融入HPS教育的中学物理教学设计——以“库仑定律”教学为例

梁利虹 李贵安

(陕西师范大学物理学与信息技术学院,陕西 西安 710119)

1 引言

HPS是科学史、哲学、社会科学(history、philosophy and sociology of science)的简称,兴起于20世纪80年代,是人们对科学、科学教育进行反思的结果。英国科学教育学者孟克(Marten Monk)和奥斯本(Jonathan Osborne)总结了科学教育的历史经验,以建构主义为理论基础,提出把HPS融入中小学科学课程,提出了HPS教学模式。HPS教学模式强调科学史与探究实验等相结合,包括实验演示、引出观念、学习历史、设计实验、科学观念与实验检验、评估等6个环节。

《普通高中物理课程标准(2017年版)》将物理学科的教育价值凝练为物理学科核心素养,注重体现物理学科的本质，促进学生认识科学本质。研究表明：运用HPS教学模式可激发学生学习科学的兴趣,提升学生的认知发展水平，帮助学生较好地理解科学本质,养成科学的态度。本文以“库仑定律”的教学为例,展示HPS教学模式的应用。

2 “库仑定律”教学分析

2.1 教学要求

关于库仑定律的数学要求为：重视发挥物理学史的教育功能,让学生了解库仑定律的探索历程,体会库仑扭秤实验设计的实验思想和方法。物理学的概念、规律及其思想方法都是在一定的历史条件下产生，随着历史的发展而不断发展的。物理学史展示了物理学家不断质疑、探究的过程。在课堂中融入物理学史,让学生了解科学探究的历程,从而使其主动建构知识，掌握科学研究的方法，理解科学本质。

2.2 教学内容分析

库仑定律开启了电学的定量研究时代,对电学的发展具有非常重要的意义。冯·劳厄曾说过：“直到库仑定律发表的时候,电学才进入科学的行列”。人教版将库仑定律编排在高中物理必修第三册第九章第二节,教材中关于物理学史的内容较少。本节教学应注重渗透物理学史,让学生站在科学家的角度思考,体会扭秤实验等的妙处。

3 “库仑定律”教学设计

3.1 教学流程

笔者基于孟克和奥斯本提出的HPS教学模式,对库仑定律一节的教学进行设计。教学流程如图1所示。

3.2 教学过程

3.2.1 创设物理情境,提出问题

演示实验:将与毛皮摩擦过的橡胶棒A置于旋转支架上,用另一根与毛皮摩擦过的橡胶棒B靠近A,发现A转动。如果没有这些器材,可以用塑料尺子或塑料管代替橡胶棒,用瓶盖代替旋转支架(图2)。

师:尺子转动的原因是什么？

生：同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引。

师:该现象说明了什么？

生：电荷间存在相互作用力。

教师边演示边讲解:当塑料管靠近尺子时,尺子会转动起来,但将塑料管拿远,尺子会转动变慢，直到静止。

师:只有两带电体相互靠近的时候,尺子才会转动,这个简单的现象能说明什么？

生：电荷间相互作用力的大小可能与距离有关,距离变大时电荷间作用力变小。

设计意图:创设情境,从情境中提炼问题,总结发现电荷间相互作用力的大小与某些因素有关,进而提出猜想与假设。

图1

图2

3.2.2 基于问题,形成猜想

通过以上教学,学生可以认识到电荷间作用力的大小会发生变化,也很容易想到其与距离有关,接下来形成猜想和假设就轻而易举。

师：点电荷间相互作用力F的大小与什么因素有关？

教师引导学生回答并总结：影响因素有电荷间距离、电荷量、带电体形状大小、环境等，影响因素较多。提示学生当电荷间距离较大时,可以忽略带电体的形状大小和电荷分布,类比质点,建立点电荷概念。

设计意图：从观察到的现象出发,引导学生发现具体的物理问题,形成猜想,针对所要研究的问题提出假设。

3.2.3 定性探究

实验器材：电荷间作用力演示器、起电机、球形导体、包有锡纸的泡沫小球等.

模型构建：如图3所示,小球P受到电荷O的作用而偏离竖直位置,对P进行受力分析可得重力和电荷间作用力的关系：F=mgtanθ。以此模型设计实验，探究定性关系。

图3

图4

设计实验：如图4所示,P是包有锡纸的泡沫小球,用丝线将小球悬挂进来,O是球形导体。锡纸小球和球形导体带上同种电荷后,小球偏转的角度越大,说明受到的电荷间作用力越大。控制距离不变,改变电荷量，定性探究电荷间作用力和电荷量之间的关系；控制电荷量不变,改变距离,定性探究电荷间作用力和距离之间的关系。

演示实验：用起电机使球形导体带上正电荷,将球形导体触碰小球,使小球也带上正电荷。然后让球形导体靠近带电小球,观察并记录小球的偏转角度α1。控制带电小球和球形导体电荷量不变,移动球形导体增大电荷间距离,再次观察并记录小球偏转角度α2。实验结果为α1>α2。

结论1：电荷间距离越大,电荷间作用力越小。

用同样的方法使球形导体和小球带上正电荷。将球形导体靠近带电小球,观察并记录小球偏转角度β1,继续用起电机增加球形导体的带电量,再次观察并记录小球偏转角度β2。实验结果：β2>β1。

结论2：电荷量越大,电荷间作用力越大。

师生总结：通过实验探究,我们可以得到电荷间作用力与距离和电荷量的定性关系,但是并不能得到它们之间的定量关系,而且由于电荷间作用力较小,该实验装置精度不够。

设计意图：通过实验探究,学生认识到电荷间作用力和距离、电荷量之间的定性关系。

3.2.4 渗透物理学史,掌握科学思想和方法

通过以上实验,无法得到电荷间作用力与电荷量、距离之间的定量关系。18世纪一些物理学家对该定量关系进行了探究,普利斯特里和卡文迪什根据实验现象，与万有引力定律相类比，猜测：电荷间作用力和距离成平方反比关系。由于没有直接的证据验证,定量关系一直没有确定。直到将近20年后,库仑设计了库仑扭秤实验和电摆实验,才得到定量表达式。

教师启发学生思考：从猜想验证就用了将近20年的时间,实验设计的难点在哪里呢？首先,在18世纪,电荷量的定义不明确,也没有测量带电体电荷量的仪器,那么该如何探究定量关系呢？

教师讲解历史观点：这就是电量均分的方法,库仑正是利用这个方法解决了电荷量无法测量的难题。

教师启发学生思考：还有一个问题,电荷间作用力比较小,难以测量,这又该如何解决呢？通常微小量难以测量,我们要用到放大法。但是具体如何放大呢？跟库仑研究的金属丝扭转工作有何关系呢？

图5

教师利用多媒体展示：如图5所示,将导体小球放在水平横杆的一端,在另外一端加上平衡小球,使导体小球带上电,在旁边放置一带同种电荷的小球。导体小球由于受到力的而作用使悬丝扭转,扭转的角度与电荷间的作用力成正比，这就是库仑扭秤实验用到的转化放大法。

教师讲解历史观点：库仑通过电量均分法和转化放大法,设计了库仑扭秤实验,得出了同种电荷间作用力与距离和电荷量之间的定量关系,即库仑定律。

设计意图：渗透物理学史,让学生掌握库仑扭秤实验的思想和方法,体会实验设计的精妙之处,进而掌握库仑定律的基本内容。

3.2.5 播放实验视频，进行数据处理

由于库仑扭秤实验完成难度较高,教师可以播放实验视频,让学生在掌握库仑扭秤实验的思想和方法之后了解扭秤实验的操作步骤和现象。向学生展示库仑在实验中得到的数据，对数据进行处理,从数据中得出结论。

3.2.6 讨论与总结

介绍库仑定律的适用范围,使学生掌握库仑定律的内涵。最后，教师布置课后作业：库仑扭秤实验研究的是排斥力的规律,请同学们思考扭秤装置能不能探究同种电荷间吸引力的规律？请查阅资料，库仑是通过什么实验得到异种电荷间引力规律的？

4 结语

本教学设计关注学生的思维过程,引导学生形成猜想，设计实验进行探究。在库仑扭秤实验这一难点内容上,恰当融入物理学史。让学生经历科学家设计实验的过程,找到实验的难点,介绍科学家的思维过程和问题解决途径。从而使其了解库仑定律的探索历程,体会库仑扭秤实验设计的思想和方法,进而掌握库仑定律的基本内容,加深对科学本质的认识,从而达成核心素养的培养目标。