库仑定律教学中科学探究的误区与反思

白晶

摘    要：库仑定律教学中的科学探究主要存在两个误区：实验探究中片面追求符合定律的数据结果，偏离了理解科学发现本质的价值取向;理论探究中类比思维方法的不当使用，导致物理本质理解的偏差.物理教学中应重视科学探究对知识产生过程的体验价值，重视科学思维在科学探究中的重要作用，以实现科学探究促进科学本质理解的教育价值.

关键词：库仑定律;科学探究;误区

科学探究作为促进科学本质理解的科学教育途径，也是物理学科核心素养的重要内涵之一.作为教学策略的科学探究，应区别于科学事业中的探究，其意义常常不在于发现规律，而在于促进学生理解科学发现的本质.库仑定律的建立开创了定量研究电学的时代，其发现的历史展现了理论与实验的互动对物理学发展的影响，蕴含着丰富的科学教育价值.《普通高中物理课程标准（2017年版）》要求体会探究库仑定律过程中的科学思想与方法.[1]其中有两个关键词“探究”和“体会”.何以探究，如何体会，这两个问题关系到科学探究在库仑定律教学中能否促进课程目标的达成，若处理不当，就会导致相关的教学误区.

一、实验探究的误区与反思

库仑扭秤实验是物理学史上定量研究静电力规律的经典实验，课程标准也建议体会库仑扭秤实验设计的巧妙之处.然而，由于库仑扭秤结构较复杂，对操作的细致程度要求较高，導致重演该实验难以获得较为精确的结果.在实际教学中，库仑扭秤实验通常被其他实验方案替代，例如用精度较高的电子秤等仪器测量静电力的大小.这些替代方案在操作的便捷度与数据的精确度两方面都优于库仑扭秤实验，显得“性价比”很高，却忽视了库仑扭秤实验的教育价值.

要追问库仑扭秤实验的教育价值，有必要先了解库仑扭秤实验的历史意义.回到库仑（1736—1806）发现库仑定律的时代，当时通过精确测量证明自然定律在学者中并不是一项共识.[2]24库仑扭秤为静电力的平方反比律的建立提供了实证基础，反映了科学研究是建立在精确测量基础上的.从测量本质上讲，库仑扭秤就是一种测力计.一切测量力的工具，其实是测量力的作用效果，例如弹簧测力计将力的测量转换成长度的测量，电子秤将力的测量转换为电学量的测量.库仑扭秤通过机械力和静电力之间的平衡，[2]28实现静电力作用效果的转换放大与测量，展现了电现象与规律的力学本质.

基于科学史与科学哲学（History and Philosophy of Science，HPS）的观点，重做或模拟科学史上的重要实验，是建立一个科学事实的必要条件，对探究科学思想的萌发、科学知识的产生、科学理论的形成而言，是直观形象的重要途径.[3]教学仪器市场上常见到库仑扭秤实验的教具，直接将现成的库仑扭秤实验装置展示给学生.由于其结构部件较多，且悬丝的扭转效果不易观察，无法凸显库仑扭秤实验设计的核心思想.不妨在课堂上模拟制作扭秤的核心部件，展现由部件到整体的过程，见“物”知“理”，理解库仑扭秤作为测力计的测量本质，体会实验的设计思想.

历史上不乏有研究者重做或模拟库仑扭秤实验，并指出库仑的实验结果不能被重复，且实验中得到的数据过于分散，不能作为静电力平方反比律的证据.[2]18基于HPS的视角，建议将历史上库仑扭秤实验的原始数据作为教学资源引入课堂，对其进行分析与评价.表1是根据史料记载整理的库仑发表的扭秤实验的数据结果，包括扭秤稳定时带电球间距r和对应的悬丝扭角θ.[4]

结合表1，引导学生思考：如何将悬丝扭角的数据还原为静电力的数据，需要知道静电力的具体数值吗？库仑采集的带电球间距r的数据分别是36、18、8.5个刻度，这些数据之间存在怎样的倍数关系？这样采集数据可能有怎样的用意吗？根据以上讨论，将表1转换为表2，体会库仑扭秤实验数据处理的倍分法.

针对第3组数据与平方反比律有偏差的事实，如果不加讨论就简单归因于实验误差，就丢掉了这个细节的科学教育价值.基于HPS的视角，建议将事实还原到科学发现的起点，引导学生思考应该采取怎样的科学态度面对这个偏差，造成这个偏差的原因是实验的误差还是反比律的理论需要修正.事实上，即使找到系统误差的来源，根据分散的并不十分精确的仅仅3组数据归纳出静电力的规律，证据显然是不够充分的.至此，可引导学生基于批判性思维，用辩证的观点评价库仑扭秤实验的历史地位和科学意义.库仑扭秤实验的教育价值在于，启发学生思考科学发现过程中猜想、假设与直觉的价值，认识到科学发现不只是依靠有限的事实归纳或单纯的逻辑推理.

二、理论探究的误区与反思

物理学史研究表明，仅仅依靠具体实验数据的积累与分析，得到严格意义上的库仑定律是不够的.库仑定律既是实验事实的总结，也是理论研究的成果，其中类比的思维方法起到了关键的作用.根据两个（或两类）对象在某些属性上相同（或相似），推测它们在另外的属性上也相同的推理称为类比推理.[5]库仑定律的发现很大程度上依赖于从万有引力理论中受到的启发，即静电力与万有引力的类比.

静电力与万有引力的类比是基于两者在何种属性上的相同或相似呢？对这个问题认识的误解会导致类比策略在库仑定律教学中的不当使用.例如：将行星绕太阳运动与电子绕原子核运动的物理模型作类比，通过圆周运动的向心力来源的分析，类比万有引力，猜想静电力的规律.[6]这样的类比，其合理性是值得商榷的，原因有二：第一，量子力学理论的原子模型，已经抛弃了电子轨道的概念，现在还在不断发展中.用电子绕原子核做圆周运动的原子模型作为类比的依据不符合现代微观理论，不利于科学的物质观念的形成.第二，物理学史上，虽然库仑定律的发现得益于与万有引力定律的类比，但类比的依据并非如此，而是富兰克林的空罐实验，该实验表明电荷只分布在导体表面，而在导体内部没有静电效应.[7]92牛顿根据万有引力随距离的平方反比律，已经证明均匀球壳内部任何位置的物体所受引力为零.[8]静电力和万有引力的这种相似性成为历史上用类比方法建立库仑定律的依据.

另外，常见到将库仑扭秤实验与卡文迪许的扭秤实验做类比的教学策略.这种类比作为教学策略可以接受，但如果误认为库仑扭秤实验的设计受到了卡文迪许扭秤实验的启发，这是对物理学史的误解.事实是，库仑于1785年完成靜电扭秤实验，卡文迪许于1789年完成万有引力扭秤实验.值得一提的是，卡文迪许早于库仑发现了静电力随距离的平方反比律，但是并非由静电扭秤实验得出，而是基于1773年的双层同心球实验的结果，通过与牛顿的万有引力理论类比得到，只是当时没有发表.[7]93-95

使用类比思维策略时，应注意参与类比的事物或过程在物理本质上应当具有一致性.静电力和万有引力规律，这两种相互作用规律的相似性背后是否隐藏着更为深刻的原因呢？从场的观点认识静电力和万有引力，两种力类比的合理性，归因于力场的空间几何性质的统一.事实上，在均匀的各向同性的三维欧几里得空间中的点辐射源，其传播都满足随距离r的平方反比关系，这是由空间的几何性质决定的.设一个点源S在一定的时间间隔内所发射出的能量是一定的.这份能量向各个方向传播.当距离r线性增加时，球面面积以平方规律增加，因此单位面积接收的辐射强度以平方反比的规律减少，如图1所示.历史上法国天文学家布里阿德（Ismaelis Bullialdus）就曾将太阳引力与光辐射类比，于1645年提出一个著名假设：从太阳发出的力，应与距太阳距离的平方成反比.[7]22[9]这个观点对后来牛顿发现万有引力定律有一定的启发意义.[7]21对平方反比律的本质追问，不仅是对类比合理性的反思，更是对自然规律的多样性与统一性的思考.

库仑定律教学中科学探究的误区与反思带给物理教学的启示是：应重视科学探究对知识产生过程的体验价值，重视科学思维在科学探究中的重要作用，以实现科学探究促进科学本质理解的教育价值.这也为基于核心素养的物理教学如何落到实处提供了一条可以尝试的思路，那就是将科学发现过程蕴含的人的智慧转化为教育的形态，渗透到教学活动中，实现物理课程的育人目标.[□][◢]

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：18.

[2][瑞典]H.奥托·斯巴姆.提供证据——库仑扭秤和法国启蒙理性文化[J].计海庆，译.哲学分析，2017，8（3）.

[3]张晶.HPS教育研究[M].北京：科学出版社，2017：77.

[4][美]W. F. Magie.物理学原著选读[M].蔡宾牟，译.北京：商务印书馆，1986：432-434.

[5]陈刚，舒信隆.新编物理教学论[M].上海：华东师范大学出版社，2006：97.

[6]马朱林.巧用类比法突破抽象定律教学的难点——以“库仑定律”的教学为例[J].中学物理教学参考，2016，45（7）：29-31.

[7]郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].第2版.北京：清华大学出版社，2005.

[8][英]牛顿.自然哲学的数学原理[M].王克迪，译.北京：北京大学出版社，2006：126.

[9] Ismail Bullialdus.Astronomia Philolaica[M].Paris：Piget， 1645：23.