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“庫侖定律”的教學(xué)實踐，提出幾點可行性做法，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：庫侖定律;問題引領(lǐng);追本溯源;創(chuàng)新實驗;核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）6-0004-4

當(dāng)前新一輪課程改革正在全國范圍內(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)生走向社會所必需的關(guān)鍵能力、必備品格和價值觀念。為了促進學(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)任四個方面。物理觀念代表知識的內(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)點在課程，著力點在課堂，落腳點在評價。物理學(xué)作為自然科學(xué)的重要組成部分，對學(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)的核心價值就在于促進學(xué)生實現(xiàn)三個轉(zhuǎn)化：一是把人類社會積累的知識轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生個體的知識，使他們知道世界是什么樣的，成為一個客觀的人;二是把前人從事智力活動的思想方法轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認(rèn)識能力，使他們明白世界為什么是這樣的，成為一個理性的人;三是把蘊含在知識中的觀念、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，成為一個創(chuàng)造的人[1]。

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(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)，不僅僅在于它對客觀世界的規(guī)律作出了深刻的揭示，還因為它在發(fā)展、成長的過程中，形成了一套獨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。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，定律是以實驗為基礎(chǔ)的采用不完全歸納法總結(jié)得出的規(guī)律，它是觀察、實驗與物理思維相結(jié)合的產(chǎn)物。許多定律的得出都體現(xiàn)了科學(xué)家們的獨具匠心、獨具慧眼、獨樹一幟，當(dāng)中蘊含的物理思想方法、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)系猜想的獨特思維;卡文迪許扭秤實驗中用到了放大思想、轉(zhuǎn)化思想、對稱思想;法拉第關(guān)于電磁感應(yīng)定律的得出長達(dá)數(shù)十年之久的追求真理的精神等等。正因為定律的發(fā)現(xiàn)處處體現(xiàn)了物理的學(xué)科特點（以實驗為基礎(chǔ)），處處蘊含著物理思想（簡單、對稱、統(tǒng)一），處處彰顯著科學(xué)人文價值（對真理的孜孜追求），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、閃光點、出彩點。本文以庫侖定律為例，通過優(yōu)化認(rèn)知過程，溯源思維過程，創(chuàng)新實驗過程，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誤、不斷逼近真理的“求真”史。庫侖定律的得出經(jīng)歷了比較漫長的發(fā)現(xiàn)過程，其中凝聚了以庫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，要面對原始的問題......”思維總是起始于問題，問題是課堂的動力，它推動了課堂的前進與知識的生成。

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)知就有了遞進性、梯度性。本節(jié)課的核心問題設(shè)置如圖1所示。

三個核心問題構(gòu)成遞進式問題串，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)過程中往往會遇到一些物理學(xué)中重要的思想方法，這時候需要設(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：

在講解庫侖定律的條件時，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單的介質(zhì)是什么？

生：真空。

師：你認(rèn)為帶電體最簡單的形狀是什么樣子的？

生：點。

評析：這兩個問題的啟發(fā)引導(dǎo)性強，問題中內(nèi)含簡化的思想，學(xué)生在思考問題的同時也體會到了物理條件的簡單美，物理模型的簡單美。這恰恰是物理課堂要滲透給學(xué)生的觀念，學(xué)生在回答問題中實現(xiàn)了內(nèi)化。

教學(xué)片段2：

在學(xué)生通過分組實驗定性得出“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之間最簡單、最有可能的定量關(guān)系是什么？

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

評析：這兩個問題設(shè)置在定性分組實驗之后，讓學(xué)生真正參與實驗探究，而不是作為外來的觀察者、參觀者，學(xué)生在回答問題時，也體驗到了物理猜想的簡單美。

教學(xué)片段3：

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

師：你覺得帶電體電荷量最簡單的變化是什么形式？

生：成倍變化。

師：你認(rèn)為可以如何實現(xiàn)成倍變化呢？

生：將帶電小球與另一個完全相同的不帶電的小球相接觸，使電量均分。

評析：該問題讓學(xué)生直面當(dāng)時庫侖遇到困難的情境，學(xué)生在回答出成倍變化、如何成倍變化的同時，也體悟到了物理思想的簡單美。

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，是對實際過程的簡化。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，也就是說物理規(guī)律有它的適用范圍和條件[3]。對于定律中的適用范圍或者簡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

庫侖定律是電磁學(xué)的第一個基本定律，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，在還原歷史中體會科學(xué)思維。庫侖定律是以庫侖為首的眾多科學(xué)家智慧的結(jié)晶，其中不僅有庫侖扭秤的巧妙設(shè)計，也有普利斯特里等科學(xué)家的類比猜想。讓學(xué)生經(jīng)歷知識的建構(gòu)過程，了解知識的來龍去脈，可以幫助學(xué)生沿著科學(xué)家的路去體會、去體驗、去體悟科學(xué)家當(dāng)時的想法。這除了可以幫助學(xué)生獲得知識，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)家對電的研究的逐步深入，才有了庫侖定律的發(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有趣的實驗，他將一個帶電小球放入一個均勻帶電的空銀桶中，發(fā)現(xiàn)小球靜止不動，說明小球在銀桶中不受力。于是，他將這個有趣的實驗告訴了他的好友普利斯特里。普利斯特里重復(fù)了該實驗后，類比萬有引力定律中將一個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）。

但因為社會發(fā)展水平所限，當(dāng)時遇到了兩個困難：

困難1：電荷間的相互作用力很小。如何才能夠精確地測定力的大小？

這當(dāng)中體現(xiàn)了庫侖的智慧所在，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)時無法測量電荷量，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？

庫侖巧妙地避免了電荷量無法定量測量的問題，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)了物理中的對稱思想。

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

定律的教學(xué)必然會與物理學(xué)史相關(guān)聯(lián)。筆者對物理學(xué)史的教學(xué)一直比較推崇，因為它是漫長的歷史長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：1.增加課堂的趣味性、融洽度，促進學(xué)生形成物理觀念。2.體悟物理學(xué)家獨到、獨特的思想方法，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，增強物理學(xué)史講授中的互動性，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)代先進的儀器設(shè)備進行一些創(chuàng)新，通過創(chuàng)新實驗得到結(jié)論的同時，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)探究必然需要創(chuàng)新。創(chuàng)新是課堂的閃光點，是優(yōu)質(zhì)課堂的必備要素。本節(jié)課基于庫侖扭秤調(diào)節(jié)困難、實驗原理與高中生知識接受不符合等因素的考量，創(chuàng)新采用0.001 g電子分析天平測出兩帶電金屬圓片間的作用力。

實驗器材：電子分析天平一臺，自制帶有絕緣柄的鋁箔金屬圓片一組，快速定位支架，起電機一臺。

實驗原理：使兩金屬圓片正對，利用電子分析天平的去皮功能使示數(shù)歸零，利用起電機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。

實驗過程：

（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。

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

定量創(chuàng)新實驗的課堂展示在學(xué)生進行分組定性實驗之后，學(xué)生通過親自動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)新實驗穿插在庫侖扭秤的講解之中，庫侖扭秤的定量測量分析與創(chuàng)新實驗的現(xiàn)場操作展示，將整個實驗從實驗儀器、實驗原理到實驗操作、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、實驗、得出結(jié)論、分析誤差、實驗改進整個探究的過程，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。筆者在講解得出實驗結(jié)論時，并沒有對誤差棄之不理，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的方面。

定律教學(xué)需要創(chuàng)新，可以是實驗創(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，會使課堂更加富有時代性、創(chuàng)造性。創(chuàng)新是對科學(xué)探究的繼承與發(fā)展，更是人類對真理、對社會發(fā)展的不斷追求。

學(xué)科知識只有通過學(xué)科活動才能轉(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)成需要課堂遞進化、創(chuàng)新化，需要知識情境化、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、物理思維來培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)外，其實還承擔(dān)著傳播物理文化的重要使命。這就需要物理教師有意識地去開發(fā)課程，創(chuàng)新課堂，在實現(xiàn)立德樹人育人目標(biāo)的同時，還能夠促進物理教師價值的自我實現(xiàn)。

參考文獻：

[1]吳加澍.對物理教學(xué)的哲學(xué)思考[J].課程·教材·教法，2005，25（7）：64-69.

[2]袁振國.教育新理念[M].北京：教育科學(xué)出版社，2002：41.

[3]王華，張健，李春密.滲透物理學(xué)史，促進規(guī)律建構(gòu)——以“庫侖定律”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）