基于“顯化—反思”教學(xué) 促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)理解
——以“庫侖定律”教學(xué)為例

周勝林 葉 倩 谷海躍

（常州市第一中學(xué)，江蘇 常州 213003）

幫助學(xué)生充分理解科學(xué)本質(zhì)是科學(xué)教育目標(biāo)之一，也是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容.教學(xué)途徑的選擇對學(xué)生科學(xué)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(xué)本質(zhì)教學(xué)方式的認(rèn)識存在著偏差，缺乏行之有效的教學(xué)途徑.這勢必會在不同程度上影響學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀的形成.［1］有鑒于此，本文擬深入探討科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的有效途徑，并以“庫侖定律”教學(xué)為例，顯化科學(xué)本質(zhì)為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，以期為科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)提供有益的參考.

1 科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的基本途徑

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

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

2 基于“顯化—反思”的“庫侖定律”教學(xué)設(shè)計

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

2.1 基于“顯化—反思”的“庫侖定律”教學(xué)目標(biāo)的確定

確定顯性的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)是開展“庫侖定律”科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的必要前提.根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)對該內(nèi)容的要求，結(jié)合庫侖定律發(fā)現(xiàn)過程中所蘊(yùn)含的科學(xué)本質(zhì)要素，確定了該節(jié)科學(xué)本質(zhì)教學(xué)應(yīng)達(dá)到的不同層次，具體目標(biāo)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(xué)的主觀性和創(chuàng)造性.

（2）通過實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用庫侖的思想方法，掌握庫侖定律的基本內(nèi)容，相信科學(xué)知識的可驗(yàn)證性，進(jìn)而形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.

（3）評估庫侖的電學(xué)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(xué)的運(yùn)行機(jī)制.

2.2 基于“顯化—反思”的“庫侖定律”教學(xué)過程及實(shí)施建議

根據(jù)上述所確定的科學(xué)本質(zhì)顯化教學(xué)目標(biāo)，我們通過歷史追溯、實(shí)驗(yàn)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(xué)生從不同視角理解科學(xué)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(jì)，牛頓經(jīng)典力學(xué)的思想對電學(xué)的研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，包括庫侖在內(nèi)的科學(xué)家們普遍將牛頓超距作用模型應(yīng)用于電學(xué)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(xué)中，教師可以將天體運(yùn)動同電子繞核運(yùn)動進(jìn)行類比，引導(dǎo)學(xué)生形成影響電荷相互作用因素的猜想，從而降低學(xué)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(jìn)行分析處理，如圖1所示.［5］

圖1 庫侖電學(xué)研究裝置及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

結(jié)合庫侖的研究背景和實(shí)驗(yàn)過程，教師提出反思性問題，引導(dǎo)學(xué)生對庫侖的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)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(xué)的影響，將電荷間的相互作用力與萬有引力進(jìn)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(xué)家已有的知識、經(jīng)驗(yàn)和觀念影響著科學(xué)家的思維模式，進(jìn)而影響科學(xué)家探究的問題及探究過程，這體現(xiàn)了科學(xué)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(yàn)證庫侖定律，這說明了科學(xué)發(fā)現(xiàn)具有什么樣的特點(diǎn)？

反思：科學(xué)探究并不是完全沒有活力的、理性的活動，而是涉及科學(xué)家的創(chuàng)造、想象和推理的過程（科學(xué)的創(chuàng)造性）.庫侖能夠從有限的數(shù)據(jù)中洞察事物運(yùn)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(xué)的一種“失傳的藝術(shù)”.［8］

2.2.2 實(shí)驗(yàn)探究：體會庫侖的思想方法

值得注意的是，庫侖只是嚴(yán)格驗(yàn)證了電荷間的相互作用力遵從平方反比規(guī)律，并沒有驗(yàn)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(bǔ)歷史的缺憾，深化學(xué)生對庫侖定律的理解，我們可以通過電子天平進(jìn)一步驗(yàn)證庫侖定律，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.［10］

圖2 庫侖定律實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(xué)生利用對稱性原理，改變金屬球的電荷量，進(jìn)而驗(yàn)證電荷間的相互作用力與電荷量的乘積成正比.

實(shí)驗(yàn)完成后，教師引導(dǎo)學(xué)生對科學(xué)的可重復(fù)性進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果？

反思：采用不同的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行驗(yàn)證，能夠得到同樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是因?yàn)榭茖W(xué)具有可重復(fù)性的本質(zhì)，即科學(xué)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(yàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xué)家通過不斷改進(jìn)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(xué)生理解庫侖定律的作用，了解科學(xué)的運(yùn)行機(jī)制.

表1 不同時期庫侖定律的驗(yàn)證結(jié)果

問題4.為什么卡文迪什、羅賓孫比庫侖更早驗(yàn)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(xué)家的姓名命名科學(xué)規(guī)律是科學(xué)獎勵系統(tǒng)中最高聲望的承認(rèn)方式之一.雖然羅賓孫和卡文迪什先于庫侖驗(yàn)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(shí)驗(yàn)技術(shù)，最早公開發(fā)表了自己的研究成果.其獨(dú)創(chuàng)性率先得到了科學(xué)共同體的認(rèn)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(xué)家一直不斷驗(yàn)證庫侖定律？

反思：因?yàn)榭茖W(xué)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(jìn)實(shí)驗(yàn)方法和儀器進(jìn)行驗(yàn)證.庫侖定律是電磁學(xué)的基石，其精確度對整個電磁學(xué)的理論框架有著重要影響.

3 小結(jié)與啟示

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

此外，教師在實(shí)施“顯化—反思”教學(xué)時，首先應(yīng)充分理解科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵，從科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)等不同維度深入挖掘科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程中所蘊(yùn)含的科學(xué)本質(zhì)要素.在此基礎(chǔ)上，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，細(xì)化科學(xué)本質(zhì)的顯化目標(biāo)，設(shè)置反思性問題以引發(fā)學(xué)生的討論與反思，從而不斷修正和深化學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，進(jìn)而更好地落實(shí)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).