基于“显化—反思”教学 促进科学本质理解——以“库仑定律”教学为例

周胜林 叶 倩 谷海跃

（常州市第一中学，江苏 常州 213003）

帮助学生充分理解科学本质是科学教育目标之一，也是物理学科核心素养的重要内容.教学途径的选择对学生科学本质观的形成起着重要作用.然而，相关研究表明，教师对科学本质教学方式的认识存在着偏差，缺乏行之有效的教学途径.这势必会在不同程度上影响学生科学本质观的形成.［1］有鉴于此，本文拟深入探讨科学本质教学的有效途径，并以“库仑定律”教学为例，显化科学本质为导向进行教学设计，以期为科学本质的教学提供有益的参考.

1 科学本质教学的基本途径

一般而言，科学本质的教学分为隐性（implicit）和显化（explicit）两种途径.［2］隐性教学是指通过科学探究活动、科学过程技能指导或改善学习环境等方式，让学生自己领悟科学本质的内涵，教师既不明确指出教学内容所隐含的科学本质要素，也不对科学本质的内涵进行解释和说明.这种教学途径将科学本质视为情感目标和科学探究活动的“副产品”，学生无需额外花费时间对科学本质进行反思和提炼，就能在潜移默化中形成科学本质观.［3］

科学本质的显化教学是指教师在利用科学史和科学哲学的元素提升学生对科学本质理解的过程中，明确指出其中所蕴含的科学本质内涵及其要素.反思则是在显化教学的基础上，引导学生从历史学家、哲学家和社会学家等多维视角理解科学的工作机制，在科学本质的框架下反思科学的基本活动.已有研究表明，相对于隐性教学方式，“显化—反思”教学能够为学生提供更多的机会来讨论科学本质的相关问题，在学生原有观念和现有知识之间产生认知冲突，从而不断有效地修正和发展学生的科学本质观，是科学本质教学中最为有效的途径.［4］

2 基于“显化—反思”的“库仑定律”教学设计

“库仑定律”是高中物理电学的基本规律之一，其发现过程蕴含着物理学家库仑丰富的思想和方法，体现了科学本质教学的重要价值.下面以“库仑定律”为例，基于“显化—反思”教学途径，设计该节教学.

2.1 基于“显化—反思”的“库仑定律”教学目标的确定

确定显性的科学本质教学目标是开展“库仑定律”科学本质教学的必要前提.根据课程标准对该内容的要求，结合库仑定律发现过程中所蕴含的科学本质要素，确定了该节科学本质教学应达到的不同层次，具体目标拟定如下.

（1）通过重演库仑定律的发现过程，体会库仑定律建立过程中的思想和方法，理解科学的主观性和创造性.

（2）通过实验，运用库仑的思想方法，掌握库仑定律的基本内容，相信科学知识的可验证性，进而形成严谨的科学态度.

（3）评估库仑的电学研究过程，理解库仑定律建立的意义，正确评价库仑的历史地位，初步了解科学的运行机制.

2.2 基于“显化—反思”的“库仑定律”教学过程及实施建议

根据上述所确定的科学本质显化教学目标，我们通过历史追溯、实验探究和反思评价等多个环节，重新演绎库仑定律的建立过程，引导学生从不同视角理解科学本质的内涵.

2.2.1 数据重演：追溯库仑的研究过程

18世纪，牛顿经典力学的思想对电学的研究产生了深远的影响，包括库仑在内的科学家们普遍将牛顿超距作用模型应用于电学研究中，通过类比万有引力定律，形成了电荷间的作用力遵从平方反比定律的猜想.

在教学中，教师可以将天体运动同电子绕核运动进行类比，引导学生形成影响电荷相互作用因素的猜想，从而降低学生的思维难度.形成猜想后，我们可以重新演绎库仑定律的发现过程，并结合电子表格对库仑的原始数据进行分析处理，如图1所示.［5］

图1 库仑电学研究装置及实验数据

结合库仑的研究背景和实验过程，教师提出反思性问题，引导学生对库仑的实验过程进行深入反思.

问题1.库仑是如何得到猜想的？

反思：库仑深受牛顿力学的影响，将电荷间的相互作用力与万有引力进行类比，得到电荷间的相互作用力与距离的平方成反比.这反映出科学家已有的知识、经验和观念影响着科学家的思维模式，进而影响科学家探究的问题及探究过程，这体现了科学具有主观性的本质.［7］

问题2.库仑通过少量数据就能验证库仑定律，这说明了科学发现具有什么样的特点？

反思：科学探究并不是完全没有活力的、理性的活动，而是涉及科学家的创造、想象和推理的过程（科学的创造性）.库仑能够从有限的数据中洞察事物运行的本质，确定物理规律，这彰显了库仑杰出的创造力和推理能力，而这种能力也正在成为现代科学的一种“失传的艺术”.［8］

2.2.2 实验探究：体会库仑的思想方法

值得注意的是，库仑只是严格验证了电荷间的相互作用力遵从平方反比规律，并没有验证相互作用力与电荷之积成正比，就库仑而言，这种关系式显然的，正如他所说：“这个假说的前一部分无需加以证明.”［6，9］为了还原历史原貌，弥补历史的缺憾，深化学生对库仑定律的理解，我们可以通过电子天平进一步验证库仑定律，实验装置如图2所示.［10］

图2 库仑定律实验装置示意图

首先，保持两个金属球（涂有导电银漆的聚苯乙烯球）电荷量不变，改变金属球之间的距离，通过电子天平测量带电金属球之间的相互作用力，从而验证电荷间的相互作用力与距离的平方成反比.然后，保持金属球之间的距离不变，启发学生利用对称性原理，改变金属球的电荷量，进而验证电荷间的相互作用力与电荷量的乘积成正比.

实验完成后，教师引导学生对科学的可重复性进行反思讨论.

问题3.为什么通过现代仪器（电子天平）也能得到与库仑相同的实验结果？

反思：采用不同的实验仪器进行验证，能够得到同样的实验结果是因为科学具有可重复性的本质，即科学知识及其发现过程是可以重复并能经受他人反复验证.

2.2.3 反思讨论：评估库仑的历史地位

在库仑公布自己的研究成果之前，罗宾孙、卡文迪什等人都通过实验验证了电荷之间的作用力遵从平方反比定律，卡文迪什的测量结果甚至比库仑更加精确.在此之后，众多物理学家通过不断改进测量仪器，成功将库仑定律的精度提高了十几个数量级，如表1所示.［11］教师可以以此设置问题情境，引导学生理解库仑定律的作用，了解科学的运行机制.

表1 不同时期库仑定律的验证结果

问题4.为什么卡文迪什、罗宾孙比库仑更早验证电荷之间的相互作用力与距离的平方成反比关系，甚至精确度更高，却以库仑的名字命名这一规律？

反思：以科学家的姓名命名科学规律是科学奖励系统中最高声望的承认方式之一.虽然罗宾孙和卡文迪什先于库仑验证电荷之间的相互作用力遵从平方反比关系，但并没有及时公开发表.而库仑凭借着创造性的洞察能力和高超的实验技术，最早公开发表了自己的研究成果.其独创性率先得到了科学共同体的认同，因此以他的名字命名这一物理规律.

问题5.为什么科学家一直不断验证库仑定律？

反思：因为科学知识是暂时性和持久性的统一，要确保物理规律的精确度需要不断改进实验方法和仪器进行验证.库仑定律是电磁学的基石，其精确度对整个电磁学的理论框架有着重要影响.

3 小结与启示

通过对科学本质教学途径的梳理，指出“显化—反思”教学途径能够有效提升学生对科学本质的理解.基于此，以“库仑定律”一节教学为例，根据科学本质的显化教学目标，引导学生模仿历史学家、哲学家和社会学家理解科学的本质，不仅使学生对库仑的研究过程及其运用的方法有了充分的理解，而且对相关物理学史中所蕴含的科学本质要素有了多维度的认识.

此外，教师在实施“显化—反思”教学时，首先应充分理解科学本质的内涵，从科学史、科学哲学和科学社会学等不同维度深入挖掘科学发现过程中所蕴含的科学本质要素.在此基础上，根据课程标准的要求，细化科学本质的显化目标，设置反思性问题以引发学生的讨论与反思，从而不断修正和深化学生对科学本质的理解，进而更好地落实学生物理学科核心素养的培养.