指向證據(jù)意識培養(yǎng)的教學設(shè)計實踐研究
——以“庫侖定律”教學為例

潘華君

(江蘇省宜興第一中學,江蘇 宜興 214200)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》在“課程目標”部分明確提出“學生應具有使用科學證據(jù)的意識和評估證據(jù)的能力,能運用證據(jù)描述、解釋和預測……”．[1]但Sadler等通過研究發(fā)現(xiàn)“學生通常并不習慣使用科學證據(jù)來支持他們的理由,并且缺乏必要的分析與批評論證的能力,從而使得他們往往會提出或接受相反的觀點”．[2]鑒于“目標”與“現(xiàn)實”的差距,同時為了進一步落實物理學科素養(yǎng)的培養(yǎng),在教學預設(shè)和實施過程中,可以依據(jù)預定目標,根據(jù)學生已有的生活經(jīng)驗或事實,針對學生學習過程中將要產(chǎn)生或可能產(chǎn)生的困惑,設(shè)計一組有中心、有序列、相對獨立而又相互關(guān)聯(lián)的問題,形成“主問題—問題鏈”,在問題的解決中激活主體思維,在科學論證活動中滲透證據(jù)意識,強化對科學概念的認識,深化對合理使用證據(jù)的理解,從而提高連貫和邏輯論證能力．[2]本文以“庫侖定律”新課教學為例,嘗試以“主問題—問題鏈”的教學方式,實施指向證據(jù)意識培養(yǎng)的教學實踐活動．

1 課堂引入

圖1 “紛飛實驗”

“紛飛”實驗:我們在起電機的金屬球上放置了小紙片,現(xiàn)在接通電源,起電．見證奇跡的時刻來了．(如圖1所示,金花四濺)

問題:請同學們思考這一現(xiàn)象形成的原因?

圖2 “氣球”實驗

過渡語:類似的情景,也可以用其他生活物品更直觀地演示．如圖2所示,用毛皮摩擦氣球和橡膠棒,使它們帶上同種電荷．同學們可以看到棒、球互相排斥．在電學中,我們把同種電荷間的斥力和異種電荷間的引力叫做靜電力．另一方面,力的三要素,影響了力作用效果．這節(jié)課,我們就來進一步深入研究靜電力的3要素．

注意事項: (1) 范式起電機球體大,紙片容易放置,起電效果好,實驗效果更明顯; (2) 紙片應剪得小些且把紙片弄蓬松,實驗效果會明顯; (3) 在實驗前應先把氣球表層的粉塵洗干凈、晾干; (4) 吹飽滿的氣球,在實驗中效果更明顯．

設(shè)計意圖:“物理概念的形成”與“物理規(guī)律的探究”離不開情境的創(chuàng)設(shè)．在教學中,創(chuàng)設(shè)“體現(xiàn)概念本質(zhì)”、“指向明確”的情境可以促進教學的有效開展,發(fā)展學生的科學思維．在本節(jié)課的引入環(huán)節(jié),筆者設(shè)計了兩個實驗: (1) “紛飛”實驗—效果震撼,作為本節(jié)課的引入,可以很好吸引學生的注意力,把學生的思緒在短時間內(nèi)拉回課堂.(2) “氣球?qū)嶒灐薄谏钗锲范O(shè)計,有效拉近了學生與物理、與生活的距離,讓學生感覺到生活中處處有物理. (3) 證據(jù)意識的滲透—“紛飛”實驗體現(xiàn)了“動”,“氣球?qū)嶒灐斌w現(xiàn)了“靜”,通過“動—靜”結(jié)合,有效展示了靜電力的作用效果,是“靜電力”存在的事實依據(jù),為后面基于事實依據(jù)而開展研究做了較好的鋪墊． (4) 提煉“主問題”，對比各版本教材本節(jié)內(nèi)容的內(nèi)容設(shè)置和編排特點,結(jié)合自身對教材內(nèi)容的體悟,提煉了本節(jié)課的“主問題”—靜電力的3要素．這樣的處理,使本節(jié)課后繼的開展有了中心,課堂教學更有序．

2 新課教學

2.1 定性、半定量結(jié)合,探究力的3要素

2.1.1 作用點

問題1:以氣球問題為例,請你說出橡膠棒給氣球的靜電力的作用點位置?你遇到了什么困難?(生:物體太大,無法確定作用點)

過渡語:“氣球有一定的形狀和大小且電荷分布情況未知”對確定靜電力的作用點帶來了較大困難．科學研究總是從最簡單的模型入手．既然實際狀況下的氣球問題暫時還無法研究,那么我們必須簡化模型．不妨換個角度思考:既然這個困難是因為物體的大小和形狀造成的,那么要是能夠把它簡化成一個點,這個困難也就不存在了．

問題2:在什么條件下能把氣球簡化成一個帶電的點?(生1:減少帶電體的體積或拉大兩者間的距離;生2:換成均勻帶電的圓球)

圖3 庫侖定律半定量演示儀

過渡語:當兩者間距比兩物體的尺寸大得多時,就可以忽略物體的大小,從而把這兩個物體看成是帶電的“點”——在電學中稱為點電荷．例如圖3所示中,金屬小圓筒B和大球A相距較遠時,圓筒就可以看成是一個點電荷．另外,若B帶電荷量較小,對A的電荷分布影響較小,也可近似認為A球的電荷均勻分布,從而等效認為集中在球心處．對小球B來說,A給B的靜電力的作用點就在點電荷的這個點上．

問題3:這個模型與我們在必修1中學到的哪個理想模型類似?

問題4:類比質(zhì)點,小物體是否一定能看成點電荷?大的物體是否一定不能看成點電荷?

注意事項: (1) 本節(jié)課所使用的金屬圓筒是用燒烤碗的底部平滑部分剪成一個長方形,然后利用平時用的水筆卷制而成,中空且輕,表面光滑,比一般的“錫箔紙包泡沫球”效果更明顯; (2) 圓筒上打3個小孔用于穿線,這樣可以進一步防止實驗中圓筒的扭轉(zhuǎn)．

設(shè)計意圖: (1) 引導學生對“真實的、原始的物理問題——氣球問題”展開討論,體悟科學研究中模型構(gòu)建的一般思路,即“真實問題——凸現(xiàn)主要因素——理想模型”．(2) 顯化科學方法——本環(huán)節(jié)中通過對原始問題的研究,在細化教學過程中滲透了3種研究方法,即理想模型構(gòu)建、等效思想、類比思想,意圖在實際問題的解決中,落實“方法教學”．

2.1.2 方向

問題1:以圖3這個裝置為例,請同學們猜想一下,圓筒B所受靜電斥力的方向朝哪兒?

問題2:你這樣猜想的事實依據(jù)是什么?(學生遲疑,回答不出．)

實驗:我們可以通過一個實驗來體驗．首先用摩擦起電的方式給A、B帶上同種電荷:① 把大球A放在圓筒B的一側(cè),B有偏角,這只能說斥力大概在偏右的方向上;② 既然一般位置上還無法準確判斷靜電力的方向,我們換個特殊位置,把A放在B的正下方,B不偏轉(zhuǎn),這說明B受到的靜電斥力在什么方向上?

圖4 靜電力方向判斷

問題3:從理論的角度看,如果兩個點電荷之間的靜電力不在兩球連線上(如圖4所示)．這違背了什么原理?

設(shè)計意圖:通過比較多個版本教材發(fā)現(xiàn),各版教材主要關(guān)注“點電荷模型”和“庫侖力的大小探討”這兩個問題上,關(guān)于方向問題,均是以“直接告知”的方式呈現(xiàn)．筆者在設(shè)計本環(huán)節(jié)時,細化了“方向”的研究,通過“猜想——定性體驗——推理”的方式,在“邏輯推理”和“實驗驗證”相結(jié)合中,滲透證據(jù)意識,強化學生對“方向”的理解,深化學生對科學研究方法的體悟．

2.1.3 大小

問題1:點電荷B所受靜電力的大小可能與哪些因素有關(guān)呢?

問題2:你這樣猜想的事實依據(jù)是什么?(學生回答:初中做過的“摩擦后的尺可以吸引紙片”的實驗,增加摩擦次數(shù)或把尺靠近紙片,吸引效果更明顯．)

過渡語:“基于事實依據(jù)的猜想是否完全正確”和“靜電力的大小與這些因素的確切關(guān)系”還需要我們通過實驗來探究(器材同圖3)．

設(shè)計思路如下.

(1) 實驗目的:探究B所受的靜電力F與QA、QB、r的具體關(guān)系．

(2) 實驗方法:由于F可能受多個因素的影響,在具體的實驗中應選擇什么研究方法?具體的操作過程是怎樣?

圖5 靜電力大小計算模型

(3) 數(shù)據(jù)的獲得: ① 就這套器材而言,實驗中你們將如何判斷B所受的靜電力F的大小?② 如圖5所示,如果小球B與大球A的球心在一直線上,設(shè)偏角為α,小球質(zhì)量為m,請對小球受力分析并請定量計算F?③ 保持QA、QB不變,探究同種電荷間的F與r的關(guān)系時,如何確定的r?在滿足②的基礎(chǔ)上,在調(diào)節(jié)r時應注意什么條件?④ 保持r、QB不變,探究同種電荷間的F與QA的關(guān)系時,如何實現(xiàn)QA的增加或減少?⑤ 中學實驗室限于條件,沒有專門的儀器能夠準確測量物體的帶電荷量,那又如何知道改變前后的具體電荷量關(guān)系呢?

學生體驗:限于時間和環(huán)境的影響,請同學就靜電力F與QA、QB、r的定性關(guān)系做個體驗,并記錄實驗結(jié)果．(學生實驗,教師巡查指導,學生表述定性實驗結(jié)果．)

設(shè)計意圖: (1) 基于真實基礎(chǔ),設(shè)計問題.對于“靜電實驗”,學生既陌生又熟悉,在本節(jié)課之前學生做過了“電學實驗”和“力學實驗”,對于靜電實驗,學生只看過教師做過相應的演示實驗但還沒有親自操作過．因此,對于靜電實驗的具體操作細節(jié)等問題,學生的基礎(chǔ)還是很薄弱．基于這樣的真實學情,筆者依據(jù)實驗設(shè)計的一般思路,對“實驗目的——原理步驟——數(shù)據(jù)處理”等方面以問題鏈的形式將目標和疑難問題緊緊連在一起,問問相扣,逐步深入,力圖使每一個問題都能解決一個難點、使學生的思維產(chǎn)生一次飛躍．[3](2) 定性和定量的有機結(jié)合.在本部分有3處體現(xiàn)了“定性+定量”的思想,具體體現(xiàn)在“研究F與哪些因素(生活定性體驗+猜想+定量研究)”、“F大小的判斷”、“電荷量的變化及變化量的研究”．其目的是在潛移默化中進一步滲透證據(jù)意識,顯化方法,引導學生要關(guān)注生活、觀察現(xiàn)象等,從而引導學生養(yǎng)成一種研究的習慣和科學分析的習慣．

2.2 追尋歷史的腳印,體悟?qū)嶒灥木?/h3>

過渡語:我們剛才做的僅僅是定性的關(guān)系,精確的定量關(guān)系在物理學史上最早是由法國工程師、物理學家?guī)靵鐾瓿傻模埻瑢W們閱讀資料,體悟庫侖實驗的精妙之處．

問題1:如何確定兩帶電體間的距離r?

圖6 庫侖扭稱模擬實驗

問題2:實驗中是如何精確測量F的?(圖6為模擬實驗)

問題3:在庫侖那個年代電荷量連單位還沒有,庫侖在確定Q變化前后的具體關(guān)系時采用的也是半分法,這一觀點的實驗依據(jù)是什么?

問題4:請分析表格里的數(shù)據(jù)(庫侖當年的實驗數(shù)據(jù)),尋找規(guī)律．

設(shè)計意圖:限于當?shù)丨h(huán)境和季節(jié)的影響,定量的庫侖實驗經(jīng)多次嘗試和設(shè)計,所獲得的數(shù)據(jù)均不完美．實際教學中,采用“閱讀+演示”的方式:在“閱讀”中培養(yǎng)學生的提煉信息、歸納總結(jié)的能力;利用生活物品模擬“庫侖扭稱”,讓學生體悟庫侖實驗的精妙和方法,也進一步顯化科學方法,展現(xiàn)生活與物理的密切關(guān)系;對已有數(shù)據(jù)的處理和誤差分析,培養(yǎng)了學生數(shù)據(jù)處理能力和實事求是的科學態(tài)度．

2.3 比較中提升理解,嘗試中深化認識

問題1:庫侖定律適用的條件是什么?(實驗演示:在圓筒與大球之間插入一張紙,會發(fā)現(xiàn)小圓筒偏角明顯變小)

問題2:這個表達式和我們前面研究過的哪個定律相似?在討論電荷間的作用力時,我們沒有分析兩個帶電體間的引力,是有意為之?還是遺忘了呢?請閱讀教材例題1,并談?wù)勀愕拈喿x體會．

設(shè)計意圖:(1)問題1的設(shè)計,是對“大小的猜想”的一個呼應．高中階段,對于“庫侖力大小”的討論僅限于“電荷量和距離”,是否還和其他因素有關(guān),高中并不涉及．但“定律”中又強調(diào)“真空”,這讓學生有點“蒙”．上述教學設(shè)計中利用一張紙做的演示,較好的展現(xiàn)了這一問題(即有介質(zhì)存在時會影響電荷所受的合力,同時教師做好鋪墊“這一問題可以到大學進一步研究”)．(2)問題2通過“例題閱讀”,讓學生在“比較”中發(fā)現(xiàn)特點,深化認識．

3 教學反思

在上述教學設(shè)計中,主要體現(xiàn)了3個特點:(1) 多元.依托“主問題”的支撐,通過“問題鏈”的引導,融“演示實驗”、“學生實驗”、“猜想”、“邏輯推理”、“自行閱讀”、“數(shù)據(jù)分析”等多種方式于一體,讓學生在情境中進行多層次、多角度的探索與發(fā)現(xiàn)．(2) 有序.英國哲學家波普爾說“知識的增長永遠始于問題,終于問題”．[2]

本教學設(shè)計以兩個實驗情境為問題鏈的“起鏈”,引出了本節(jié)課的“主問題”——靜電力的3要素,然后“分枝”成3個次中心問題,并將其細化為問題組系列．通過這樣一組有中心、有序列的層次鮮明且系統(tǒng)性良好的問題組,由預設(shè)問題到生成問題,問問相連,步步深入,[4]有效地凸現(xiàn)了本節(jié)課的重點內(nèi)容和顯化了科學方法,促進了學生思維的發(fā)展．課堂教學中的科學探究,不等同于科學家的研究．在有限的教學時間里,教師只能選擇更有利于促進學生發(fā)展的關(guān)鍵點去細化教學,豐富認識．(3)嚴謹.科學論證是一種重要的科學思維方式,如何將科學論證特別是“基于證據(jù)的論證”融入高中物理課堂教學,促進學生物理觀念和科學思維的共同發(fā)展是物理教學實踐中迫切需要研究和解決的問題．[2]在上述教學中,筆者通過情境創(chuàng)設(shè)、問題設(shè)計與引導、理論分析和實驗驗證結(jié)合、從定性和定量等多個角度,在設(shè)疑、釋疑的動態(tài)發(fā)展過程中引導學生進行知識的探索和建構(gòu),滲透證據(jù)意識的培養(yǎng),最終達成“眼中有物,心中有理”和“有理有據(jù),以證據(jù)說話”,從而提升學生科學論證的能力和物理觀念．