潘華君

(江蘇省宜興第一中學(xué),江蘇 宜興 214200)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》在“課程目標(biāo)”部分明確提出“學(xué)生應(yīng)具有使用科學(xué)證據(jù)的意識(shí)和評(píng)估證據(jù)的能力,能運(yùn)用證據(jù)描述、解釋和預(yù)測(cè)……”．[1]但Sadler等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)“學(xué)生通常并不習(xí)慣使用科學(xué)證據(jù)來(lái)支持他們的理由,并且缺乏必要的分析與批評(píng)論證的能力,從而使得他們往往會(huì)提出或接受相反的觀點(diǎn)”．[2]鑒于“目標(biāo)”與“現(xiàn)實(shí)”的差距,同時(shí)為了進(jìn)一步落實(shí)物理學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng),在教學(xué)預(yù)設(shè)和實(shí)施過(guò)程中,可以依據(jù)預(yù)定目標(biāo),根據(jù)學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)或事實(shí),針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中將要產(chǎn)生或可能產(chǎn)生的困惑,設(shè)計(jì)一組有中心、有序列、相對(duì)獨(dú)立而又相互關(guān)聯(lián)的問(wèn)題,形成“主問(wèn)題—問(wèn)題鏈”,在問(wèn)題的解決中激活主體思維,在科學(xué)論證活動(dòng)中滲透證據(jù)意識(shí),強(qiáng)化對(duì)科學(xué)概念的認(rèn)識(shí),深化對(duì)合理使用證據(jù)的理解,從而提高連貫和邏輯論證能力．[2]本文以“庫(kù)侖定律”新課教學(xué)為例,嘗試以“主問(wèn)題—問(wèn)題鏈”的教學(xué)方式,實(shí)施指向證據(jù)意識(shí)培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)．

1 課堂引入

圖1 “紛飛實(shí)驗(yàn)”

“紛飛”實(shí)驗(yàn):我們?cè)谄痣姍C(jī)的金屬球上放置了小紙片,現(xiàn)在接通電源,起電．見(jiàn)證奇跡的時(shí)刻來(lái)了．(如圖1所示,金花四濺)

問(wèn)題:請(qǐng)同學(xué)們思考這一現(xiàn)象形成的原因?

圖2 “氣球”實(shí)驗(yàn)

過(guò)渡語(yǔ):類似的情景,也可以用其他生活物品更直觀地演示．如圖2所示,用毛皮摩擦氣球和橡膠棒,使它們帶上同種電荷．同學(xué)們可以看到棒、球互相排斥．在電學(xué)中,我們把同種電荷間的斥力和異種電荷間的引力叫做靜電力．另一方面,力的三要素,影響了力作用效果．這節(jié)課,我們就來(lái)進(jìn)一步深入研究靜電力的3要素．

注意事項(xiàng): (1) 范式起電機(jī)球體大,紙片容易放置,起電效果好,實(shí)驗(yàn)效果更明顯; (2) 紙片應(yīng)剪得小些且把紙片弄蓬松,實(shí)驗(yàn)效果會(huì)明顯; (3) 在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先把氣球表層的粉塵洗干凈、晾干; (4) 吹飽滿的氣球,在實(shí)驗(yàn)中效果更明顯．

設(shè)計(jì)意圖:“物理概念的形成”與“物理規(guī)律的探究”離不開(kāi)情境的創(chuàng)設(shè)．在教學(xué)中,創(chuàng)設(shè)“體現(xiàn)概念本質(zhì)”、“指向明確”的情境可以促進(jìn)教學(xué)的有效開(kāi)展,發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維．在本節(jié)課的引入環(huán)節(jié),筆者設(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn): (1) “紛飛”實(shí)驗(yàn)—效果震撼,作為本節(jié)課的引入,可以很好吸引學(xué)生的注意力,把學(xué)生的思緒在短時(shí)間內(nèi)拉回課堂.(2) “氣球?qū)嶒?yàn)”—基于生活物品而設(shè)計(jì),有效拉近了學(xué)生與物理、與生活的距離,讓學(xué)生感覺(jué)到生活中處處有物理. (3) 證據(jù)意識(shí)的滲透—“紛飛”實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了“動(dòng)”,“氣球?qū)嶒?yàn)”體現(xiàn)了“靜”,通過(guò)“動(dòng)—靜”結(jié)合,有效展示了靜電力的作用效果,是“靜電力”存在的事實(shí)依據(jù),為后面基于事實(shí)依據(jù)而開(kāi)展研究做了較好的鋪墊． (4) 提煉“主問(wèn)題”，對(duì)比各版本教材本節(jié)內(nèi)容的內(nèi)容設(shè)置和編排特點(diǎn),結(jié)合自身對(duì)教材內(nèi)容的體悟,提煉了本節(jié)課的“主問(wèn)題”—靜電力的3要素．這樣的處理,使本節(jié)課后繼的開(kāi)展有了中心,課堂教學(xué)更有序．

2 新課教學(xué)

2.1 定性、半定量結(jié)合,探究力的3要素

2.1.1 作用點(diǎn)

問(wèn)題1:以氣球問(wèn)題為例,請(qǐng)你說(shuō)出橡膠棒給氣球的靜電力的作用點(diǎn)位置?你遇到了什么困難?(生:物體太大,無(wú)法確定作用點(diǎn))

過(guò)渡語(yǔ):“氣球有一定的形狀和大小且電荷分布情況未知”對(duì)確定靜電力的作用點(diǎn)帶來(lái)了較大困難．科學(xué)研究總是從最簡(jiǎn)單的模型入手．既然實(shí)際狀況下的氣球問(wèn)題暫時(shí)還無(wú)法研究,那么我們必須簡(jiǎn)化模型．不妨換個(gè)角度思考:既然這個(gè)困難是因?yàn)槲矬w的大小和形狀造成的,那么要是能夠把它簡(jiǎn)化成一個(gè)點(diǎn),這個(gè)困難也就不存在了．

問(wèn)題2:在什么條件下能把氣球簡(jiǎn)化成一個(gè)帶電的點(diǎn)?(生1:減少帶電體的體積或拉大兩者間的距離;生2:換成均勻帶電的圓球)

圖3 庫(kù)侖定律半定量演示儀

過(guò)渡語(yǔ):當(dāng)兩者間距比兩物體的尺寸大得多時(shí),就可以忽略物體的大小,從而把這兩個(gè)物體看成是帶電的“點(diǎn)”——在電學(xué)中稱為點(diǎn)電荷．例如圖3所示中,金屬小圓筒B和大球A相距較遠(yuǎn)時(shí),圓筒就可以看成是一個(gè)點(diǎn)電荷．另外,若B帶電荷量較小,對(duì)A的電荷分布影響較小,也可近似認(rèn)為A球的電荷均勻分布,從而等效認(rèn)為集中在球心處．對(duì)小球B來(lái)說(shuō),A給B的靜電力的作用點(diǎn)就在點(diǎn)電荷的這個(gè)點(diǎn)上．

問(wèn)題3:這個(gè)模型與我們?cè)诒匦?中學(xué)到的哪個(gè)理想模型類似?

問(wèn)題4:類比質(zhì)點(diǎn),小物體是否一定能看成點(diǎn)電荷?大的物體是否一定不能看成點(diǎn)電荷?

注意事項(xiàng): (1) 本節(jié)課所使用的金屬圓筒是用燒烤碗的底部平滑部分剪成一個(gè)長(zhǎng)方形,然后利用平時(shí)用的水筆卷制而成,中空且輕,表面光滑,比一般的“錫箔紙包泡沫球”效果更明顯; (2) 圓筒上打3個(gè)小孔用于穿線,這樣可以進(jìn)一步防止實(shí)驗(yàn)中圓筒的扭轉(zhuǎn)．

設(shè)計(jì)意圖: (1) 引導(dǎo)學(xué)生對(duì)“真實(shí)的、原始的物理問(wèn)題——?dú)馇騿?wèn)題”展開(kāi)討論,體悟科學(xué)研究中模型構(gòu)建的一般思路,即“真實(shí)問(wèn)題——凸現(xiàn)主要因素——理想模型”．(2) 顯化科學(xué)方法——本環(huán)節(jié)中通過(guò)對(duì)原始問(wèn)題的研究,在細(xì)化教學(xué)過(guò)程中滲透了3種研究方法,即理想模型構(gòu)建、等效思想、類比思想,意圖在實(shí)際問(wèn)題的解決中,落實(shí)“方法教學(xué)”．

2.1.2 方向

問(wèn)題1:以圖3這個(gè)裝置為例,請(qǐng)同學(xué)們猜想一下,圓筒B所受靜電斥力的方向朝哪兒?

問(wèn)題2:你這樣猜想的事實(shí)依據(jù)是什么?(學(xué)生遲疑,回答不出．)

實(shí)驗(yàn):我們可以通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)體驗(yàn)．首先用摩擦起電的方式給A、B帶上同種電荷:① 把大球A放在圓筒B的一側(cè),B有偏角,這只能說(shuō)斥力大概在偏右的方向上;② 既然一般位置上還無(wú)法準(zhǔn)確判斷靜電力的方向,我們換個(gè)特殊位置,把A放在B的正下方,B不偏轉(zhuǎn),這說(shuō)明B受到的靜電斥力在什么方向上?

圖4 靜電力方向判斷

問(wèn)題3:從理論的角度看,如果兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的靜電力不在兩球連線上(如圖4所示)．這違背了什么原理?

設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)比較多個(gè)版本教材發(fā)現(xiàn),各版教材主要關(guān)注“點(diǎn)電荷模型”和“庫(kù)侖力的大小探討”這兩個(gè)問(wèn)題上,關(guān)于方向問(wèn)題,均是以“直接告知”的方式呈現(xiàn)．筆者在設(shè)計(jì)本環(huán)節(jié)時(shí),細(xì)化了“方向”的研究,通過(guò)“猜想——定性體驗(yàn)——推理”的方式,在“邏輯推理”和“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”相結(jié)合中,滲透證據(jù)意識(shí),強(qiáng)化學(xué)生對(duì)“方向”的理解,深化學(xué)生對(duì)科學(xué)研究方法的體悟．

2.1.3 大小

問(wèn)題1:點(diǎn)電荷B所受靜電力的大小可能與哪些因素有關(guān)呢?

問(wèn)題2:你這樣猜想的事實(shí)依據(jù)是什么?(學(xué)生回答:初中做過(guò)的“摩擦后的尺可以吸引紙片”的實(shí)驗(yàn),增加摩擦次數(shù)或把尺靠近紙片,吸引效果更明顯．)

過(guò)渡語(yǔ):“基于事實(shí)依據(jù)的猜想是否完全正確”和“靜電力的大小與這些因素的確切關(guān)系”還需要我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究(器材同圖3)．

設(shè)計(jì)思路如下.

(1) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?探究B所受的靜電力F與QA、QB、r的具體關(guān)系．

(2) 實(shí)驗(yàn)方法:由于F可能受多個(gè)因素的影響,在具體的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)選擇什么研究方法?具體的操作過(guò)程是怎樣?

圖5 靜電力大小計(jì)算模型

(3) 數(shù)據(jù)的獲得: ① 就這套器材而言,實(shí)驗(yàn)中你們將如何判斷B所受的靜電力F的大小?② 如圖5所示,如果小球B與大球A的球心在一直線上,設(shè)偏角為α,小球質(zhì)量為m,請(qǐng)對(duì)小球受力分析并請(qǐng)定量計(jì)算F?③ 保持QA、QB不變,探究同種電荷間的F與r的關(guān)系時(shí),如何確定的r?在滿足②的基礎(chǔ)上,在調(diào)節(jié)r時(shí)應(yīng)注意什么條件?④ 保持r、QB不變,探究同種電荷間的F與QA的關(guān)系時(shí),如何實(shí)現(xiàn)QA的增加或減少?⑤ 中學(xué)實(shí)驗(yàn)室限于條件,沒(méi)有專門(mén)的儀器能夠準(zhǔn)確測(cè)量物體的帶電荷量,那又如何知道改變前后的具體電荷量關(guān)系呢?

學(xué)生體驗(yàn):限于時(shí)間和環(huán)境的影響,請(qǐng)同學(xué)就靜電力F與QA、QB、r的定性關(guān)系做個(gè)體驗(yàn),并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果．(學(xué)生實(shí)驗(yàn),教師巡查指導(dǎo),學(xué)生表述定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果．)

設(shè)計(jì)意圖: (1) 基于真實(shí)基礎(chǔ),設(shè)計(jì)問(wèn)題.對(duì)于“靜電實(shí)驗(yàn)”,學(xué)生既陌生又熟悉,在本節(jié)課之前學(xué)生做過(guò)了“電學(xué)實(shí)驗(yàn)”和“力學(xué)實(shí)驗(yàn)”,對(duì)于靜電實(shí)驗(yàn),學(xué)生只看過(guò)教師做過(guò)相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)但還沒(méi)有親自操作過(guò)．因此,對(duì)于靜電實(shí)驗(yàn)的具體操作細(xì)節(jié)等問(wèn)題,學(xué)生的基礎(chǔ)還是很薄弱．基于這樣的真實(shí)學(xué)情,筆者依據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般思路,對(duì)“實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹聿襟E——數(shù)據(jù)處理”等方面以問(wèn)題鏈的形式將目標(biāo)和疑難問(wèn)題緊緊連在一起,問(wèn)問(wèn)相扣,逐步深入,力圖使每一個(gè)問(wèn)題都能解決一個(gè)難點(diǎn)、使學(xué)生的思維產(chǎn)生一次飛躍．[3](2) 定性和定量的有機(jī)結(jié)合.在本部分有3處體現(xiàn)了“定性+定量”的思想,具體體現(xiàn)在“研究F與哪些因素(生活定性體驗(yàn)+猜想+定量研究)”、“F大小的判斷”、“電荷量的變化及變化量的研究”．其目的是在潛移默化中進(jìn)一步滲透證據(jù)意識(shí),顯化方法,引導(dǎo)學(xué)生要關(guān)注生活、觀察現(xiàn)象等,從而引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成一種研究的習(xí)慣和科學(xué)分析的習(xí)慣．

2.2 追尋歷史的腳印,體悟?qū)嶒?yàn)的精妙

過(guò)渡語(yǔ):我們剛才做的僅僅是定性的關(guān)系,精確的定量關(guān)系在物理學(xué)史上最早是由法國(guó)工程師、物理學(xué)家?guī)靵鐾瓿傻模?qǐng)同學(xué)們閱讀資料,體悟庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)的精妙之處．

問(wèn)題1:如何確定兩帶電體間的距離r?

圖6 庫(kù)侖扭稱模擬實(shí)驗(yàn)

問(wèn)題2:實(shí)驗(yàn)中是如何精確測(cè)量F的?(圖6為模擬實(shí)驗(yàn))

問(wèn)題3:在庫(kù)侖那個(gè)年代電荷量連單位還沒(méi)有,庫(kù)侖在確定Q變化前后的具體關(guān)系時(shí)采用的也是半分法,這一觀點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)是什么?

問(wèn)題4:請(qǐng)分析表格里的數(shù)據(jù)(庫(kù)侖當(dāng)年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)),尋找規(guī)律．

設(shè)計(jì)意圖:限于當(dāng)?shù)丨h(huán)境和季節(jié)的影響,定量的庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)經(jīng)多次嘗試和設(shè)計(jì),所獲得的數(shù)據(jù)均不完美．實(shí)際教學(xué)中,采用“閱讀+演示”的方式:在“閱讀”中培養(yǎng)學(xué)生的提煉信息、歸納總結(jié)的能力;利用生活物品模擬“庫(kù)侖扭稱”,讓學(xué)生體悟庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)的精妙和方法,也進(jìn)一步顯化科學(xué)方法,展現(xiàn)生活與物理的密切關(guān)系;對(duì)已有數(shù)據(jù)的處理和誤差分析,培養(yǎng)了學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度．

2.3 比較中提升理解,嘗試中深化認(rèn)識(shí)

問(wèn)題1:庫(kù)侖定律適用的條件是什么?(實(shí)驗(yàn)演示:在圓筒與大球之間插入一張紙,會(huì)發(fā)現(xiàn)小圓筒偏角明顯變小)

問(wèn)題2:這個(gè)表達(dá)式和我們前面研究過(guò)的哪個(gè)定律相似?在討論電荷間的作用力時(shí),我們沒(méi)有分析兩個(gè)帶電體間的引力,是有意為之?還是遺忘了呢?請(qǐng)閱讀教材例題1,并談?wù)勀愕拈喿x體會(huì)．

設(shè)計(jì)意圖:(1)問(wèn)題1的設(shè)計(jì),是對(duì)“大小的猜想”的一個(gè)呼應(yīng)．高中階段,對(duì)于“庫(kù)侖力大小”的討論僅限于“電荷量和距離”,是否還和其他因素有關(guān),高中并不涉及．但“定律”中又強(qiáng)調(diào)“真空”,這讓學(xué)生有點(diǎn)“蒙”．上述教學(xué)設(shè)計(jì)中利用一張紙做的演示,較好的展現(xiàn)了這一問(wèn)題(即有介質(zhì)存在時(shí)會(huì)影響電荷所受的合力,同時(shí)教師做好鋪墊“這一問(wèn)題可以到大學(xué)進(jìn)一步研究”)．(2)問(wèn)題2通過(guò)“例題閱讀”,讓學(xué)生在“比較”中發(fā)現(xiàn)特點(diǎn),深化認(rèn)識(shí)．

3 教學(xué)反思

在上述教學(xué)設(shè)計(jì)中,主要體現(xiàn)了3個(gè)特點(diǎn):(1) 多元.依托“主問(wèn)題”的支撐,通過(guò)“問(wèn)題鏈”的引導(dǎo),融“演示實(shí)驗(yàn)”、“學(xué)生實(shí)驗(yàn)”、“猜想”、“邏輯推理”、“自行閱讀”、“數(shù)據(jù)分析”等多種方式于一體,讓學(xué)生在情境中進(jìn)行多層次、多角度的探索與發(fā)現(xiàn)．(2) 有序.英國(guó)哲學(xué)家波普爾說(shuō)“知識(shí)的增長(zhǎng)永遠(yuǎn)始于問(wèn)題,終于問(wèn)題”．[2]

本教學(xué)設(shè)計(jì)以兩個(gè)實(shí)驗(yàn)情境為問(wèn)題鏈的“起鏈”,引出了本節(jié)課的“主問(wèn)題”——靜電力的3要素,然后“分枝”成3個(gè)次中心問(wèn)題,并將其細(xì)化為問(wèn)題組系列．通過(guò)這樣一組有中心、有序列的層次鮮明且系統(tǒng)性良好的問(wèn)題組,由預(yù)設(shè)問(wèn)題到生成問(wèn)題,問(wèn)問(wèn)相連,步步深入,[4]有效地凸現(xiàn)了本節(jié)課的重點(diǎn)內(nèi)容和顯化了科學(xué)方法,促進(jìn)了學(xué)生思維的發(fā)展．課堂教學(xué)中的科學(xué)探究,不等同于科學(xué)家的研究．在有限的教學(xué)時(shí)間里,教師只能選擇更有利于促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)去細(xì)化教學(xué),豐富認(rèn)識(shí)．(3)嚴(yán)謹(jǐn).科學(xué)論證是一種重要的科學(xué)思維方式,如何將科學(xué)論證特別是“基于證據(jù)的論證”融入高中物理課堂教學(xué),促進(jìn)學(xué)生物理觀念和科學(xué)思維的共同發(fā)展是物理教學(xué)實(shí)踐中迫切需要研究和解決的問(wèn)題．[2]在上述教學(xué)中,筆者通過(guò)情境創(chuàng)設(shè)、問(wèn)題設(shè)計(jì)與引導(dǎo)、理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合、從定性和定量等多個(gè)角度,在設(shè)疑、釋疑的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)的探索和建構(gòu),滲透證據(jù)意識(shí)的培養(yǎng),最終達(dá)成“眼中有物,心中有理”和“有理有據(jù),以證據(jù)說(shuō)話”,從而提升學(xué)生科學(xué)論證的能力和物理觀念．