǒng)一.事實(shí)上，在均勻的各向同性的三維歐幾里得空間中的點(diǎn)輻射源，其傳播都滿足隨距離r的平方反比關(guān)系，這是由空間的幾何性質(zhì)決定的.設(shè)一個(gè)點(diǎn)源S在一定的時(shí)間間隔內(nèi)所發(fā)射出的能量是一定的.這份能量向各個(gè)方向傳播.當(dāng)距離r線性增加時(shí)，球面面積以平方規(guī)律增加，因此單位面積接收的輻射強(qiáng)度以平方反比的規(guī)律減少，如圖1所示.歷史上法國(guó)天文學(xué)家布里阿德（Ismaelis Bullialdus）就曾將太陽(yáng)引力與光輻射類(lèi)比，于1645年提出一個(gè)著名假設(shè)：從太陽(yáng)發(fā)出的力，應(yīng)與距太陽(yáng)距離的平方成反比.[7]22[9]這個(gè)觀點(diǎn)對(duì)后來(lái)牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律有一定的啟發(fā)意義.[7]21對(duì)平方反比律的本質(zhì)追問(wèn)，不僅是對(duì)類(lèi)比合理性的反思，更是對(duì)自然規(guī)律的多樣性與統(tǒng)一性的思考.

庫(kù)侖定律教學(xué)中科學(xué)探究的誤區(qū)與反思帶給物理教學(xué)的啟示是：應(yīng)重視科學(xué)探究對(duì)知識(shí)產(chǎn)生過(guò)程的體驗(yàn)價(jià)值，重視科學(xué)思維在科學(xué)探究中的重要作用，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)理解的教育價(jià)值.這也為基于核心素養(yǎng)的物理教學(xué)如何落到實(shí)處提供了一條可以嘗試的思路，那就是將科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程蘊(yùn)含的人的智慧轉(zhuǎn)化為教育的形態(tài)，滲透到教學(xué)活動(dòng)中，實(shí)現(xiàn)物理課程的育人目標(biāo).[□][◢]

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