基于“顯化—反思”教學 促進科學本質(zhì)理解
——以“庫侖定律”教學為例

周勝林 葉 倩 谷海躍

（常州市第一中學，江蘇 常州 213003）

幫助學生充分理解科學本質(zhì)是科學教育目標之一，也是物理學科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容.教學途徑的選擇對學生科學本質(zhì)觀的形成起著重要作用.然而，相關(guān)研究表明，教師對科學本質(zhì)教學方式的認識存在著偏差，缺乏行之有效的教學途徑.這勢必會在不同程度上影響學生科學本質(zhì)觀的形成.［1］有鑒于此，本文擬深入探討科學本質(zhì)教學的有效途徑，并以“庫侖定律”教學為例，顯化科學本質(zhì)為導(dǎo)向進行教學設(shè)計，以期為科學本質(zhì)的教學提供有益的參考.

1 科學本質(zhì)教學的基本途徑

一般而言，科學本質(zhì)的教學分為隱性（implicit）和顯化（explicit）兩種途徑.［2］隱性教學是指通過科學探究活動、科學過程技能指導(dǎo)或改善學習環(huán)境等方式，讓學生自己領(lǐng)悟科學本質(zhì)的內(nèi)涵，教師既不明確指出教學內(nèi)容所隱含的科學本質(zhì)要素，也不對科學本質(zhì)的內(nèi)涵進行解釋和說明.這種教學途徑將科學本質(zhì)視為情感目標和科學探究活動的“副產(chǎn)品”，學生無需額外花費時間對科學本質(zhì)進行反思和提煉，就能在潛移默化中形成科學本質(zhì)觀.［3］

科學本質(zhì)的顯化教學是指教師在利用科學史和科學哲學的元素提升學生對科學本質(zhì)理解的過程中，明確指出其中所蘊含的科學本質(zhì)內(nèi)涵及其要素.反思則是在顯化教學的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學生從歷史學家、哲學家和社會學家等多維視角理解科學的工作機制，在科學本質(zhì)的框架下反思科學的基本活動.已有研究表明，相對于隱性教學方式，“顯化—反思”教學能夠為學生提供更多的機會來討論科學本質(zhì)的相關(guān)問題，在學生原有觀念和現(xiàn)有知識之間產(chǎn)生認知沖突，從而不斷有效地修正和發(fā)展學生的科學本質(zhì)觀，是科學本質(zhì)教學中最為有效的途徑.［4］

2 基于“顯化—反思”的“庫侖定律”教學設(shè)計

“庫侖定律”是高中物理電學的基本規(guī)律之一，其發(fā)現(xiàn)過程蘊含著物理學家?guī)靵鲐S富的思想和方法，體現(xiàn)了科學本質(zhì)教學的重要價值.下面以“庫侖定律”為例，基于“顯化—反思”教學途徑，設(shè)計該節(jié)教學.

2.1 基于“顯化—反思”的“庫侖定律”教學目標的確定

確定顯性的科學本質(zhì)教學目標是開展“庫侖定律”科學本質(zhì)教學的必要前提.根據(jù)課程標準對該內(nèi)容的要求，結(jié)合庫侖定律發(fā)現(xiàn)過程中所蘊含的科學本質(zhì)要素，確定了該節(jié)科學本質(zhì)教學應(yīng)達到的不同層次，具體目標擬定如下.

（1）通過重演庫侖定律的發(fā)現(xiàn)過程，體會庫侖定律建立過程中的思想和方法，理解科學的主觀性和創(chuàng)造性.

（2）通過實驗，運用庫侖的思想方法，掌握庫侖定律的基本內(nèi)容，相信科學知識的可驗證性，進而形成嚴謹?shù)目茖W態(tài)度.

（3）評估庫侖的電學研究過程，理解庫侖定律建立的意義，正確評價庫侖的歷史地位，初步了解科學的運行機制.

2.2 基于“顯化—反思”的“庫侖定律”教學過程及實施建議

根據(jù)上述所確定的科學本質(zhì)顯化教學目標，我們通過歷史追溯、實驗探究和反思評價等多個環(huán)節(jié)，重新演繹庫侖定律的建立過程，引導(dǎo)學生從不同視角理解科學本質(zhì)的內(nèi)涵.

2.2.1 數(shù)據(jù)重演：追溯庫侖的研究過程

18世紀，牛頓經(jīng)典力學的思想對電學的研究產(chǎn)生了深遠的影響，包括庫侖在內(nèi)的科學家們普遍將牛頓超距作用模型應(yīng)用于電學研究中，通過類比萬有引力定律，形成了電荷間的作用力遵從平方反比定律的猜想.

在教學中，教師可以將天體運動同電子繞核運動進行類比，引導(dǎo)學生形成影響電荷相互作用因素的猜想，從而降低學生的思維難度.形成猜想后，我們可以重新演繹庫侖定律的發(fā)現(xiàn)過程，并結(jié)合電子表格對庫侖的原始數(shù)據(jù)進行分析處理，如圖1所示.［5］

圖1 庫侖電學研究裝置及實驗數(shù)據(jù)

結(jié)合庫侖的研究背景和實驗過程，教師提出反思性問題，引導(dǎo)學生對庫侖的實驗過程進行深入反思.

問題1.庫侖是如何得到猜想的？

反思：庫侖深受牛頓力學的影響，將電荷間的相互作用力與萬有引力進行類比，得到電荷間的相互作用力與距離的平方成反比.這反映出科學家已有的知識、經(jīng)驗和觀念影響著科學家的思維模式，進而影響科學家探究的問題及探究過程，這體現(xiàn)了科學具有主觀性的本質(zhì).［7］

問題2.庫侖通過少量數(shù)據(jù)就能驗證庫侖定律，這說明了科學發(fā)現(xiàn)具有什么樣的特點？

反思：科學探究并不是完全沒有活力的、理性的活動，而是涉及科學家的創(chuàng)造、想象和推理的過程（科學的創(chuàng)造性）.庫侖能夠從有限的數(shù)據(jù)中洞察事物運行的本質(zhì)，確定物理規(guī)律，這彰顯了庫侖杰出的創(chuàng)造力和推理能力，而這種能力也正在成為現(xiàn)代科學的一種“失傳的藝術(shù)”.［8］

2.2.2 實驗探究：體會庫侖的思想方法

值得注意的是，庫侖只是嚴格驗證了電荷間的相互作用力遵從平方反比規(guī)律，并沒有驗證相互作用力與電荷之積成正比，就庫侖而言，這種關(guān)系式顯然的，正如他所說：“這個假說的前一部分無需加以證明.”［6，9］為了還原歷史原貌，彌補歷史的缺憾，深化學生對庫侖定律的理解，我們可以通過電子天平進一步驗證庫侖定律，實驗裝置如圖2所示.［10］

圖2 庫侖定律實驗裝置示意圖

首先，保持兩個金屬球（涂有導(dǎo)電銀漆的聚苯乙烯球）電荷量不變，改變金屬球之間的距離，通過電子天平測量帶電金屬球之間的相互作用力，從而驗證電荷間的相互作用力與距離的平方成反比.然后，保持金屬球之間的距離不變，啟發(fā)學生利用對稱性原理，改變金屬球的電荷量，進而驗證電荷間的相互作用力與電荷量的乘積成正比.

實驗完成后，教師引導(dǎo)學生對科學的可重復(fù)性進行反思討論.

問題3.為什么通過現(xiàn)代儀器（電子天平）也能得到與庫侖相同的實驗結(jié)果？

反思：采用不同的實驗儀器進行驗證，能夠得到同樣的實驗結(jié)果是因為科學具有可重復(fù)性的本質(zhì)，即科學知識及其發(fā)現(xiàn)過程是可以重復(fù)并能經(jīng)受他人反復(fù)驗證.

2.2.3 反思討論：評估庫侖的歷史地位

在庫侖公布自己的研究成果之前，羅賓孫、卡文迪什等人都通過實驗驗證了電荷之間的作用力遵從平方反比定律，卡文迪什的測量結(jié)果甚至比庫侖更加精確.在此之后，眾多物理學家通過不斷改進測量儀器，成功將庫侖定律的精度提高了十幾個數(shù)量級，如表1所示.［11］教師可以以此設(shè)置問題情境，引導(dǎo)學生理解庫侖定律的作用，了解科學的運行機制.

表1 不同時期庫侖定律的驗證結(jié)果

問題4.為什么卡文迪什、羅賓孫比庫侖更早驗證電荷之間的相互作用力與距離的平方成反比關(guān)系，甚至精確度更高，卻以庫侖的名字命名這一規(guī)律？

反思：以科學家的姓名命名科學規(guī)律是科學獎勵系統(tǒng)中最高聲望的承認方式之一.雖然羅賓孫和卡文迪什先于庫侖驗證電荷之間的相互作用力遵從平方反比關(guān)系，但并沒有及時公開發(fā)表.而庫侖憑借著創(chuàng)造性的洞察能力和高超的實驗技術(shù)，最早公開發(fā)表了自己的研究成果.其獨創(chuàng)性率先得到了科學共同體的認同，因此以他的名字命名這一物理規(guī)律.

問題5.為什么科學家一直不斷驗證庫侖定律？

反思：因為科學知識是暫時性和持久性的統(tǒng)一，要確保物理規(guī)律的精確度需要不斷改進實驗方法和儀器進行驗證.庫侖定律是電磁學的基石，其精確度對整個電磁學的理論框架有著重要影響.

3 小結(jié)與啟示

通過對科學本質(zhì)教學途徑的梳理，指出“顯化—反思”教學途徑能夠有效提升學生對科學本質(zhì)的理解.基于此，以“庫侖定律”一節(jié)教學為例，根據(jù)科學本質(zhì)的顯化教學目標，引導(dǎo)學生模仿歷史學家、哲學家和社會學家理解科學的本質(zhì)，不僅使學生對庫侖的研究過程及其運用的方法有了充分的理解，而且對相關(guān)物理學史中所蘊含的科學本質(zhì)要素有了多維度的認識.

此外，教師在實施“顯化—反思”教學時，首先應(yīng)充分理解科學本質(zhì)的內(nèi)涵，從科學史、科學哲學和科學社會學等不同維度深入挖掘科學發(fā)現(xiàn)過程中所蘊含的科學本質(zhì)要素.在此基礎(chǔ)上，根據(jù)課程標準的要求，細化科學本質(zhì)的顯化目標，設(shè)置反思性問題以引發(fā)學生的討論與反思，從而不斷修正和深化學生對科學本質(zhì)的理解，進而更好地落實學生物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).