基于核心素養(yǎng)探索定律教學(xué)

邱輝

摘 ? 要：文章基于高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)，探索核心素養(yǎng)下關(guān)于定律教學(xué)的共通性、借鑒性;結(jié)合高中物理“庫(kù)侖定律”的教學(xué)實(shí)踐，提出幾點(diǎn)可行性做法，即“問題引領(lǐng)促認(rèn)知”“追本溯源顯思想”“定量探究需創(chuàng)新”。

關(guān)鍵詞：庫(kù)侖定律;問題引領(lǐng);追本溯源;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）6-0004-4

當(dāng)前新一輪課程改革正在全國(guó)范圍內(nèi)逐漸拉開序幕。本次課改圍繞核心素養(yǎng)，從育人的角度出發(fā)，旨在培養(yǎng)學(xué)生走向社會(huì)所必需的關(guān)鍵能力、必備品格和價(jià)值觀念。為了促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的真正達(dá)成，各學(xué)科也先后提出了具有學(xué)科特色的核心素養(yǎng)，以期形成合力。高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)分為物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面。物理觀念代表知識(shí)的內(nèi)化，是其他核心素養(yǎng)的基礎(chǔ);科學(xué)思維和科學(xué)探究是關(guān)鍵能力;科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是必備品格與價(jià)值觀念。如何才能促使學(xué)科核心素養(yǎng)真正落地，筆者認(rèn)為出發(fā)點(diǎn)在課程，著力點(diǎn)在課堂，落腳點(diǎn)在評(píng)價(jià)。物理學(xué)作為自然科學(xué)的重要組成部分，對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)至關(guān)重要。吳加澍先生曾說過，物理教學(xué)的核心價(jià)值就在于促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)三個(gè)轉(zhuǎn)化：一是把人類社會(huì)積累的知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生個(gè)體的知識(shí)，使他們知道世界是什么樣的，成為一個(gè)客觀的人;二是把前人從事智力活動(dòng)的思想方法轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認(rèn)識(shí)能力，使他們明白世界為什么是這樣的，成為一個(gè)理性的人;三是把蘊(yùn)含在知識(shí)中的觀念、態(tài)度等轉(zhuǎn)化為學(xué)生的行為準(zhǔn)則，使他們懂得怎樣使世界更美好，成為一個(gè)創(chuàng)造的人[1]。

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理學(xué)之所以被公認(rèn)為是一門重要的科學(xué)，不僅僅在于它對(duì)客觀世界的規(guī)律作出了深刻的揭示，還因?yàn)樗诎l(fā)展、成長(zhǎng)的過程中，形成了一套獨(dú)特而卓有成效的思想方法體系[2]，物理學(xué)科中的諸多定律更能體現(xiàn)這一點(diǎn)。所謂定律是指在一定條件限制內(nèi)總結(jié)得出的規(guī)律，與公理、定理不同，定律是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的采用不完全歸納法總結(jié)得出的規(guī)律，它是觀察、實(shí)驗(yàn)與物理思維相結(jié)合的產(chǎn)物。許多定律的得出都體現(xiàn)了科學(xué)家們的獨(dú)具匠心、獨(dú)具慧眼、獨(dú)樹一幟，當(dāng)中蘊(yùn)含的物理思想方法、思維方式都是物理學(xué)家們留下來的寶貴的精神文化財(cái)富。例如，萬有引力定律中牛頓關(guān)于引力與重力關(guān)系猜想的獨(dú)特思維;卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)中用到了放大思想、轉(zhuǎn)化思想、對(duì)稱思想;法拉第關(guān)于電磁感應(yīng)定律的得出長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年之久的追求真理的精神等等。正因?yàn)槎傻陌l(fā)現(xiàn)處處體現(xiàn)了物理的學(xué)科特點(diǎn)（以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)），處處蘊(yùn)含著物理思想（簡(jiǎn)單、對(duì)稱、統(tǒng)一），處處彰顯著科學(xué)人文價(jià)值（對(duì)真理的孜孜追求），所以定律的教學(xué)應(yīng)成為培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)中的研究點(diǎn)、閃光點(diǎn)、出彩點(diǎn)。本文以庫(kù)侖定律為例，通過優(yōu)化認(rèn)知過程，溯源思維過程，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)過程，談?wù)劧山虒W(xué)如何緊密聯(lián)系核心素養(yǎng)。

1 ? ?問題引領(lǐng)促認(rèn)知

物理學(xué)的發(fā)展史就是一部不斷修正錯(cuò)誤、不斷逼近真理的“求真”史。庫(kù)侖定律的得出經(jīng)歷了比較漫長(zhǎng)的發(fā)現(xiàn)過程，其中凝聚了以庫(kù)侖為首的一眾物理學(xué)家的畢生心血。如何將發(fā)現(xiàn)的過程轉(zhuǎn)化、濃縮為物理課堂的“亞研究”“類創(chuàng)造”，需要有問題的引領(lǐng)與啟發(fā)。楊振寧先生曾將他成功的奧秘歸結(jié)為：“要站在問題開始的地方，要面對(duì)原始的問題......”思維總是起始于問題，問題是課堂的動(dòng)力，它推動(dòng)了課堂的前進(jìn)與知識(shí)的生成。

1.1 ? ?核心問題顯脈絡(luò)

理科的課堂教學(xué)需要有清晰的脈絡(luò)，需要有明確的核心，核心問題的設(shè)置是對(duì)教學(xué)內(nèi)容的凝練，是課堂教學(xué)的主線，是學(xué)生認(rèn)知的路線。有了核心問題，學(xué)科教學(xué)就有了層次性、連貫性，學(xué)生認(rèn)知就有了遞進(jìn)性、梯度性。本節(jié)課的核心問題設(shè)置如圖1所示。

三個(gè)核心問題構(gòu)成遞進(jìn)式問題串，顯示出了本節(jié)課教師的教學(xué)脈絡(luò)和學(xué)生的認(rèn)知脈絡(luò)，簡(jiǎn)單、明了、清晰。

1.2 ? ?啟發(fā)問題顯本質(zhì)

在教學(xué)過程中往往會(huì)遇到一些物理學(xué)中重要的思想方法，這時(shí)候需要設(shè)置一些啟發(fā)性的問題來“促思”，來幫助學(xué)生去偽存真，直達(dá)物理本源。

教學(xué)片段1：

在講解庫(kù)侖定律的條件時(shí)，學(xué)生通過猜想得到了電荷間的相互作用與帶電體的電荷量、距離、帶電體間的介質(zhì)、形狀等因素有關(guān)后，可以設(shè)置以下問題：

師：你認(rèn)為帶電體間最理想也是最簡(jiǎn)單的介質(zhì)是什么？

生：真空。

師：你認(rèn)為帶電體最簡(jiǎn)單的形狀是什么樣子的？

生：點(diǎn)。

評(píng)析：這兩個(gè)問題的啟發(fā)引導(dǎo)性強(qiáng)，問題中內(nèi)含簡(jiǎn)化的思想，學(xué)生在思考問題的同時(shí)也體會(huì)到了物理?xiàng)l件的簡(jiǎn)單美，物理模型的簡(jiǎn)單美。這恰恰是物理課堂要滲透給學(xué)生的觀念，學(xué)生在回答問題中實(shí)現(xiàn)了內(nèi)化。

教學(xué)片段2：

在學(xué)生通過分組實(shí)驗(yàn)定性得出“距離越大，帶電體間的作用力越小;電荷量越大，帶電體間的作用力越大”的結(jié)論后，可以設(shè)置以下問題：

師：你認(rèn)為F與q之間最簡(jiǎn)單、最有可能的定量關(guān)系是什么？

生：F與q成正比。

師：你認(rèn)為F與r之間最簡(jiǎn)單、最有可能的定量關(guān)系是什么？

生：F與r成反比。（授課時(shí)再通過物理學(xué)史說明科學(xué)家的猜想）

評(píng)析：這兩個(gè)問題設(shè)置在定性分組實(shí)驗(yàn)之后，讓學(xué)生真正參與實(shí)驗(yàn)探究，而不是作為外來的觀察者、參觀者，學(xué)生在回答問題時(shí)，也體驗(yàn)到了物理猜想的簡(jiǎn)單美。

教學(xué)片段3：

在講解庫(kù)侖在不清楚具體電量多少的情況下如何改變電量時(shí)，設(shè)置以下問題：

師：你覺得帶電體電荷量最簡(jiǎn)單的變化是什么形式？

生：成倍變化。

師：你認(rèn)為可以如何實(shí)現(xiàn)成倍變化呢？

生：將帶電小球與另一個(gè)完全相同的不帶電的小球相接觸，使電量均分。

評(píng)析：該問題讓學(xué)生直面當(dāng)時(shí)庫(kù)侖遇到困難的情境，學(xué)生在回答出成倍變化、如何成倍變化的同時(shí)，也體悟到了物理思想的簡(jiǎn)單美。

物理定律一般具有近似性和局限性。物理規(guī)律的近似性來源于理論模型，是對(duì)實(shí)際過程的簡(jiǎn)化。物理規(guī)律的局限性在于規(guī)律總是在一定范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)或推理得到的，并在有限范圍內(nèi)被檢驗(yàn)，也就是說物理規(guī)律有它的適用范圍和條件[3]。對(duì)于定律中的適用范圍或者簡(jiǎn)化模型可以通過啟發(fā)性問題充分挖掘其背后的物理本質(zhì)。

2 ? ?追本溯源顯思想

庫(kù)侖定律是電磁學(xué)的第一個(gè)基本定律，其重要性不言而喻，如何讓學(xué)生自然流暢地得到庫(kù)侖定律就需要溯源。所謂溯源，即追溯本源，在追溯本源中建構(gòu)知識(shí)，在還原歷史中體會(huì)科學(xué)思維。庫(kù)侖定律是以庫(kù)侖為首的眾多科學(xué)家智慧的結(jié)晶，其中不僅有庫(kù)侖扭秤的巧妙設(shè)計(jì)，也有普利斯特里等科學(xué)家的類比猜想。讓學(xué)生經(jīng)歷知識(shí)的建構(gòu)過程，了解知識(shí)的來龍去脈，可以幫助學(xué)生沿著科學(xué)家的路去體會(huì)、去體驗(yàn)、去體悟科學(xué)家當(dāng)時(shí)的想法。這除了可以幫助學(xué)生獲得知識(shí)，更重要的是通過科學(xué)家的思維來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力。早在17世紀(jì)，隨著富蘭克林等眾多科學(xué)家對(duì)電的研究的逐步深入，才有了庫(kù)侖定律的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)中的發(fā)現(xiàn)過程如圖2所示。

富蘭克林曾做過一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，他將一個(gè)帶電小球放入一個(gè)均勻帶電的空銀桶中，發(fā)現(xiàn)小球靜止不動(dòng)，說明小球在銀桶中不受力。于是，他將這個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)告訴了他的好友普利斯特里。普利斯特里重復(fù)了該實(shí)驗(yàn)后，類比萬有引力定律中將一個(gè)物體放入均勻球殼中，物體同樣不受萬有引力，由此類比猜想出電荷間的作用應(yīng)該與距離的平方成反比（如圖3）。

但因?yàn)樯鐣?huì)發(fā)展水平所限，當(dāng)時(shí)遇到了兩個(gè)困難：

困難1：電荷間的相互作用力很小。如何才能夠精確地測(cè)定力的大??？

這當(dāng)中體現(xiàn)了庫(kù)侖的智慧所在，體現(xiàn)了物理中的放大思想和轉(zhuǎn)化思想。

具體操作如圖4所示。

困難2：當(dāng)時(shí)無法測(cè)量電荷量，甚至連電荷量的單位都沒有。如何確定電荷間的數(shù)量關(guān)系？

庫(kù)侖巧妙地避免了電荷量無法定量測(cè)量的問題，采用了與相同的不帶電小球接觸使電荷量成倍減小的方法。體現(xiàn)了物理中的對(duì)稱思想。

庫(kù)侖扭秤其實(shí)只能探究庫(kù)侖斥力間的定量關(guān)系。對(duì)于庫(kù)侖引力，由于兩帶電小球會(huì)相碰，改變了小球上的電荷量，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。庫(kù)侖在第二篇論文中想出了第二種方法來補(bǔ)救，也就是著名的“電擺實(shí)驗(yàn)”。教科書中沒有提及，僅根據(jù)庫(kù)侖扭秤得出庫(kù)侖定律存在不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤?。電擺實(shí)驗(yàn)是在牛頓萬有引力定律的啟發(fā)下得到的。庫(kù)侖意識(shí)到在地球?qū)ξ矬w的作用力遵從平方反比規(guī)律的前提下，必然存在地面上單擺擺動(dòng)周期正比于擺錘離地心的距離。庫(kù)侖把電的吸引力同地球?qū)ξ矬w的吸引力進(jìn)行類比，設(shè)計(jì)了電擺實(shí)驗(yàn)。如圖5所示，庫(kù)侖進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)，紙片與球心的距離之比為3：6：8，三次振動(dòng)周期之比為20：41：60，庫(kù)侖認(rèn)為，在漏電的情況下實(shí)驗(yàn)值與理論值基本符合，得到庫(kù)侖引力也是與距離平方成反比的[4]。

定律的教學(xué)必然會(huì)與物理學(xué)史相關(guān)聯(lián)。筆者對(duì)物理學(xué)史的教學(xué)一直比較推崇，因?yàn)樗锹L(zhǎng)的歷史長(zhǎng)河中遺留下的精神文化瑰寶。讓學(xué)生沿著科學(xué)家的路再走一遍，利用科學(xué)家的思想熏陶學(xué)生，可以起到事半功倍的作用。其作用有三點(diǎn)：1.增加課堂的趣味性、融洽度，促進(jìn)學(xué)生形成物理觀念。2.體悟物理學(xué)家獨(dú)到、獨(dú)特的思想方法，創(chuàng)新、前瞻的思維方式，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力。3.感受科學(xué)發(fā)展的艱辛，形成學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。但物理學(xué)史的講解不應(yīng)變成教師的“獨(dú)角戲”。筆者認(rèn)為，可以在現(xiàn)象發(fā)生處讓學(xué)生猜想，在問題解決處讓學(xué)生思考，在過程艱辛處讓學(xué)生感悟，增強(qiáng)物理學(xué)史講授中的互動(dòng)性，才能更好地體現(xiàn)追本溯源的初衷。

3 ? ?定量探究需創(chuàng)新

定律的發(fā)現(xiàn)除了需要溯源外，還可以借助于現(xiàn)代先進(jìn)的儀器設(shè)備進(jìn)行一些創(chuàng)新，通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論的同時(shí)，也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神，告訴學(xué)生“老問題”也可以用“新辦法”。

物理核心素養(yǎng)中倡導(dǎo)科學(xué)探究，科學(xué)探究必然需要?jiǎng)?chuàng)新。創(chuàng)新是課堂的閃光點(diǎn)，是優(yōu)質(zhì)課堂的必備要素。本節(jié)課基于庫(kù)侖扭秤調(diào)節(jié)困難、實(shí)驗(yàn)原理與高中生知識(shí)接受不符合等因素的考量，創(chuàng)新采用0.001 g電子分析天平測(cè)出兩帶電金屬圓片間的作用力。

實(shí)驗(yàn)器材：電子分析天平一臺(tái)，自制帶有絕緣柄的鋁箔金屬圓片一組，快速定位支架，起電機(jī)一臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)原理：使兩金屬圓片正對(duì)，利用電子分析天平的去皮功能使示數(shù)歸零，利用起電機(jī)使兩金屬圓片帶上同種電荷后，天平的示數(shù)就可換算成力的大小。

實(shí)驗(yàn)過程：

（1）控制兩金屬圓片的電荷量不變，改變兩金屬圓片間的距離

利用起電機(jī)使兩金屬圓片帶上同種電荷，根據(jù)標(biāo)記使兩金屬圓片的初始距離為4 cm，讀出天平示數(shù)之后每隔1 cm向上增加，依次記錄數(shù)據(jù)，采用Excel表格作出圖像（圖6），由此得到F∝。

（2）控制兩金屬圓片的距離不變，改變金屬圓片的電荷量

利用起電機(jī)使兩金屬圓片帶上同種電荷，保持距離不變，記錄天平示數(shù)。采用第三塊完全相同的不帶電金屬圓片與上金屬圓片接觸使電量減半，記錄天平示數(shù)。重復(fù)上述操作，可使上金屬圓片電量再次減半，記錄數(shù)據(jù)。采用Excel表格作出圖像（圖7），由此得到F∝q1。采用相同操作與下金屬圓片接觸，同樣可以得到結(jié)論F∝q2。

本實(shí)驗(yàn)還可以使兩金屬圓片帶上異種電荷，演示電荷間的吸引力，相比于庫(kù)侖扭秤和電擺實(shí)驗(yàn)，原理更加簡(jiǎn)單，現(xiàn)象更加明顯。

定量創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的課堂展示在學(xué)生進(jìn)行分組定性實(shí)驗(yàn)之后，學(xué)生通過親自動(dòng)手得出了作用力與距離和電荷量的定性關(guān)系后，迫切需要得出定量關(guān)系。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)穿插在庫(kù)侖扭秤的講解之中，庫(kù)侖扭秤的定量測(cè)量分析與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)操作展示，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)原理到實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理包括誤差分析全部呈現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生經(jīng)歷猜想、實(shí)驗(yàn)、得出結(jié)論、分析誤差、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)整個(gè)探究的過程，可以更好地幫助學(xué)生感知作用力與距離和電荷量的關(guān)系。筆者在講解得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論時(shí)，并沒有對(duì)誤差棄之不理，而是讓學(xué)生討論、分析誤差產(chǎn)生的原因。學(xué)生提出了很多很好的想法，有學(xué)生提出可以加玻璃罩減小周圍環(huán)境的影響，而這些都是以后可以改進(jìn)的方面。

定律教學(xué)需要?jiǎng)?chuàng)新，可以是實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，也可以是思路創(chuàng)新。借助于一些現(xiàn)代化的手段解決前人無法解決的難題，會(huì)使課堂更加富有時(shí)代性、創(chuàng)造性。創(chuàng)新是對(duì)科學(xué)探究的繼承與發(fā)展，更是人類對(duì)真理、對(duì)社會(huì)發(fā)展的不斷追求。

學(xué)科知識(shí)只有通過學(xué)科活動(dòng)才能轉(zhuǎn)化為學(xué)科素養(yǎng)，如何借助定律教學(xué)幫助核心素養(yǎng)落地，課堂是主陣地。核心素養(yǎng)的達(dá)成需要課堂遞進(jìn)化、創(chuàng)新化，需要知識(shí)情境化、問題化，需要生成延緩化、過程化，最終促成學(xué)生能力化、素養(yǎng)化。當(dāng)然，物理課堂除了需要利用物理知識(shí)、物理思維來培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)外，其實(shí)還承擔(dān)著傳播物理文化的重要使命。這就需要物理教師有意識(shí)地去開發(fā)課程，創(chuàng)新課堂，在實(shí)現(xiàn)立德樹人育人目標(biāo)的同時(shí)，還能夠促進(jìn)物理教師價(jià)值的自我實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王華，張健，李春密.滲透物理學(xué)史，促進(jìn)規(guī)律建構(gòu)——以“庫(kù)侖定律”為例兼談物理定律教學(xué)[J].物理教師，2017，38（7）：9-11.

[4]仲扣莊.物理學(xué)史教程[M].南京：南京師范大學(xué)出版社，2009：125.

（欄目編輯 ? ?趙保鋼）