基于全視角學習理論的物理學史教學路徑
——以“庫侖定律”為例

劉瓊 吳韜

(阜陽師范大學物理與電子工程學院 安徽 阜陽 236000)

現如今，科學技術的發展可謂是一日千里，與此伴隨著的是日趨激烈的綜合國力的競爭，在這種背景下，學習已經成為世界各國提高綜合國力和創新能力的重要舉措和手段.關于學習的理論研究更是數不勝數，或關乎學習的內涵、學習的模式、學習策略和學習方法，或偏重于某個側面對學習展開分析，都有其道理，但各派林立，沒有一個統一的體系.另一方面，《普通高中物理課程標準(2017年版)》明確指出要促進學生核心素養的發展，課標中很多內容條目均關注到了物理學史在提高學生核心素養方面的重要作用，在實際教學中，教師如何將物理學史有效融合于物理教學仍是一條探索之道.

1 全視角學習理論

全視角學習理論是立于各派學習理論之外，以更加廣泛多樣、更加綜合包容的視角，用一種清晰的、結構化的、系統實用的形式對學習領域內的龐雜內容進行研究、比較、分析，取其精華，同時注入新的材料和觀點，進而形成的一種整體性學習理論.全視角學習理論基本模型中認為所有的學習都包含兩個活躍過程——“互動和獲得”兩個學習過程，同時包含“內容、動機、互動”3個學習維度.

1.1 兩個基本學習過程

“互動過程”是指個體與所處環境之間的相互作用.決定互動過程的基本上具有人際交往和社會屬性，而且依賴于環境的社會與物質特征，從而依賴于時間和空間.許多發生于現今社會的學習在千百年前是不可能的；同樣地，在現今社會，不同國家、不同地域以及不同的亞文化中的學習可能性也是大為迥異的.“獲得過程”指個體內部心智獲得與加工的過程.決定獲得過程的基本上具有生理屬性，人類在經歷了數百萬年的發展后，中樞神經系統和以前額葉為特征的腦的出現，賦予了人類某種非常特殊的其他物種所沒有的學習潛能[1].

“互動過程”和“獲得過程”并不是獨立發展的，而是雙向互動、彼此促進與轉化的關系.如圖1所示.

學習的互動過程是通過一條帶有雙箭頭的豎線表示的，箭頭的兩端分別是個體和環境，環境是整體依賴的基礎，置于模型的底端；而學習個體是特定“個案”，放在頂端.橫向的雙箭頭線表示學習的獲得過程，這個過程發生于個體水平，置于橫向雙箭頭線的頂部.

1.2 3個學習維度

內容維度關注的是知識、理解、技能等，在更廣義的視角上考查，它還有著普遍的文化獲得特征，同時一些重要的個性素質，諸如“獨立、自信、責任心、合作能力及靈活性”在很大程度上通過學習也能加以發展和強化.通過這一過程，一般來說尋求的是構建意義和掌握知識技能等，從而強化個體的功能性，即在自己所處環境中恰當地發揮功能的能力.

動機維度在相當基礎的意義上指的是實現一個學習過程所需要的心智能量，這種心智能量是學習的驅動力，即通常所說的動力、情緒、態度和意志，個體一般將其投入到學習過程中.通過這一過程，一般尋求的是維持心智與身體的平衡，同時發展個體關于自身與環境的敏感性.

互動維度關系的是個體與其所處社會性及物質性環境之間的互動，包括“周邊的、人際交往”水平和“一般社會性”水平，通俗理解為“活動、對話和合作”.通過這一過程，尋求的是實現個體認為可以接受的人際交往與社會的整合，同時發展個體的社會性.

如圖2所示，這個學習三角展示了“內容、動機、互動”3個維度在作為能力發展的學習中的關系.學習三角的每個角內標注了代表3個維度的符號性詞匯，角外標注了每個維度的關鍵詞，包括學習目標(正體)和每個維度所要發展的內容(斜體).

2 物理學史的作用

物理學史是一部具有大量或成功或失敗探究案例的科學史，是包含著包括物理概念規律、定理定律、方法、思維等發生、發展過程的知識史.物理史料記錄了物理學的整個發展歷程，極大地顯化了科學家的思維方式，包括科學家是如何發現問題，建構模型，解決困難并批判性地看待問題[2].

在教學中引入物理學史，一是可以讓學生在知識產生的歷史背景中“身臨其境”地學習，能有效地幫助學生更順利地構建起科學合理的知識體系；此外，物理學史包含了大量的科學思維形成和發展的案例，物理教師若能將其穿插在教學過程中，不僅會使課堂內容更加生動，而且有利于學生發展科學思維，提升科學素養；再者，物理學史中有大量的史實素材可以用來教育、啟發學生，樹立他們科學的信念、科學的人生觀，培養他們堅定的意志，鑄造他們優良的心理品質，不斷培育、提升他們的科學與人文素養[3,4].

3 基于全視角學習理論的物理學史教學路徑——以“庫侖定律”為例

基于上述對全視角學習理論的闡述以及對物理學史在教學中的作用的說明，不難發現物理學史是契合全視角深度學習理念的，因此，考慮在物理學史的教學中搭建一種全視角學習視域下的教學框架，實現物理學史的有效教學.

如圖3所示.

圖3 全視角學習視域下的物理學史教學路徑

內容維度是物理學史的內容，通過融入物理學史內容理解掌握其中的知識技能；動機維度是通過物理學史的故事性特征、時間順序性特征使學生產生學習興趣，投入意志情感于學習中；互動維度則立足于過去和現在兩條時間線，“過去”主要是通過物理學史使學生跟隨科學家的腳步進入特定情境，與“過去”互動，經歷知識發現的過程，而“現在”則關注學生與所處的真實環境中的教學資源的互動，例如學生間的對話交流、學生實驗操作、現今便捷易操作的多媒體等媒介.

3.1 庫侖定律的教學分析

3.1.1 內容分析

“庫侖定律”是人教版高中物理必修三第九章第2節的內容.從章節內容的位置安排看，庫侖定律既是電荷相互作用的基本規律，也是學習電場強度和電勢差概念的基礎，是第九章的重點內容；從課程內容的大方向上看，“庫侖定律”前承牛頓力學，是對萬有引力定律認識的升華，后啟電磁學，既為磁場中抽象概念的學習提供了方法模型，也為后面電場強度和電勢的學習奠定了基礎，是力學向電磁學過渡的橋梁[5].因此，“庫侖定律”的有效學習是至關重要的.

3.1.2 痛點標定

首先在學習狀態上，學生在學習該部分內容時往往表現得力不從心，只留下對公式的機械記憶，不能進入知識的深度學習，不知知識的來龍去脈.短期看，學生利用公式好像也能解決一些計算題目，但當學習繼續深入，學生就會因為前期對知識的理解太片面而對后期學習造成影響.

其次是教材內容的呈現上，一是對“電擺實驗”只字未提，二是教材中對知識背景的呈現缺乏，會給學生一種“庫侖憑一人之力就揭開了電荷間的作用規律”的錯覺；最后在實際教學中，學生沒有見過實驗裝置缺乏感性認識，更談不上動手操作，缺乏與實驗之間的互動.

3.2 具體的教學實施

階段一：如圖4所示.

圖4 庫侖定律探究階段一

在內容上，引入D.伯努利和富蘭克林等人的發現，使學生清楚探究的內容；在動機維度，通過這段史實的引入激發學生對探究內容的好奇心；在互動維度則通過學生真實環境中的多媒體視頻具象展示，增加學生對于電荷間作用力與萬有引力之間相似性的確信值.

階段二：如圖5所示.

圖5 庫侖定律探究階段二

在內容維度上，引入愛皮努斯的發現，進入具體內容的探究；動機維度上，以實操引發學生探究興趣；伴隨互動維度里實際實驗裝置的展示(圖6)，培養學生動手實驗的能力.與此同時，讓學生在具體的實驗中再遇科學家所遇難題，進行問題追蹤：異種電荷之間的吸引力如何更加明顯地呈現出來？帶電體的電荷量如何得知？使學生帶著明確的問題繼續后續的思考探究.

圖6 定性實驗裝置

階段三：如圖7所示.

在內容維度上引入約翰·魯濱遜和卡文迪許的發現；動機維度上，通過對“兩位科學家研究均未發表”引發學生對科學家辛苦研究而未得成果的遺憾之情，同時牽引出學生對后續故事的好奇心；在互動維度上，有兩種選擇：一是課堂中借助多媒體播放探究中涉及的實驗，二是在教學時間有限的情況下，將具體的實驗過程作為學生的課后拓展作業.

圖7 庫侖定律探究階段三

階段四：如圖8所示.

圖8 庫侖定律探究階段四

在內容維度，引入庫侖的扭秤實驗和電擺實驗(圖9和圖10).在動機維度，由庫侖的實驗引發學生對庫侖具體實驗使用的原理、方法等的學習迫切性，激發學生的學習動力；互動維度則通過具體的實驗裝置展示和多媒體實驗視頻播放兩種方式，達成學生對”庫侖定律“核心內容的深入.

圖9 扭秤實驗裝置

圖10 電擺實驗裝置

階段五：如圖11所示.

圖11 庫侖定律探究階段五

在內容維度，引入麥克斯韋、普林斯頓和勞頓以及E.R.威廉斯等人的后續研究；動機維度上，通過科學家對“庫侖定律”的接續奮斗引發學生對科學探究的長期性、曲折性、科學性、嚴謹性的深刻認識，同時體會科學家的科學探究精神、科學態度與責任；在互動維度則采取階段三同樣的方式，若是教學時間充裕，則可在課堂內播放其中涉及的實驗，否則，將之作為學生的課后拓展作業.

4 結論

除上述“庫侖定律”的教學外，其他涉及物理學史內容的章節，例如“自由落體運動、萬有引力定律、電磁感應現象”等亦可按照“獲得和互動”兩個學習過程和“內容、動機、互動”3個維度構建的物理學史教學路徑展開教學.在使用基于全視角學習理論的物理學史教學路徑時，教師要緊緊遵循“整體性”視角，既要在極大程度上滿足學生對概念規律的掌握，同時還要注重學生知識技能的形成過程，在過程中重視學生內部精神情感的投入與獲得、重視學生與外部環境的作用關系，充分發揮物理學史的育人作用，使學生在物理學史教學中收獲真理、獲得成長.