指向证据意识培养的教学设计实践研究——以“库仑定律”教学为例

潘华君

(江苏省宜兴第一中学,江苏 宜兴 214200)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》在“课程目标”部分明确提出“学生应具有使用科学证据的意识和评估证据的能力,能运用证据描述、解释和预测……”．[1]但Sadler等通过研究发现“学生通常并不习惯使用科学证据来支持他们的理由,并且缺乏必要的分析与批评论证的能力,从而使得他们往往会提出或接受相反的观点”．[2]鉴于“目标”与“现实”的差距,同时为了进一步落实物理学科素养的培养,在教学预设和实施过程中,可以依据预定目标,根据学生已有的生活经验或事实,针对学生学习过程中将要产生或可能产生的困惑,设计一组有中心、有序列、相对独立而又相互关联的问题,形成“主问题—问题链”,在问题的解决中激活主体思维,在科学论证活动中渗透证据意识,强化对科学概念的认识,深化对合理使用证据的理解,从而提高连贯和逻辑论证能力．[2]本文以“库仑定律”新课教学为例,尝试以“主问题—问题链”的教学方式,实施指向证据意识培养的教学实践活动．

1 课堂引入

图1 “纷飞实验”

“纷飞”实验:我们在起电机的金属球上放置了小纸片,现在接通电源,起电．见证奇迹的时刻来了．(如图1所示,金花四溅)

问题:请同学们思考这一现象形成的原因?

图2 “气球”实验

过渡语:类似的情景,也可以用其他生活物品更直观地演示．如图2所示,用毛皮摩擦气球和橡胶棒,使它们带上同种电荷．同学们可以看到棒、球互相排斥．在电学中,我们把同种电荷间的斥力和异种电荷间的引力叫做静电力．另一方面,力的三要素,影响了力作用效果．这节课,我们就来进一步深入研究静电力的3要素．

注意事项: (1) 范式起电机球体大,纸片容易放置,起电效果好,实验效果更明显; (2) 纸片应剪得小些且把纸片弄蓬松,实验效果会明显; (3) 在实验前应先把气球表层的粉尘洗干净、晾干; (4) 吹饱满的气球,在实验中效果更明显．

设计意图:“物理概念的形成”与“物理规律的探究”离不开情境的创设．在教学中,创设“体现概念本质”、“指向明确”的情境可以促进教学的有效开展,发展学生的科学思维．在本节课的引入环节,笔者设计了两个实验: (1) “纷飞”实验—效果震撼,作为本节课的引入,可以很好吸引学生的注意力,把学生的思绪在短时间内拉回课堂.(2) “气球实验”—基于生活物品而设计,有效拉近了学生与物理、与生活的距离,让学生感觉到生活中处处有物理. (3) 证据意识的渗透—“纷飞”实验体现了“动”,“气球实验”体现了“静”,通过“动—静”结合,有效展示了静电力的作用效果,是“静电力”存在的事实依据,为后面基于事实依据而开展研究做了较好的铺垫． (4) 提炼“主问题”，对比各版本教材本节内容的内容设置和编排特点,结合自身对教材内容的体悟,提炼了本节课的“主问题”—静电力的3要素．这样的处理,使本节课后继的开展有了中心,课堂教学更有序．

2 新课教学

2.1 定性、半定量结合,探究力的3要素

2.1.1 作用点

问题1:以气球问题为例,请你说出橡胶棒给气球的静电力的作用点位置?你遇到了什么困难?(生:物体太大,无法确定作用点)

过渡语:“气球有一定的形状和大小且电荷分布情况未知”对确定静电力的作用点带来了较大困难．科学研究总是从最简单的模型入手．既然实际状况下的气球问题暂时还无法研究,那么我们必须简化模型．不妨换个角度思考:既然这个困难是因为物体的大小和形状造成的,那么要是能够把它简化成一个点,这个困难也就不存在了．

问题2:在什么条件下能把气球简化成一个带电的点?(生1:减少带电体的体积或拉大两者间的距离;生2:换成均匀带电的圆球)

图3 库仑定律半定量演示仪

过渡语:当两者间距比两物体的尺寸大得多时,就可以忽略物体的大小,从而把这两个物体看成是带电的“点”——在电学中称为点电荷．例如图3所示中,金属小圆筒B和大球A相距较远时,圆筒就可以看成是一个点电荷．另外,若B带电荷量较小,对A的电荷分布影响较小,也可近似认为A球的电荷均匀分布,从而等效认为集中在球心处．对小球B来说,A给B的静电力的作用点就在点电荷的这个点上．

问题3:这个模型与我们在必修1中学到的哪个理想模型类似?

问题4:类比质点,小物体是否一定能看成点电荷?大的物体是否一定不能看成点电荷?

注意事项: (1) 本节课所使用的金属圆筒是用烧烤碗的底部平滑部分剪成一个长方形,然后利用平时用的水笔卷制而成,中空且轻,表面光滑,比一般的“锡箔纸包泡沫球”效果更明显; (2) 圆筒上打3个小孔用于穿线,这样可以进一步防止实验中圆筒的扭转．

设计意图: (1) 引导学生对“真实的、原始的物理问题——气球问题”展开讨论,体悟科学研究中模型构建的一般思路,即“真实问题——凸现主要因素——理想模型”．(2) 显化科学方法——本环节中通过对原始问题的研究,在细化教学过程中渗透了3种研究方法,即理想模型构建、等效思想、类比思想,意图在实际问题的解决中,落实“方法教学”．

2.1.2 方向

问题1:以图3这个装置为例,请同学们猜想一下,圆筒B所受静电斥力的方向朝哪儿?

问题2:你这样猜想的事实依据是什么?(学生迟疑,回答不出．)

实验:我们可以通过一个实验来体验．首先用摩擦起电的方式给A、B带上同种电荷:① 把大球A放在圆筒B的一侧,B有偏角,这只能说斥力大概在偏右的方向上;② 既然一般位置上还无法准确判断静电力的方向,我们换个特殊位置,把A放在B的正下方,B不偏转,这说明B受到的静电斥力在什么方向上?

图4 静电力方向判断

问题3:从理论的角度看,如果两个点电荷之间的静电力不在两球连线上(如图4所示)．这违背了什么原理?

设计意图:通过比较多个版本教材发现,各版教材主要关注“点电荷模型”和“库仑力的大小探讨”这两个问题上,关于方向问题,均是以“直接告知”的方式呈现．笔者在设计本环节时,细化了“方向”的研究,通过“猜想——定性体验——推理”的方式,在“逻辑推理”和“实验验证”相结合中,渗透证据意识,强化学生对“方向”的理解,深化学生对科学研究方法的体悟．

2.1.3 大小

问题1:点电荷B所受静电力的大小可能与哪些因素有关呢?

问题2:你这样猜想的事实依据是什么?(学生回答:初中做过的“摩擦后的尺可以吸引纸片”的实验,增加摩擦次数或把尺靠近纸片,吸引效果更明显．)

过渡语:“基于事实依据的猜想是否完全正确”和“静电力的大小与这些因素的确切关系”还需要我们通过实验来探究(器材同图3)．

设计思路如下.

(1) 实验目的:探究B所受的静电力F与QA、QB、r的具体关系．

(2) 实验方法:由于F可能受多个因素的影响,在具体的实验中应选择什么研究方法?具体的操作过程是怎样?

图5 静电力大小计算模型

(3) 数据的获得: ① 就这套器材而言,实验中你们将如何判断B所受的静电力F的大小?② 如图5所示,如果小球B与大球A的球心在一直线上,设偏角为α,小球质量为m,请对小球受力分析并请定量计算F?③ 保持QA、QB不变,探究同种电荷间的F与r的关系时,如何确定的r?在满足②的基础上,在调节r时应注意什么条件?④ 保持r、QB不变,探究同种电荷间的F与QA的关系时,如何实现QA的增加或减少?⑤ 中学实验室限于条件,没有专门的仪器能够准确测量物体的带电荷量,那又如何知道改变前后的具体电荷量关系呢?

学生体验:限于时间和环境的影响,请同学就静电力F与QA、QB、r的定性关系做个体验,并记录实验结果．(学生实验,教师巡查指导,学生表述定性实验结果．)

设计意图: (1) 基于真实基础,设计问题.对于“静电实验”,学生既陌生又熟悉,在本节课之前学生做过了“电学实验”和“力学实验”,对于静电实验,学生只看过教师做过相应的演示实验但还没有亲自操作过．因此,对于静电实验的具体操作细节等问题,学生的基础还是很薄弱．基于这样的真实学情,笔者依据实验设计的一般思路,对“实验目的——原理步骤——数据处理”等方面以问题链的形式将目标和疑难问题紧紧连在一起,问问相扣,逐步深入,力图使每一个问题都能解决一个难点、使学生的思维产生一次飞跃．[3](2) 定性和定量的有机结合.在本部分有3处体现了“定性+定量”的思想,具体体现在“研究F与哪些因素(生活定性体验+猜想+定量研究)”、“F大小的判断”、“电荷量的变化及变化量的研究”．其目的是在潜移默化中进一步渗透证据意识,显化方法,引导学生要关注生活、观察现象等,从而引导学生养成一种研究的习惯和科学分析的习惯．

2.2 追寻历史的脚印,体悟实验的精妙

过渡语:我们刚才做的仅仅是定性的关系,精确的定量关系在物理学史上最早是由法国工程师、物理学家库仑完成的．请同学们阅读资料,体悟库仑实验的精妙之处．

问题1:如何确定两带电体间的距离r?

图6 库仑扭称模拟实验

问题2:实验中是如何精确测量F的?(图6为模拟实验)

问题3:在库仑那个年代电荷量连单位还没有,库仑在确定Q变化前后的具体关系时采用的也是半分法,这一观点的实验依据是什么?

问题4:请分析表格里的数据(库仑当年的实验数据),寻找规律．

设计意图:限于当地环境和季节的影响,定量的库仑实验经多次尝试和设计,所获得的数据均不完美．实际教学中,采用“阅读+演示”的方式:在“阅读”中培养学生的提炼信息、归纳总结的能力;利用生活物品模拟“库仑扭称”,让学生体悟库仑实验的精妙和方法,也进一步显化科学方法,展现生活与物理的密切关系;对已有数据的处理和误差分析,培养了学生数据处理能力和实事求是的科学态度．

2.3 比较中提升理解,尝试中深化认识

问题1:库仑定律适用的条件是什么?(实验演示:在圆筒与大球之间插入一张纸,会发现小圆筒偏角明显变小)

问题2:这个表达式和我们前面研究过的哪个定律相似?在讨论电荷间的作用力时,我们没有分析两个带电体间的引力,是有意为之?还是遗忘了呢?请阅读教材例题1,并谈谈你的阅读体会．

设计意图:(1)问题1的设计,是对“大小的猜想”的一个呼应．高中阶段,对于“库仑力大小”的讨论仅限于“电荷量和距离”,是否还和其他因素有关,高中并不涉及．但“定律”中又强调“真空”,这让学生有点“蒙”．上述教学设计中利用一张纸做的演示,较好的展现了这一问题(即有介质存在时会影响电荷所受的合力,同时教师做好铺垫“这一问题可以到大学进一步研究”)．(2)问题2通过“例题阅读”,让学生在“比较”中发现特点,深化认识．

3 教学反思

在上述教学设计中,主要体现了3个特点:(1) 多元.依托“主问题”的支撑,通过“问题链”的引导,融“演示实验”、“学生实验”、“猜想”、“逻辑推理”、“自行阅读”、“数据分析”等多种方式于一体,让学生在情境中进行多层次、多角度的探索与发现．(2) 有序.英国哲学家波普尔说“知识的增长永远始于问题,终于问题”．[2]

本教学设计以两个实验情境为问题链的“起链”,引出了本节课的“主问题”——静电力的3要素,然后“分枝”成3个次中心问题,并将其细化为问题组系列．通过这样一组有中心、有序列的层次鲜明且系统性良好的问题组,由预设问题到生成问题,问问相连,步步深入,[4]有效地凸现了本节课的重点内容和显化了科学方法,促进了学生思维的发展．课堂教学中的科学探究,不等同于科学家的研究．在有限的教学时间里,教师只能选择更有利于促进学生发展的关键点去细化教学,丰富认识．(3)严谨.科学论证是一种重要的科学思维方式,如何将科学论证特别是“基于证据的论证”融入高中物理课堂教学,促进学生物理观念和科学思维的共同发展是物理教学实践中迫切需要研究和解决的问题．[2]在上述教学中,笔者通过情境创设、问题设计与引导、理论分析和实验验证结合、从定性和定量等多个角度,在设疑、释疑的动态发展过程中引导学生进行知识的探索和建构,渗透证据意识的培养,最终达成“眼中有物,心中有理”和“有理有据,以证据说话”,从而提升学生科学论证的能力和物理观念．