回歸研究本真 發展核心素養
——以“庫侖定律”教學為例

季正華 劉霽華

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

課堂是培養學生學科核心素養的主陣地，如何實現從知識課堂向素養課堂的轉變，是廣大一線教師甚為關注的教學問題.而“學習即研究”的現代學習觀，為培養學生物理核心素養的課堂教學設計提供了新的思路.

1 “學習即研究”觀點的基本內涵

科學學習的本質是研究，學習者就是研究者，學習過程就是研究過程.[1]“學習即研究”是回歸學習本質，用科學研究的方法引導學習，將科學觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等學科核心要素滲透到學習中，并通過構建真實情境，巧用問題驅動，激活科學思維，體驗探究過程，秉持科學態度，引發質疑創新，促進學科核心素養發展，從而使學習過程的各個環節得到實質性的優化.

2 基于“學習即研究”觀點的教學案例

現以江蘇省高中物理評優課一等獎“庫侖定律”為例來談談“學習即研究”觀點下優化課堂教學的實踐探索.

2.1 趣味實驗，提出研究問題

分組實驗：利用桌上的器材(PV管、絲綢、易拉罐)，不接觸易拉罐，讓它滾動起來.

圖1 趣味實驗

學生操作：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.

設計意圖：用研究興趣激活學習.趣味實驗創設了真實的物理情境，激發了學生的學習興趣，激活了學生思維，既吸引學生學習注意力，促進學生整體參與，又激發學生在“興趣的作用下”探究物理本質的學習動機，從而激活學生的課堂學習狀態.

2.2 基于問題，建構物理模型

電荷間的作用力與哪些因素有關？摒棄傳統的“忽略帶電體的形狀、大小及電荷分布對它們間作用力影響”的“告知”式教學方式，采用現代“學習即研究”觀點的教學方式，如圖2所示.

圖2 點電荷模型的教學流程

設計意圖：由情境生成問題，驅動“點電荷”概念的研究性教學.從研究對象、研究問題、影響因素之間尋求突破，既維持學生學習的注意力和興趣，又在鏈接學習與生活經驗以及經歷物理模型建構的過程中，引發學生用研究的視角分析物理現象的本質，從而促進學生科學思維能力的提升.

圖3 定性實驗

2.3 定性實驗，提出科學猜想

如圖3所示，用細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，小球表面應光滑，并用石蠟絕緣連接處).

演示實驗：保持兩小球之間的距離不變，改變一個小球的電量；保持兩小球的帶電量不變，改變兩小球之間的距離.

實驗現象：前者，細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.

科學猜想：(類比：萬有引力)電荷間作用力與電荷量成正比、與電荷間距離平方成反比.

設計意圖：用研究目標引領學習.實驗探究是人們探索自然規律、獲取科學知識的主要手段，是綜合的、關鍵的科學能力和素養的體現，其基本過程是從定性探究到定量探究.定性靜電擺實驗為學生提供了探究學習的機會，培養學生收集、處理信息的能力和基于證據形成猜想的能力，同時引導學生明確研究目標，引領定量探究方向.

2.4 定量實驗，體驗研究過程

圖4 定量實驗

實驗原理：[2]如圖4所示，帶有底座的金屬圓盤1放在分析天平檢測臺面上，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，根據天平的讀數得到排斥力的大小.調整測量桿改變圓盤間距離，數值由桿上刻度讀出.

實驗測量：由控制變量法、倍分法，合作測得數據如表1、表2.

表1 電荷間作用力F與電荷量q1的關系

表2 電荷間作用力F與電荷間距離r的關系

數據處理：作出電荷間作用力F與電荷量q1、電荷間距離r-2的關系圖像(先嘗試坐標紙作圖，再用計算機作圖)，如圖5所示.

(a) 電荷間作用力F與電荷量q1的關系

(b) 電荷間作用力F與電荷間距離r-2的關系

設計意圖：用研究方式組織學習.定量實驗探究讓學生體驗現代科技帶來的設計革新與測量便捷.坐標紙作圖的經歷，讓學生學會處理實驗數據的基本方法，理解圖像法減小誤差的基本原理，體會科學研究的嚴謹性，養成良好的科學態度.在學生經歷和體驗科學研究的過程中，強化對“學習即研究”現代學習觀的認識，促進和發展學生物理核心素養.

2.5 質疑評價，引發科學思維

教師：對圖5(b)你會有什么疑問？你能提出什么問題？

學生：在1/r2較大時，也就是r較小時，圖像彎曲.為什么會彎曲呢？

教師：你提的問題很好，所描的點在1/r2較大時出現離散，為什么會出現這種現象呢？

學生：1/r2較大時，也就是在r較小時，帶電圓盤不能看成點電荷.

教師：剔除離散點再作圖看看.(操作并得出)F∝r-2只適用于點電荷模型.

教師：這提醒我們：在處理實驗數據時不能隨意丟棄、忽略數據，要尊重數據，養成嚴謹的科學態度.

設計意圖：用研究過程深化學習.教學過程要向學習即研究過程轉變與深化.由數據處理得出結論，既是實驗探究的重要環節，也是質疑生成的過程土壤.從圖像描點的離散到對離散現象的質疑，引發學生對電荷間距離與圓盤尺寸大小相對關系的分析討論，既有利于學生對“點電荷”模型的深刻認識，又有利于在真實情境中激活學生思維，促進新問題的解決.這實現了學習方式由傳統接受式向現代研究式的轉變,也滲透了科學研究方法、強化了必備的研究習慣、培養了質疑生成與創新思維的能力.

2.6 史實熏陶，感受科學態度

設置疑問：庫侖那個年代沒有這樣的高科技測力儀器，他是如何探究電荷間作用力規律的呢？

直觀解惑：庫侖實驗如圖6所示.介紹科學方法，類比生活中的“擰毛巾”過程破解難點，讓學生領會放大法、倍分法等.介紹工作原理，播放視頻動畫，理解更為直觀.

圖6 庫侖的實驗

啟迪升華：庫侖實驗是科學方法引領科學發現的典范，啟發學生學習科學家克服時代局限，敢于挑戰、勇于創新的精神.

設計意圖：用研究方法啟迪學習.創新能力是科學思維素養中的最高層級，實驗是培養創新能力的重要手段.提出“庫侖當時是如何測量電荷間作用力”這一歷史性問題，引發學生對“庫侖扭秤”實驗的學習興趣.對庫侖實驗方法的直觀剖析，讓學生感受物理學思想方法的美妙，樹立創新意識，受到科學態度的熏陶.讓物理核心素養理念在課堂中落地生根，從而實現知識課堂向素養課堂的轉變.

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：科學發現不是一帆風順的，庫侖的偉大也是站在很多巨人的肩上.科學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——平方反比率的實驗方差小于0.06，庫侖扭秤平方反比率的實驗方差小于0.02，今天的實驗方差小于10-39.科學發現的過程是不斷深入的.

對比賞析：萬有引力與物體的質量有關，靜電力與電荷的電荷量有關.萬有引力只存在引力，而靜電力有引力和斥力，體現了自然規律的多樣性.萬有引力定律與庫侖定律都遵循距離“平方反比”規律，表達形式也十分相似，相互作用都是“場”作用.可見，自然界的事物具有多樣統一性.科學多么完美，宇宙多么對稱和諧.我們要善用多樣統一的眼光看待世界.

設計意圖：用研究文化豐富學習.擁有問題意識、科學精神的研究者才能成為真正意義上研究活動的主導者.學生只有將精神、素養作為知識結構的鏈路，其研究行為才更加積極、深刻.問題拓展與歷史回顧，不僅培養學生數理結合、分析推理的思維能力，而且讓學生獲得了歷史知識，開拓了視野.還以“認識科學發現的基礎、體驗科學發現的曲折、欣賞科學規律發現的智慧”的賞析過程來熏陶學生的科學文化、科學精神、科學態度，使學生體悟自然的和諧與多樣之美.

3 “學習即研究”觀點的課堂價值與策略

“學習即研究”觀點下的課堂應該是主體為了問題解決調動自己的思維，特別是批判與創新思維在學習中回歸研究本真發展素養的課堂，要構建這樣的課堂教師必須做好以下幾個方面.

3.1 明確研究路徑，用“情境、問題”煉制學習活動

“情境—問題—探究—解決—評價—新問題……”是“學習即研究”觀點下課堂實踐的基本路徑.案例依據庫侖定律的發現過程，構建真實的研究情境展開教學.從驅動易拉罐的分組實驗，引出點電荷模型和電荷間作用力的定性研究，到傳統實驗與現代科技結合探究電荷間的作用規律，再到回顧庫侖定律的發現過程，最后到應用庫侖定律解決實際問題，如圖7所示.這樣的課堂將被動的、規劃的學習行為轉變為問題驅動的、主動的、發現的學習行為.通過問題情境與問題解決，引發學生的交流、建構、發現、評價等活動，從而實現其知識獲得和素養發展.

圖7 教學流程

3.2 體現研究思想，用“探究、評價”鑄煉探究品質

“學習即研究”觀點下課堂實踐的核心是將單純積累知識向生成、探究、評價問題轉變，實現論證式學習向研究式學習轉變.教師要將物理概念、規律的形成過程和應用過程設計成研究過程，通過學生探究、分析、評價和總結等一系列活動，發現物理現象，探索物理規律或形成物理觀念.案例中先后通過定性、定量實驗對電荷間作用力進行探究，問題、猜想、證據、解釋、交流、評價等鑄煉著學生的探究品質.這樣的課堂為學生提供了充分的探究學習機會，學生會自我建構認知、意志、情感結構，才能重建狀態進入一個更高的發展平衡狀態，發展核心素養.

3.3 追尋研究本質，用“質疑、創新”錘煉科學思維

學習的過程本質上是學習者面對特定情境對未知世界的探求過程，因而“學習即研究”觀點認為課堂本質特征應具備研究的本質特征——質疑與創新.這就要求學習者對學習對象要保持好奇心和開放態度，具有探索精神，能對現象進行反思和質疑，具有批判、創新的實踐精神.因此教學中要把“質疑、評價、創新”作為“研究”的過程要素，來促進研究式學習的發生.案例中通過對電荷間作用力與電荷間距離平方反比圖像分析，學生能夠反思和質疑數據點離散的現象，發現問題并通過科學推理、論證解決問題，從而深化了對點電荷模型的認識.這樣的課堂通過過程的批判性、曲折性，讓學生感悟思維的力量，認識質疑的重要.最終，提升了批判精神和批判能力，發展核心素養.