庫侖定律教學中科學探究的誤區與反思

白晶

摘? ? 要：庫侖定律教學中的科學探究主要存在兩個誤區：實驗探究中片面追求符合定律的數據結果，偏離了理解科學發現本質的價值取向;理論探究中類比思維方法的不當使用，導致物理本質理解的偏差.物理教學中應重視科學探究對知識產生過程的體驗價值，重視科學思維在科學探究中的重要作用，以實現科學探究促進科學本質理解的教育價值.

關鍵詞：庫侖定律;科學探究;誤區

科學探究作為促進科學本質理解的科學教育途徑，也是物理學科核心素養的重要內涵之一.作為教學策略的科學探究，應區別于科學事業中的探究，其意義常常不在于發現規律，而在于促進學生理解科學發現的本質.庫侖定律的建立開創了定量研究電學的時代，其發現的歷史展現了理論與實驗的互動對物理學發展的影響，蘊含著豐富的科學教育價值.《普通高中物理課程標準（2017年版）》要求體會探究庫侖定律過程中的科學思想與方法.[1]其中有兩個關鍵詞“探究”和“體會”.何以探究，如何體會，這兩個問題關系到科學探究在庫侖定律教學中能否促進課程目標的達成，若處理不當，就會導致相關的教學誤區.

一、實驗探究的誤區與反思

庫侖扭秤實驗是物理學史上定量研究靜電力規律的經典實驗，課程標準也建議體會庫侖扭秤實驗設計的巧妙之處.然而，由于庫侖扭秤結構較復雜，對操作的細致程度要求較高，導致重演該實驗難以獲得較為精確的結果.在實際教學中，庫侖扭秤實驗通常被其他實驗方案替代，例如用精度較高的電子秤等儀器測量靜電力的大小.這些替代方案在操作的便捷度與數據的精確度兩方面都優于庫侖扭秤實驗，顯得“性價比”很高，卻忽視了庫侖扭秤實驗的教育價值.

要追問庫侖扭秤實驗的教育價值，有必要先了解庫侖扭秤實驗的歷史意義.回到庫侖（1736—1806）發現庫侖定律的時代，當時通過精確測量證明自然定律在學者中并不是一項共識.[2]24庫侖扭秤為靜電力的平方反比律的建立提供了實證基礎，反映了科學研究是建立在精確測量基礎上的.從測量本質上講，庫侖扭秤就是一種測力計.一切測量力的工具，其實是測量力的作用效果，例如彈簧測力計將力的測量轉換成長度的測量，電子秤將力的測量轉換為電學量的測量.庫侖扭秤通過機械力和靜電力之間的平衡，[2]28實現靜電力作用效果的轉換放大與測量，展現了電現象與規律的力學本質.

基于科學史與科學哲學（History and Philosophy of Science，HPS）的觀點，重做或模擬科學史上的重要實驗，是建立一個科學事實的必要條件，對探究科學思想的萌發、科學知識的產生、科學理論的形成而言，是直觀形象的重要途徑.[3]教學儀器市場上常見到庫侖扭秤實驗的教具，直接將現成的庫侖扭秤實驗裝置展示給學生.由于其結構部件較多，且懸絲的扭轉效果不易觀察，無法凸顯庫侖扭秤實驗設計的核心思想.不妨在課堂上模擬制作扭秤的核心部件，展現由部件到整體的過程，見“物”知“理”，理解庫侖扭秤作為測力計的測量本質，體會實驗的設計思想.

歷史上不乏有研究者重做或模擬庫侖扭秤實驗，并指出庫侖的實驗結果不能被重復，且實驗中得到的數據過于分散，不能作為靜電力平方反比律的證據.[2]18基于HPS的視角，建議將歷史上庫侖扭秤實驗的原始數據作為教學資源引入課堂，對其進行分析與評價.表1是根據史料記載整理的庫侖發表的扭秤實驗的數據結果，包括扭秤穩定時帶電球間距r和對應的懸絲扭角θ.[4]

結合表1，引導學生思考：如何將懸絲扭角的數據還原為靜電力的數據，需要知道靜電力的具體數值嗎？庫侖采集的帶電球間距r的數據分別是36、18、8.5個刻度，這些數據之間存在怎樣的倍數關系？這樣采集數據可能有怎樣的用意嗎？根據以上討論，將表1轉換為表2，體會庫侖扭秤實驗數據處理的倍分法.

針對第3組數據與平方反比律有偏差的事實，如果不加討論就簡單歸因于實驗誤差，就丟掉了這個細節的科學教育價值.基于HPS的視角，建議將事實還原到科學發現的起點，引導學生思考應該采取怎樣的科學態度面對這個偏差，造成這個偏差的原因是實驗的誤差還是反比律的理論需要修正.事實上，即使找到系統誤差的來源，根據分散的并不十分精確的僅僅3組數據歸納出靜電力的規律，證據顯然是不夠充分的.至此，可引導學生基于批判性思維，用辯證的觀點評價庫侖扭秤實驗的歷史地位和科學意義.庫侖扭秤實驗的教育價值在于，啟發學生思考科學發現過程中猜想、假設與直覺的價值，認識到科學發現不只是依靠有限的事實歸納或單純的邏輯推理.

二、理論探究的誤區與反思

物理學史研究表明，僅僅依靠具體實驗數據的積累與分析，得到嚴格意義上的庫侖定律是不夠的.庫侖定律既是實驗事實的總結，也是理論研究的成果，其中類比的思維方法起到了關鍵的作用.根據兩個（或兩類）對象在某些屬性上相同（或相似），推測它們在另外的屬性上也相同的推理稱為類比推理.[5]庫侖定律的發現很大程度上依賴于從萬有引力理論中受到的啟發，即靜電力與萬有引力的類比.

靜電力與萬有引力的類比是基于兩者在何種屬性上的相同或相似呢？對這個問題認識的誤解會導致類比策略在庫侖定律教學中的不當使用.例如：將行星繞太陽運動與電子繞原子核運動的物理模型作類比，通過圓周運動的向心力來源的分析，類比萬有引力，猜想靜電力的規律.[6]這樣的類比，其合理性是值得商榷的，原因有二：第一，量子力學理論的原子模型，已經拋棄了電子軌道的概念，現在還在不斷發展中.用電子繞原子核做圓周運動的原子模型作為類比的依據不符合現代微觀理論，不利于科學的物質觀念的形成.第二，物理學史上，雖然庫侖定律的發現得益于與萬有引力定律的類比，但類比的依據并非如此，而是富蘭克林的空罐實驗，該實驗表明電荷只分布在導體表面，而在導體內部沒有靜電效應.[7]92牛頓根據萬有引力隨距離的平方反比律，已經證明均勻球殼內部任何位置的物體所受引力為零.[8]靜電力和萬有引力的這種相似性成為歷史上用類比方法建立庫侖定律的依據.

另外，常見到將庫侖扭秤實驗與卡文迪許的扭秤實驗做類比的教學策略.這種類比作為教學策略可以接受，但如果誤認為庫侖扭秤實驗的設計受到了卡文迪許扭秤實驗的啟發，這是對物理學史的誤解.事實是，庫侖于1785年完成靜電扭秤實驗，卡文迪許于1789年完成萬有引力扭秤實驗.值得一提的是，卡文迪許早于庫侖發現了靜電力隨距離的平方反比律，但是并非由靜電扭秤實驗得出，而是基于1773年的雙層同心球實驗的結果，通過與牛頓的萬有引力理論類比得到，只是當時沒有發表.[7]93-95

使用類比思維策略時，應注意參與類比的事物或過程在物理本質上應當具有一致性.靜電力和萬有引力規律，這兩種相互作用規律的相似性背后是否隱藏著更為深刻的原因呢？從場的觀點認識靜電力和萬有引力，兩種力類比的合理性，歸因于力場的空間幾何性質的統一.事實上，在均勻的各向同性的三維歐幾里得空間中的點輻射源，其傳播都滿足隨距離r的平方反比關系，這是由空間的幾何性質決定的.設一個點源S在一定的時間間隔內所發射出的能量是一定的.這份能量向各個方向傳播.當距離r線性增加時，球面面積以平方規律增加，因此單位面積接收的輻射強度以平方反比的規律減少，如圖1所示.歷史上法國天文學家布里阿德（Ismaelis Bullialdus）就曾將太陽引力與光輻射類比，于1645年提出一個著名假設：從太陽發出的力，應與距太陽距離的平方成反比.[7]22[9]這個觀點對后來牛頓發現萬有引力定律有一定的啟發意義.[7]21對平方反比律的本質追問，不僅是對類比合理性的反思，更是對自然規律的多樣性與統一性的思考.

庫侖定律教學中科學探究的誤區與反思帶給物理教學的啟示是：應重視科學探究對知識產生過程的體驗價值，重視科學思維在科學探究中的重要作用，以實現科學探究促進科學本質理解的教育價值.這也為基于核心素養的物理教學如何落到實處提供了一條可以嘗試的思路，那就是將科學發現過程蘊含的人的智慧轉化為教育的形態，滲透到教學活動中，實現物理課程的育人目標.[□][◢]

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：18.

[2][瑞典]H.奧托·斯巴姆.提供證據——庫侖扭秤和法國啟蒙理性文化[J].計海慶，譯.哲學分析，2017，8（3）.

[3]張晶.HPS教育研究[M].北京：科學出版社，2017：77.

[4][美]W. F. Magie.物理學原著選讀[M].蔡賓牟，譯.北京：商務印書館，1986：432-434.

[5]陳剛，舒信隆.新編物理教學論[M].上海：華東師范大學出版社，2006：97.

[6]馬朱林.巧用類比法突破抽象定律教學的難點——以“庫侖定律”的教學為例[J].中學物理教學參考，2016，45（7）：29-31.

[7]郭奕玲，沈慧君.物理學史[M].第2版.北京：清華大學出版社，2005.

[8][英]牛頓.自然哲學的數學原理[M].王克迪，譯.北京：北京大學出版社，2006：126.

[9] Ismail Bullialdus.Astronomia Philolaica[M].Paris：Piget， 1645：23.