回歸研究本真 發(fā)展核心素養(yǎng)
——以“庫(kù)侖定律”教學(xué)為例

季正華 劉霽華

(1. 常州市北郊高級(jí)中學(xué)，江蘇 常州 213031； 2. 常州市教育科學(xué)研究院，江蘇 常州 213001)

課堂是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的主陣地，如何實(shí)現(xiàn)從知識(shí)課堂向素養(yǎng)課堂的轉(zhuǎn)變，是廣大一線教師甚為關(guān)注的教學(xué)問題.而“學(xué)習(xí)即研究”的現(xiàn)代學(xué)習(xí)觀，為培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)提供了新的思路.

1 “學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)的基本內(nèi)涵

科學(xué)學(xué)習(xí)的本質(zhì)是研究，學(xué)習(xí)者就是研究者，學(xué)習(xí)過程就是研究過程.[1]“學(xué)習(xí)即研究”是回歸學(xué)習(xí)本質(zhì)，用科學(xué)研究的方法引導(dǎo)學(xué)習(xí)，將科學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等學(xué)科核心要素滲透到學(xué)習(xí)中，并通過構(gòu)建真實(shí)情境，巧用問題驅(qū)動(dòng)，激活科學(xué)思維，體驗(yàn)探究過程，秉持科學(xué)態(tài)度，引發(fā)質(zhì)疑創(chuàng)新，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展，從而使學(xué)習(xí)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)得到實(shí)質(zhì)性的優(yōu)化.

2 基于“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)的教學(xué)案例

現(xiàn)以江蘇省高中物理評(píng)優(yōu)課一等獎(jiǎng)“庫(kù)侖定律”為例來(lái)談?wù)劇皩W(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)下優(yōu)化課堂教學(xué)的實(shí)踐探索.

2.1 趣味實(shí)驗(yàn)，提出研究問題

分組實(shí)驗(yàn)：利用桌上的器材(PV管、絲綢、易拉罐)，不接觸易拉罐，讓它滾動(dòng)起來(lái).

圖1 趣味實(shí)驗(yàn)

學(xué)生操作：用絲綢摩擦PV管起電，然后讓PV管靠近易拉罐(如圖1所示).

學(xué)生解釋：絲綢摩擦的PV管帶有電荷，PV管、易拉罐上存在異種電荷而相互吸引.

設(shè)計(jì)意圖：用研究興趣激活學(xué)習(xí).趣味實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)了真實(shí)的物理情境，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激活了學(xué)生思維，既吸引學(xué)生學(xué)習(xí)注意力，促進(jìn)學(xué)生整體參與，又激發(fā)學(xué)生在“興趣的作用下”探究物理本質(zhì)的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，從而激活學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)狀態(tài).

2.2 基于問題，建構(gòu)物理模型

電荷間的作用力與哪些因素有關(guān)？摒棄傳統(tǒng)的“忽略帶電體的形狀、大小及電荷分布對(duì)它們間作用力影響”的“告知”式教學(xué)方式，采用現(xiàn)代“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)的教學(xué)方式，如圖2所示.

圖2 點(diǎn)電荷模型的教學(xué)流程

設(shè)計(jì)意圖：由情境生成問題，驅(qū)動(dòng)“點(diǎn)電荷”概念的研究性教學(xué).從研究對(duì)象、研究問題、影響因素之間尋求突破，既維持學(xué)生學(xué)習(xí)的注意力和興趣，又在鏈接學(xué)習(xí)與生活經(jīng)驗(yàn)以及經(jīng)歷物理模型建構(gòu)的過程中，引發(fā)學(xué)生用研究的視角分析物理現(xiàn)象的本質(zhì)，從而促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的提升.

圖3 定性實(shí)驗(yàn)

2.3 定性實(shí)驗(yàn)，提出科學(xué)猜想

如圖3所示，用細(xì)線懸掛錫箔紙包裹泡沫做成的小球，將錫箔紙包裹的乒乓球固定在絕緣底座上(為減少漏電，小球表面應(yīng)光滑，并用石蠟絕緣連接處).

演示實(shí)驗(yàn)：保持兩小球之間的距離不變，改變一個(gè)小球的電量；保持兩小球的帶電量不變，改變兩小球之間的距離.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：前者，細(xì)線與豎直方向的夾角隨兩小球帶電量的增加而增大；后者，細(xì)線與豎直方向的夾角隨兩小球之間距離的增大而減小.

討論交流：電荷間作用力隨電荷量的增加而增大、隨電荷間距離的增大而減小.

科學(xué)猜想：(類比：萬(wàn)有引力)電荷間作用力與電荷量成正比、與電荷間距離平方成反比.

設(shè)計(jì)意圖：用研究目標(biāo)引領(lǐng)學(xué)習(xí).實(shí)驗(yàn)探究是人們探索自然規(guī)律、獲取科學(xué)知識(shí)的主要手段，是綜合的、關(guān)鍵的科學(xué)能力和素養(yǎng)的體現(xiàn)，其基本過程是從定性探究到定量探究.定性靜電擺實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了探究學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生收集、處理信息的能力和基于證據(jù)形成猜想的能力，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生明確研究目標(biāo)，引領(lǐng)定量探究方向.

2.4 定量實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)研究過程

圖4 定量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原理：[2]如圖4所示，帶有底座的金屬圓盤1放在分析天平檢測(cè)臺(tái)面上，在其正上方通過支架固定金屬圓盤2.讓兩圓盤帶上同種電荷，根據(jù)天平的讀數(shù)得到排斥力的大小.調(diào)整測(cè)量桿改變圓盤間距離，數(shù)值由桿上刻度讀出.

實(shí)驗(yàn)測(cè)量：由控制變量法、倍分法，合作測(cè)得數(shù)據(jù)如表1、表2.

表1 電荷間作用力F與電荷量q1的關(guān)系

表2 電荷間作用力F與電荷間距離r的關(guān)系

數(shù)據(jù)處理：作出電荷間作用力F與電荷量q1、電荷間距離r-2的關(guān)系圖像(先嘗試坐標(biāo)紙作圖，再用計(jì)算機(jī)作圖)，如圖5所示.

(a) 電荷間作用力F與電荷量q1的關(guān)系

(b) 電荷間作用力F與電荷間距離r-2的關(guān)系

設(shè)計(jì)意圖：用研究方式組織學(xué)習(xí).定量實(shí)驗(yàn)探究讓學(xué)生體驗(yàn)現(xiàn)代科技帶來(lái)的設(shè)計(jì)革新與測(cè)量便捷.坐標(biāo)紙作圖的經(jīng)歷，讓學(xué)生學(xué)會(huì)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本方法，理解圖像法減小誤差的基本原理，體會(huì)科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性，養(yǎng)成良好的科學(xué)態(tài)度.在學(xué)生經(jīng)歷和體驗(yàn)科學(xué)研究的過程中，強(qiáng)化對(duì)“學(xué)習(xí)即研究”現(xiàn)代學(xué)習(xí)觀的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)和發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng).

2.5 質(zhì)疑評(píng)價(jià)，引發(fā)科學(xué)思維

教師：對(duì)圖5(b)你會(huì)有什么疑問？你能提出什么問題？

學(xué)生：在1/r2較大時(shí)，也就是r較小時(shí)，圖像彎曲.為什么會(huì)彎曲呢？

教師：你提的問題很好，所描的點(diǎn)在1/r2較大時(shí)出現(xiàn)離散，為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？

學(xué)生：1/r2較大時(shí)，也就是在r較小時(shí)，帶電圓盤不能看成點(diǎn)電荷.

教師：剔除離散點(diǎn)再作圖看看.(操作并得出)F∝r-2只適用于點(diǎn)電荷模型.

教師：這提醒我們：在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)不能隨意丟棄、忽略數(shù)據(jù)，要尊重?cái)?shù)據(jù)，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.

設(shè)計(jì)意圖：用研究過程深化學(xué)習(xí).教學(xué)過程要向?qū)W習(xí)即研究過程轉(zhuǎn)變與深化.由數(shù)據(jù)處理得出結(jié)論，既是實(shí)驗(yàn)探究的重要環(huán)節(jié)，也是質(zhì)疑生成的過程土壤.從圖像描點(diǎn)的離散到對(duì)離散現(xiàn)象的質(zhì)疑，引發(fā)學(xué)生對(duì)電荷間距離與圓盤尺寸大小相對(duì)關(guān)系的分析討論，既有利于學(xué)生對(duì)“點(diǎn)電荷”模型的深刻認(rèn)識(shí)，又有利于在真實(shí)情境中激活學(xué)生思維，促進(jìn)新問題的解決.這實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)方式由傳統(tǒng)接受式向現(xiàn)代研究式的轉(zhuǎn)變,也滲透了科學(xué)研究方法、強(qiáng)化了必備的研究習(xí)慣、培養(yǎng)了質(zhì)疑生成與創(chuàng)新思維的能力.

2.6 史實(shí)熏陶，感受科學(xué)態(tài)度

設(shè)置疑問：庫(kù)侖那個(gè)年代沒有這樣的高科技測(cè)力儀器，他是如何探究電荷間作用力規(guī)律的呢？

直觀解惑：庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)如圖6所示.介紹科學(xué)方法，類比生活中的“擰毛巾”過程破解難點(diǎn)，讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)放大法、倍分法等.介紹工作原理，播放視頻動(dòng)畫，理解更為直觀.

圖6 庫(kù)侖的實(shí)驗(yàn)

啟迪升華：庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)是科學(xué)方法引領(lǐng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的典范，啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家克服時(shí)代局限，敢于挑戰(zhàn)、勇于創(chuàng)新的精神.

設(shè)計(jì)意圖：用研究方法啟迪學(xué)習(xí).創(chuàng)新能力是科學(xué)思維素養(yǎng)中的最高層級(jí)，實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的重要手段.提出“庫(kù)侖當(dāng)時(shí)是如何測(cè)量電荷間作用力”這一歷史性問題，引發(fā)學(xué)生對(duì)“庫(kù)侖扭秤”實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣.對(duì)庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)方法的直觀剖析，讓學(xué)生感受物理學(xué)思想方法的美妙，樹立創(chuàng)新意識(shí)，受到科學(xué)態(tài)度的熏陶.讓物理核心素養(yǎng)理念在課堂中落地生根，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)課堂向素養(yǎng)課堂的轉(zhuǎn)變.

問題拓展：圖5(a)中直線的斜率值是否為靜電力常量?

歷史回顧：科學(xué)發(fā)現(xiàn)不是一帆風(fēng)順的，庫(kù)侖的偉大也是站在很多巨人的肩上.科學(xué)研究是需要付出努力的，甚至需要幾代人的共同努力.羅比遜——平方反比率的實(shí)驗(yàn)方差小于0.06，庫(kù)侖扭秤平方反比率的實(shí)驗(yàn)方差小于0.02，今天的實(shí)驗(yàn)方差小于10-39.科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程是不斷深入的.

對(duì)比賞析：萬(wàn)有引力與物體的質(zhì)量有關(guān)，靜電力與電荷的電荷量有關(guān).萬(wàn)有引力只存在引力，而靜電力有引力和斥力，體現(xiàn)了自然規(guī)律的多樣性.萬(wàn)有引力定律與庫(kù)侖定律都遵循距離“平方反比”規(guī)律，表達(dá)形式也十分相似，相互作用都是“場(chǎng)”作用.可見，自然界的事物具有多樣統(tǒng)一性.科學(xué)多么完美，宇宙多么對(duì)稱和諧.我們要善用多樣統(tǒng)一的眼光看待世界.

設(shè)計(jì)意圖：用研究文化豐富學(xué)習(xí).擁有問題意識(shí)、科學(xué)精神的研究者才能成為真正意義上研究活動(dòng)的主導(dǎo)者.學(xué)生只有將精神、素養(yǎng)作為知識(shí)結(jié)構(gòu)的鏈路，其研究行為才更加積極、深刻.問題拓展與歷史回顧，不僅培養(yǎng)學(xué)生數(shù)理結(jié)合、分析推理的思維能力，而且讓學(xué)生獲得了歷史知識(shí)，開拓了視野.還以“認(rèn)識(shí)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)、體驗(yàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的曲折、欣賞科學(xué)規(guī)律發(fā)現(xiàn)的智慧”的賞析過程來(lái)熏陶學(xué)生的科學(xué)文化、科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度，使學(xué)生體悟自然的和諧與多樣之美.

3 “學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)的課堂價(jià)值與策略

“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)下的課堂應(yīng)該是主體為了問題解決調(diào)動(dòng)自己的思維，特別是批判與創(chuàng)新思維在學(xué)習(xí)中回歸研究本真發(fā)展素養(yǎng)的課堂，要構(gòu)建這樣的課堂教師必須做好以下幾個(gè)方面.

3.1 明確研究路徑，用“情境、問題”煉制學(xué)習(xí)活動(dòng)

“情境—問題—探究—解決—評(píng)價(jià)—新問題……”是“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)下課堂實(shí)踐的基本路徑.案例依據(jù)庫(kù)侖定律的發(fā)現(xiàn)過程，構(gòu)建真實(shí)的研究情境展開教學(xué).從驅(qū)動(dòng)易拉罐的分組實(shí)驗(yàn)，引出點(diǎn)電荷模型和電荷間作用力的定性研究，到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代科技結(jié)合探究電荷間的作用規(guī)律，再到回顧庫(kù)侖定律的發(fā)現(xiàn)過程，最后到應(yīng)用庫(kù)侖定律解決實(shí)際問題，如圖7所示.這樣的課堂將被動(dòng)的、規(guī)劃的學(xué)習(xí)行為轉(zhuǎn)變?yōu)閱栴}驅(qū)動(dòng)的、主動(dòng)的、發(fā)現(xiàn)的學(xué)習(xí)行為.通過問題情境與問題解決，引發(fā)學(xué)生的交流、建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、評(píng)價(jià)等活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)其知識(shí)獲得和素養(yǎng)發(fā)展.

圖7 教學(xué)流程

3.2 體現(xiàn)研究思想，用“探究、評(píng)價(jià)”鑄煉探究品質(zhì)

“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)下課堂實(shí)踐的核心是將單純積累知識(shí)向生成、探究、評(píng)價(jià)問題轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)論證式學(xué)習(xí)向研究式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變.教師要將物理概念、規(guī)律的形成過程和應(yīng)用過程設(shè)計(jì)成研究過程，通過學(xué)生探究、分析、評(píng)價(jià)和總結(jié)等一系列活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象，探索物理規(guī)律或形成物理觀念.案例中先后通過定性、定量實(shí)驗(yàn)對(duì)電荷間作用力進(jìn)行探究，問題、猜想、證據(jù)、解釋、交流、評(píng)價(jià)等鑄煉著學(xué)生的探究品質(zhì).這樣的課堂為學(xué)生提供了充分的探究學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，學(xué)生會(huì)自我建構(gòu)認(rèn)知、意志、情感結(jié)構(gòu)，才能重建狀態(tài)進(jìn)入一個(gè)更高的發(fā)展平衡狀態(tài)，發(fā)展核心素養(yǎng).

3.3 追尋研究本質(zhì)，用“質(zhì)疑、創(chuàng)新”錘煉科學(xué)思維

學(xué)習(xí)的過程本質(zhì)上是學(xué)習(xí)者面對(duì)特定情境對(duì)未知世界的探求過程，因而“學(xué)習(xí)即研究”觀點(diǎn)認(rèn)為課堂本質(zhì)特征應(yīng)具備研究的本質(zhì)特征——質(zhì)疑與創(chuàng)新.這就要求學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象要保持好奇心和開放態(tài)度，具有探索精神，能對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行反思和質(zhì)疑，具有批判、創(chuàng)新的實(shí)踐精神.因此教學(xué)中要把“質(zhì)疑、評(píng)價(jià)、創(chuàng)新”作為“研究”的過程要素，來(lái)促進(jìn)研究式學(xué)習(xí)的發(fā)生.案例中通過對(duì)電荷間作用力與電荷間距離平方反比圖像分析，學(xué)生能夠反思和質(zhì)疑數(shù)據(jù)點(diǎn)離散的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題并通過科學(xué)推理、論證解決問題，從而深化了對(duì)點(diǎn)電荷模型的認(rèn)識(shí).這樣的課堂通過過程的批判性、曲折性，讓學(xué)生感悟思維的力量，認(rèn)識(shí)質(zhì)疑的重要.最終，提升了批判精神和批判能力，發(fā)展核心素養(yǎng).