深度还原物理学家探究过程的教学探讨——以卡文迪许扭秤实验为例

何文瑜 王笑君

(华南师范大学物理与电信工程学院,广东 广州 510006)

1 问题的提出

核心素养背景下,物理学史的教学逐渐受到国内教育工作者的重视,新课标也明确要求教师应在课堂中呈现物理学的发展进程.当前渗透物理学史的教学还存在以下几点问题:

(1) 物理学史渗透的广度和深度不够.实际物理课堂中仍有许多教师未注重引入物理学史,对难以在课堂上重现的物理学史实验更是没有深入讲解其发现、探究过程.[1]如讲电磁感应现象时,仅仅提到“法拉第艰苦10年发现磁生电”,却没有挖掘其探究过程的思想价值,不能够发挥物理学史更深层次的教育功能.

(2) 部分表达误导学生对物理学史的认知.如“库仑通过实验得出库仑定律”的说法是不严谨的,库仑只在实验中得出了两个静止点电荷间的相互作用力与他们之间距离的平方成反比,而与它们电荷量的乘积成正比是库仑的假设;[2]又如“通过天文观察和万有引力定律的推算发现了海王星”的说法也是不准确的,海王星的发现并不只是通过简单的数学运算,且其发现过程并不是一帆风顺,具有一定的偶然性.

2 深度教学模式的学科核心素养价值挖掘

深度教学起源于郭元祥教授的研究项目,是让学生在教师的指导下深度参与教学过程的教学模式.[3]教师引导学生经历知识的发现、探究过程,挖掘知识中的物理思想和方法,使学生对知识有更全面、更深层次的理解,即经历 “还原与下沉”、“经验与探究”、“反思与上浮”的“U型教学”过程.[4]根据 “U型”教学模式,笔者将其3个过程细化为6个环节,提出了深度还原物理学家探究过程的教学模式,如图1所示.

图1 深度还原物理学家探究过程的“U型”教学模式

该教学模式通过在课堂中引入科学家的探究,深度还原物理知识的生成过程,让学生经历大致的探究过程,在深入理解知识的同时发展科学探究的能力.每个环节的学科核心素养价值体现如下.

(1) “下沉”是基于理解的过程.还原知识背景,让学生沉浸在历史背景中,通过完整的物理学史料展现更全面的科学家形象并挖掘潜藏的物理观念,增强学生对物理知识的理解;根据历史背景创设问题情境,激发学生的好奇心,使学生在问题情境中经历同化和顺应,从而深入探究过程,培养探究精神.

(2) “深度探究”是基于设计的过程.在“实验探究”环节中,学生通过 “经历”物理学家的探究过程,主动进行实践和深度思考,体会当中的物理建模、逻辑推理等思想;进行实验探究后,对所涉及的物理关系进行推理和论证,培养学生的数学推理和科学论证思维.

(3) “上浮”是基于反思的过程.从知识的总结和质疑两方面入手,总结是将探究过程中的科学方法提炼出来,使学生对相关方法进行内化与应用;质疑即超越知识,运用高阶思维批判性地看待前人的研究,进行思维的拓展,让学生用发展的眼光看待物理学,从而提高质疑创新能力并培养科学态度.

3 深度还原物理学家探究过程的教学设计示例

图2 卡文迪许扭秤实验的深度教学流程图

在“万有引力定律”的授课中,引力常量的测量涉及到卡文迪许的扭秤实验.本文以该扭秤实验为例,按照上述“U型”教学模式进行深度还原物理学家探究过程的教学示例分析,其深度教学流程如图2.

3.1 教学目标

通过深度还原卡文迪许扭秤实验的探究过程,达到以下几点教学目标: ① 了解扭秤实验的历史背景、建模过程与物理意义,形成科学史观; ② 掌握卡文迪许的思维方法,学会对物理情境进行科学分析和推理; ③ 能够对前人的研究进行质疑,培养质疑创新思维,形成严谨和敢于质疑的科学态度.

3.2 示例分析

3.2.1 还原历史情境,形成科学史观

在传统教学中,教师一般直接说“牛顿无法确定其中的引力常量,100多年后卡文迪许通过扭秤实验将引力常量测量出来……”,并通过实验仪器结构图简单介绍扭秤装置,而没有给学生教授该实验的历史背景,使知识缺乏完整性.我们应先还原该实验的历史背景,让学生体会到科学与社会、科技背景紧密联系,从而促进学生认识科学本质.

(1) 引出历史.

物理学史的教学需要我们客观讲述历史,帮助学生形成正确的历史观.首先需要澄清教材上传达的错误信息:卡文迪许在扭秤实验中测量的是地球的质量和密度,而不是引力常量.由于后来人们用地球密度和黄金代换公式求出的引力常量标准值,与用卡文迪许的数据算出的引力常量值误差甚小,所以出于对卡文迪许的尊重,人们普遍认为是卡文迪许测量出了引力常量.[5]

卡文迪许为什么会去测量地球质量和密度呢?这就要提到这个实验的灵感.扭秤最初是由静电学的奠基人库仑发明的,他通过实验得出了扭力计算公式和电荷间作用力与它们之间距离的关系.卡文迪许和他的老师米歇尔都希望能将牛顿的引力思想扩展到地球,并致力于测量地球的密度.在得知库仑的电扭秤实验后,他们希望能够通过类似的方法测量万有引力,由于米歇尔的早逝,卡文迪许肩负起两人共同的理想,开始了实验.[6]

(2) 提出问题.

在引出历史背景后,进一步提问:怎么通过扭秤来测量地球上物体间的引力?创设问题情境,激发学生的学习兴趣,让学生进行下一步的深度探究.

3.2.2 体验探究过程,培养科学思维

扭秤实验的关键环节在于扭秤天平的模型建构.在传统课堂中,教师一般通过解释该实验的简化装置图,让学生了解当时的测量方法.但扭秤实验的装置并不只是由简单的平面镜、T型架以及几个小球构成,只讲解简化装置会让学生对该实验有所误解,不利于形成科学态度.而原始的实验装置图(图3)比较抽象复杂,直接讲解的难度较大.为了让学生正确地认识扭秤实验,教师应带领学生沿着卡文迪许探究的足迹,将自己代入卡文迪许的角色中,进行层层深入的探究.

图3 卡文迪许扭秤实验装置图

(1) 实验探究.

图4 库仑电扭秤实验装置图

要测量两个物体间如此微弱的万有引力,直接用肉眼是无法观测的.该实验装置的特殊之处就是在建模过程中巧妙地将微小的物理量放大,便于测量.库仑通过电扭秤装置(图4)中T型架的扭转得出“同种电荷间的排斥力与它们距离的平方成反比”的结论,如何借助库仑发明的电扭秤,进一步搭建可以测量万有引力的扭秤模型?为了避免学生在教师的教学设计下失去主动性而进行“虚假”探究,笔者可采用符合学生认知逻辑的 “问题链”(图5),将思维的深度层层推进,拓展学生的思考空间,从而引导学生进行逻辑推理并构建出实验的核心装置,培养学生模型建构思维和逻辑推理思维.

图5 建构扭秤实验装置的问题链设计

在“问题链”情境中,我们将所运用到的思维方法灌输给学生,如通过光路的变化来看扭秤的偏转所用到的“转换法”,以及两次“微小量放大”的物理思想:通过改变力臂长度和利用镜面反射两种方式放大实验现象.为了进一步让学生形象地感受到微小量放大法的物理思想,可以在课堂上准备磁铁、铁丝、长短杆、螺母等,让学生交流合作,探究力臂长度与杆偏转角大小的关系,如图6.通过自主设计并进行实验,能够激发学生的求知欲,使学生更好地体会到物理中的相互作用观,培养学生的观察能力和实践意识.

(a) (b)

学生尝试建立扭秤实验的核心装置后,笔者将卡文迪许改进后的原始实验装置图展现出来,并对以上探究得出的思路进行总结.针对较为复杂、空间感较强或不易真实还原的物理模型,可借助丰富的多媒体功能进行展示,如flash动画(图7)或3D Max制作模型(图8),将思维“可视化”,给学生展示更加清晰、立体的物理模型.

图7 扭秤实验flash动画截图

图8 扭秤实验3D Max立体简化装置图

(2) 数学分析.

在搭建实验装置并测量数据后,又是如何计算出地球的质量呢?笔者提前介绍力矩知识,并建立如图9的俯视图向学生讲解相关物理量,让学生进行数学分析.

图9 扭秤实验核心装置俯视图

3.2.3 提炼思维方法,提高创新能力

传统课堂中引入物理学史时,教师通常只介绍历史而没有注重介绍历史的发展,学生停留在历史,却没能反思历史的局限性,不利于培养创新思维.根据“U型”教学模式,在还原历史和经历探究后,需要对相关知识进行反思.

(1) 提炼方法.

教师可以从探究过程中涉及的科学思维与科学态度等方面进行总结.本实验体现的科学思维主要有以下几种:

① 微小量放大法.在本实验中,卡文迪许为了测量转角用了“化角为线”法,还有哪些方法能够放大实验现象呢?如敲打放上碎纸片的鼓面来验证振动发声,这是“化重为轻”的方法;挤压插了吸管的密闭玻璃瓶并观察吸管的液面变化可以验证力使物体发生形变,这是“化粗为细”的方法……通过交流,让学生回顾所学的物理实验,并相应地作出创新,能够深化学生的物理观念,培养学生的创新思维.

② 比值法.在计算地球的质量时,笔者将小球、大球间的万有引力关系与小球、地球间的万有引力关系进行比值,从而约去未知量、求得地球质量,这就用到了数学中的“比值法”.教师通过对涉及到的数学分析方法加以强调,让学生学会运用知识对现象进行逻辑推理和解释,培养学生的科学推理能力.

③ 类比法.高中知识涉及的物理学史中提到两次扭秤实验,一个是卡文迪许测量地球质量的扭秤天平实验,另一个是库仑测静电力常量的电扭秤实验.我们可以将两个扭秤实验进行类比,让学生通过类比法更清晰地认识这两个在科学史上有着重要地位的物理实验.

卡文迪许的实验有力地证明了万有引力的存在,同时也开创了测量弱相互作用的新时代.扭秤实验历时两年,其过程并不是一帆风顺的.由于引力非常小,测量过程中极易受周围环境的干预,故卡文迪许将前人的实验仪器进行了改进,将装置置于密闭容器中,考虑了温度等因素对实验结果的影响,自己跑到远处用望远镜进行观测,反复进行实验并以17次测量数据的平均值得出了地球的质量.给学生展示一丝不苟、严谨的物理学家形象,有助于学生形成细心严谨、敢于探究的科学态度.

(2) 拓展思维.

学习物理学史要求我们基于历史,超越历史.经历了深度探究和总结方法后,学生对相关知识已有较高的认知水平,教师引领学生充分发挥高阶思维,对探究过程进行交流、评估与创新.

首先,鼓励学生质疑前人的探究.针对扭秤实验,我们可以从实验过程是否可行、实验结果的误差是否过大等角度提出以下几点质疑:

① 人工制作的金属球可能自带磁性,扭秤是否因为两球的磁性而偏转?

② 地球本身会自转,扭秤是否可能因为物体自身在地表平面的扭转性而偏转?

③ 卡文迪许在水平方向上测量万有引力,可能会受到周围引力场的影响,能否通过改进实验装置,在竖直方向上测量出更精确的万有引力?

卡文迪许在实验仪器的选取等方面存在片面性,由于其他因素导致的扭秤偏转很有可能使测量结果产生误差,故所得出的测量数据的真实性也有待考察.通过让学生对卡文迪许探究过程的深度思考,鼓励学生提出前人研究的不完善之处,形成对该实验独到的见解,培养学生的质疑创新能力.

其次,展示后人的创新研究.扭秤实验至今已过去了200多年,在卡文迪许之后关于该实验改进的研究也越来越多,如波依斯运用缩小法改进扭秤实验等.引力常量的最新进展是由我国华中科技大学和中山大学的研究团队做出的,他们测量到了目前为止最为精准的引力常量.教师介绍相关的前沿知识能够使学生了解到前人研究的局限性,放眼于科学的发展,从而培养他们对物理学的科学态度以及创新能力.

4 结语

相关研究表明深层教学相较于浅层教学有更好的教学效果,能够更好地提高学生的思辨能力,因此有必要对课堂中引入的物理学史进行深度讲解,以充分发挥物理学史的教育价值.借助“U型”教学模式进行物理学史教学的“深度”主要体现在:更完整、客观地展现历史情境,深度还原和反思物理学家探究细节,挖掘科学思维方法.通过该教学模式,学生能够沉浸在探究过程中,体验物理学家完整的思维过程,内化科学方法并批判性地看待前人研究,有助于教师潜移默化地将前人的物理思想融入学生的学习过程中,培养学生的科学史观、模型建构和质疑创新等思维.