學習進階與科學論證整合的物理概念教學

柯曉露 宋靜

摘 ? 要：將學習進階理論和科學論證相結合，并以“庫侖定律”的教學為例，探討兩者整合模式下的物理概念教學。研究發(fā)現(xiàn)，這樣的物理教學模式有助于學科核心概念的構建，并能通過有意識的科學論證培養(yǎng)學生的科學思維，創(chuàng)建學生的物理學科體系，促進學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關鍵詞：學習進階;科學論證;概念教學;庫侖定律

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）2-0006-4

1 ? ?引 ? 言

新修訂的《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱2017版課標）將物理核心素養(yǎng)界定為“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”四個方面。物理概念的理解需要遵循學生的思維發(fā)展路徑，而科學論證是一種重要的科學思維方法，同時也是科學探究的核心。將概念進階與科學論證進行整合教學，在學習進階的節(jié)點滲透科學論證，并引入物理學史等相關資料，有利于學生物理核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

2 ? ?學習進階的理論及要素

學習進階理論最先在美國教育界興起，美國國家教育委員會認為，“學習進階”是孩子在一個較大的時間跨度內(nèi)學習或者探究知識時，其思維所遵循的連貫且不斷深入發(fā)展的路徑的描述。在運用學習進階理論進行物理教學時，要在大概念的視角下進行，保證知識結構的完整和連貫性。在概念學習的進階教學中，要確定以下幾個關鍵點[1]。

（1）學習進階的起點。即學生現(xiàn)有的知識水平——前概念。

（2）學習進階的終點。即學生要掌握的科學概念及現(xiàn)階段要掌握的程度。

（3）學習進階的維度。根據(jù)學生要掌握的學科核心概念、主題核心概念、重要概念等進行分類整理，確定概念所在的維度。

（4）學習進階節(jié)點。學生在達到進階終點前的各個重要理解步驟。

（5）基于學習進階的測評工具。檢測學生學習概念時所處的思維發(fā)展水平。

在學習進階教學中，教師圍繞著學生的思維發(fā)展而教學，在大概念整體思想下教學，通過各種教學方式突破學生的進階節(jié)點，這樣的教學策略是高效的。

3 ? ?科學論證活動

科學論證教學包括口頭論證和書面論證。高質(zhì)量的科學論證要求學生能夠針對一個科學的問題提出觀點、尋找依據(jù)、推理反駁。學生的論證能力是在教學干預下伴隨著概念理解的深入而逐步提升的。

當前教學中展開科學論證活動的理論基礎最主要的是圖爾敏論證模式[2]。

結合Erduran等提出來的以反駁為主要結構要素的包含五個水平的學科論證表現(xiàn)評價框架和弭樂等構建的“三層級七水平”的科學論證發(fā)展進階表現(xiàn)框架，本研究將教學中的科學論證簡化為三個層次。

層次一：學生能根據(jù)教學內(nèi)容提出自己的觀點;

層次二：學生能提出自己的觀點，并針對自己的觀點匹配相應的事實證據(jù)和理論依據(jù)，進行推理論證;

層次三：學生能針對自己提出的觀點匹配相對應的證據(jù)進行推理論證，并對不同的觀點收集證據(jù)進行拓展反駁論證。

4 ? ?以“庫侖定律”為例的概念教學

在學習進階與科學論證整合的物理概念教學中，呈現(xiàn)一個個完整的科學論證活動，將科學論證活動的各個環(huán)節(jié)匹配相應的概念學習進階節(jié)點，在概念進階節(jié)點上通過科學論證進行突破，從而實現(xiàn)概念的進階和論證能力進階的協(xié)同發(fā)展（圖2）。

下面以2017版課標中“必修3”里的“靜電場”主題下的“庫侖定律”為例，談談學習進階與科學論證整合的物理概念教學。

4.1 ? ?“庫侖定律”概念的維度界定

在2017版課標中，物理觀念包括物質(zhì)、運動與相互作用、能量等要素。

“庫侖定律”所屬的學科核心概念為“運動與相互作用”，這個學科核心概念涉及力學領域和電磁學領域等方面，范圍非常廣泛。在“運動與相互作用”下的主題核心概念“相互作用”包括物體間的引力作用和靜電力作用、電場和磁場作用、原子和原子核間的相互作用等重要概念。

“庫侖定律”描述的是電荷間的相互作用力，是電磁學史上的第一個定量化的定律，是靜電學和整個經(jīng)典電磁理論的基礎。“庫侖定律”在經(jīng)典電磁學史上占有非常重要的位置。“庫侖定律”既是實驗經(jīng)驗的總結，也是理論研究的成果。在教學上，“庫侖定律”是力學向電磁學過渡的橋梁。通過“庫侖定律”的學習，學生對萬有引力定律等呈現(xiàn)的“相互作用”關系有進一步的認識，并對之后電磁場等的學習打下基礎。

4.2 ? ?學習進階的概念終點和科學論證能力發(fā)展的期望

“庫侖定律”在2017版課標內(nèi)容要求中的3.1.2的描述為“知道點電荷模型。知道兩個點電荷相互作用的規(guī)律。體會探究庫侖定律過程中的科學思想和方法。”從要求可以看出，學生要能建構電荷間相互作用的數(shù)學模型，并能與其他的相互作用概念相關聯(lián)，從而掌握主題核心概念“相互作用”。“庫侖定律”包含以下主要內(nèi)容：

（1）真空中兩個點電荷間的相互作用力F的方向沿著它們的連線。同種電荷相斥，異種電荷相吸。

（2）兩個點電荷的相互作用力大小與各自的電荷量q的乘積成正比，跟距離r的平方成反比。即

對學生科學論證能力的期望在于能夠進行高層次的科學論證活動，學生能夠針對問題提出觀點，收集資料，建構證據(jù)，并進行推理反駁。

4.3 ? ?學習進階的概念起點和學生科學論證能力現(xiàn)狀

在學習“庫侖定律”前，分析學生的當前認知水平可以知道，概念“學習進階”的起點如下：

（1）電荷間存在著相互作用力，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。

（2）學過質(zhì)點及萬有引力定律，知道如何計算物體間的相互作用力。

（3）電荷無法直接觀測，對電荷無感性的認知。

（4）兩帶電體相互作用，部分學生認為帶電量大的物體受到的作用力大，帶電量小的物體受到的作用力小。

在未系統(tǒng)對學生進行科學論證能力訓練前，學生通常不注重科學論證，在論證中通常會遇到以下困難[3]：

（1）無法提出正確的觀點。

（2）使用生活經(jīng)驗和已有認知，而不使用事實證據(jù)和理論依據(jù)來進行推理。

（3）缺乏分析和批判論證的能力。

（4）無法深刻理解概念和規(guī)律的內(nèi)涵外延，不能和問題情境相結合進行論證。

（5）不能清晰表述論證。

科學論證能力是科學思維能力的重要組成部分。只有經(jīng)常有意識地進行強化練習，才能促進學生學科核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

4.4 ? ?“庫侖定律”概念教學節(jié)點

“庫侖定律”的教學，由于庫侖扭秤實驗的精密性和對實驗條件的苛刻要求，定量實驗難以在課堂上實現(xiàn)。目前，各種賽課和相關論文都對物理教學課堂上的庫侖定律定量實驗進行改進和創(chuàng)新，取得了一定的突破。如用精度較高的電子分析天平或電子稱來測量靜電力的大小，但實驗的嚴密性還需要推敲，更難以像庫侖扭秤實驗那樣有效培養(yǎng)學生的物理觀念和科學思維能力等，實現(xiàn)其教育價值。所以，筆者認為，在“庫侖定律”的教學中應緊扣物理學史，根據(jù)學生概念的學習進階路徑設計教學思路。

4.4.1 ? ?“庫侖定律”學習進階節(jié)點一——點電荷模型的建立

在課堂引入上，可以創(chuàng)設一些有趣的靜電力實驗情境，如山東科學技術出版社物理選修3-1教材“迷你實驗室”中的“看誰能贏”“水流偏轉”“紙屑飛出”等，引起學生對靜電力的思考。學生在已有前概念的基礎上知道物體帶有電荷，帶電體間有相互作用力。這時，老師可以指出本節(jié)課的教學目的：探究帶電體間的相互作用規(guī)律。開始探究規(guī)律，必先要建立物理模型。教師通過提問“兩個帶電體間的相互作用力可能與什么因素有關？”讓學生闡述自己的觀點，如可能與帶電體的形狀、大小、電荷量、距離等因素有關。教師提問“如此復雜的實物如何簡化創(chuàng)建模型？”引導學生與前面的知識點“質(zhì)點”進行類比，創(chuàng)建新的模型，并對模型進行推理論證和反駁論證，修正模型，最后突破學習進階節(jié)點，建立點電荷模型。

靜電力在實驗和觀測上有很大的難度，需要很精密的儀器。點電荷模型創(chuàng)建后，接下來是讓學生進行“庫侖定律”的定性實驗（圖3），讓學生從實驗收集事實證據(jù)，驗證兩個點電荷之間的作用力與它們之間的距離的平方成反比，與它們的電荷量成正比。

4.4.2 ? ?“庫侖定律”學習進階節(jié)點二——靜電力的大小與距離的平方成反比

在學生有以上的認識后，如何引導學生突破靜電力的大小與距離的平方成反比是學習進階的一個重要節(jié)點，這里必須要從相關的物理學史講起，引導學生體驗科學家的科學論證過程，從而實現(xiàn)概念的學習和科學思維的提升。

1684年，牛頓研究發(fā)現(xiàn)，均勻球殼對球殼外一處物體的吸引力相當于將球面質(zhì)量都集中在球心產(chǎn)生的吸引力，而對球殼內(nèi)任意一點處的吸引力大小為零。1747年，富蘭克林發(fā)現(xiàn)，帶電小軟木會受到帶電金屬罐的吸引，但把軟木塊放入金屬罐的內(nèi)部時卻完全不受力。普林斯特重復了這個實驗，通過類比推理，認為電荷之間的作用力跟萬有引力是符合同一定律的，即與距離成平方反比關系。1785年，庫侖設計了精巧的電斥力扭秤實驗，用事實證據(jù)證實了普林斯特的觀點，并在1787年借鑒了萬有引力下單擺的周期運動，設計了電擺實驗，證實了“正電荷與負電荷之間的吸引力也遵循距離的平方反比關系”。

“靜電力大小與距離的平方成反比”的提出與證實體現(xiàn)了科學家的智慧，是一個偉大的科學論證過程。學生參與并學習科學研究的發(fā)現(xiàn)，對培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)是很有幫助的。同時，這里也為后面電磁場和靜電屏蔽原理的學習埋下伏筆。在均勻的各向同性的三維空間中的點輻射源，其傳播都滿足與距離的平方成反比的關系。遵守平方反比定律的正反力具有屏蔽效應?，F(xiàn)在的很多電子通信設備， 如果不借助于靜電屏蔽， 各種元件相互干擾，就難以實現(xiàn)信息傳遞。對平方反比律本質(zhì)的追問，有利于學生建立正確的物質(zhì)觀，對自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性有進一步的認識。

庫侖扭秤實驗和電擺實驗難以在課堂上展示，但是教師可以通過視頻和資料讓學生經(jīng)歷科學家的實驗過程，感受科學家是如何通過實驗獲得事實證據(jù)、推理論證觀點，如何用轉換法和微小量放大法對靜電力進行測量。在教學中可以將庫侖扭秤實驗的原始數(shù)據(jù)列出（表1），引導學生分析數(shù)據(jù)得出結論，并引導學生體驗科學家面對第三組數(shù)據(jù)的偏差，及僅用三組數(shù)據(jù)驗證規(guī)律證據(jù)的不足時的科學思維光芒。

4.4.3 ? ?“庫侖定律”學習進階節(jié)點三——靜電力大小與q成正比

質(zhì)量的大小是比較容易觀察和感知到的。電荷無法直接觀察，需要通過帶電體受力的大小反推電荷量的多少。而庫侖當時只知道物體帶電荷，但是沒有電荷量的量度。如何找到靜電力與電荷量之間的關系，庫侖用了一個很巧妙但不太嚴格的方法：對稱均分法。庫侖認為，根據(jù)守恒的思想和對稱的思想，可以得到兩個相同的小球接觸，小球上的電荷電量會平均分配。

面對庫侖的這個觀點，可以引領學生進行論證，守恒思想和對稱思想是否可以作為電量平均分配的依據(jù)？可設計相關的實驗（圖4），從而獲得相應的事實證據(jù)支持觀點。

在驗證小球電荷量可均分后，同樣可以類比萬有引力定律中的質(zhì)量，利用庫侖扭秤實驗驗證靜電力大小與電荷q成正比，從而突破了學習進階的節(jié)點三，建立了庫侖定律。

4.4.4 ? ?“庫侖定律”學習進階節(jié)點四——庫侖定律的適用條件

在建立庫侖定律后，可以利用現(xiàn)代的精密儀器，驗證庫侖定律的正確性，并在驗證過程中思考庫侖定律的適用條件。

（1）兩個點電荷之間距離趨于零時，相互作用力是否趨于無窮大？學生進行推理論證和反駁論證，得出在無窮近處，電荷無法看成點電荷，庫侖定律將無法成立。通過實驗驗證和合理推斷，庫侖定律的適用范圍可擴展到 10-13～1026 m。

（2）兩個點電荷的相互作用力會受到其他電荷的影響？同樣讓學生進行推理論證和反駁論證，最后得出靜電力疊加原理。

（3）庫侖定律是否只適用于真空條件？讓學生進行論證反駁，兩個點電荷間的作用力不會因為其他因素的存在而受到影響。但是，如果在非均勻介質(zhì)中，點電荷受到的總作用力比較復雜，難以測量。

通過對庫侖定律的內(nèi)涵和外延的探究論證，突破了概念學習進階的第四個節(jié)點，從而深入地理解和掌握庫侖定律，對主題核心概念“相互作用”有更進一步的認識。

5 ? ?結 ? ?語

通過“庫侖定律”的課例可以看出，將學習進階和科學論證整合的物理概念教學，順應學生的思維發(fā)展，培養(yǎng)學生的科學思維，對學生建構物理模型、掌握學科核心概念有較大的作用。值得注意的是，在整合中，應根據(jù)實際需要選用合適的科學論證方法，而不是每次科學論證都要達到層次三的水平。同時，在教學過程中注重情境的創(chuàng)設和問題的提出。這樣的教學設計能有效達成物理學科的教學目標，培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]陳小紅，羅琬華.構建物理概念習得的學習進階[J].中學物理教學參考，2014，43（8）：8-11.

[2]斯蒂芬·圖爾敏.謝小慶，王麗，譯.論證的使用[M].北京：北京語言大學出版社，2016.

[3]鄭穎，張軍朋，張玉發(fā).高中生物理科學論證能力表現(xiàn)——基于Rasch模型的測試評價[J].物理教師，2019，40（1）：2-6.

[4]李文娟，張杰.源于實驗創(chuàng)新的教學設計策略——以“庫侖定律”的教學設計為例[J].物理教學，2019，41（8）：52-54.

（欄目編輯 ? ?趙保鋼）