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摘 要：为促进中学生认识科学的本质，以高中物理《库仑定律》一节为例，结合课标要求，在系统考察国内现行五种版本高中物理教科书中《库仑定律》的HPS内容和科学本质要素呈现情况的基础上，借鉴孟克和奥斯本理论，对融入HPS内容凸显科学本质的《库仑定律》教学设计进行了探讨。
关键词：库仑定律;HPS;科学本质;教学设计
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2019）12-0011-7
1 引 言
科学本质是对“科学是什么”的回答，主要阐明科学具有的基本特征，涉及科学知识、科学探究、科学事业等多方面内容。就科学教育而言，提高学生的科学素养是科学教育的永恒目标[1]，对科学本质的认识程度是衡量学生科学素养的重要指标。理解科学的本质，对中学生形成正确的自然观和科学观、培养创新和批判精神、提升科学探究和科学思维能力起着重要的促进作用。
国际科学教育界普遍认为，将科学史、科学哲学和科学社会学（简称HPS）以及其他与科学本质相关的内容融入科学课程和教学中，是促进学生认识科学本质的重要途径，可引导学生由HPS内容从多维视角认识科学，提升自身的科学素养。《普通高中物理课程标准（2017年版）》（文中简称《课标》）中明确将“能正确认识科学的本质”确定为高中物理课程目标之一，并在阐述物理学科核心素养内涵时对科学本质的水平进行了明确的划分[2]。库仑定律阐明了带电体间相互作用力的规律，是电学史上第一个定量定律，标志着电学研究从定性阶段转入定量阶段，为后续电动力学的建立奠定了基础。库仑定律建立过程中的HPS内容充分体现了科学本质的要素，新修订的《课标》强化了这方面的教学内容要求，因此选取该主题，探讨高中物理教学融入HPS内容促进学生认识科学本质的理论与实践，进一步发挥其教育功能。
2 高中物理教科书有关《库仑定律》一节的HPS内容及其科学本质要素分析
国内现行五种版本高中物理教科书中都编写了有关《库仑定律》的HPS内容。以下结合《课标》对《库仑定律》一节的教学内容要求，统计分析五种版本高中物理教科书《库仑定律》的HPS内容及其科学本质要素的呈现情况。
2.1 《课标》“库仑定律”的内容要求分析
修订后的《课标》中“库仑定律”的相关内容主要有三方面变化：（1）从选修模块调整至必修3模块;（2）内容要求调整为：“知道点电荷模型。知道两个点电荷间相互作用的规律。体会探究库仑定律过程中的科学思想和方法”;（3）新增了教学提示“引导学生学会建立点电荷等物理模型，体会物理模型在研究具体问题中的重要作用。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与方法”等[2]。
关于《库仑定律》一节的HPS内容，《课标》的教学内容要求可以概括如下：（1）知道库仑定律的探索历程;（2）体会探索库仑定律过程中的科学思想和方法;（3）了解静电现象技术的应用。可以看出，《课标》对其HPS内容体现的科学本质要素没有给出显性、具象的描述，对认识科学本质的教学目标要求是隐性而笼统的。
2.2 高中物理教科书《库仑定律》一节所含HPS内容分析
以下选取国内五种版本高中物理教科书，即人教版[3]、沪科版[4]、鲁科版[5]、教科版[6]、粤教版[7]，对《库仑定律》一节内容编排中融入的HPS内容与呈现形式进行了统计，具体内容如表1所示。
基于上表分析，五种版本高中物理教科书《库仑定律》一节所涉及的HPS内容主要有：（1）18世纪中叶研究电荷间相互作用力的背景;（2）库仑之前的科学先驱关于“电力”的探索历程;（3）库仑的探究事迹;（4）生产、生活中静电现象技术的应用。不过，各版本教科书中融入的HPS内容均有所欠缺。人教版教科书中库仑之前的“电力”的探索历程鲜有提及，仅提及卡文迪许等人的猜想;沪科版和教科版教科书未见编写生产、生活中静电现象技术的应用内容;鲁科版教科书针对电荷间作用力研究背景与早期探索“电力”历程都未编排相应内容，对生产、生活中的静电现象技术应用也仅是提及;粤教版教科书缺少“电力”探索历程与静电现象技术应用的内容。五版教科书均融入了库仑的探究，但鲁科版教科书仅简介了库仑实验的意义，粤教版教科书介绍了扭秤结构，对测量原理简略介绍，仅有人教版、沪科版与教科版教科书中详细介绍了库仑扭秤及其测量原理、控制物体带电量的方法。
关于HPS内容的呈现形式，五版教科书共有序言、正文、栏目、问题四种形式，主要以文本、图片的方式加以呈现。各版教科书中主要在正文部分以图文结合的方式呈现库仑探究的历史内容，在序言与栏目中呈现电荷间作用力的研究背景，早期“电力”的探索历程，生产、生活中静电现象的应用。其中仅有沪科版和鲁科版教科书以问题的呈现形式，分别在“家庭作业与活动”“讨论与交流”中对HPS内容作出了学习要求，沪科版教科书还采用了数据表格、名言旁白等方式加以呈现。
2.3 高中物理教科书《库仑定律》一节所含HPS内容体现的科学本质要素分析
关于科学本质要素，随着科学不断发展和研究者关注视角的不同，对科学本质要素的认识是动态变化且逐渐深化的。尽管目前对科学本质要素的认识尚未形成完全一致的观点，但是关于科学本质的基本特性已经形成了一定的共识。根据麦克马斯（W.F.McComas）[8] 、赫里克（F.Abd-EI-Khalick）[9]、刘健智[10]等人对科学本质要素的研究成果，以下整理出科学本质的三个维度17个要素：（1）科学知识维度：认识性、暂定性、累积性、重复性、公开性、科学理论与科学定律;（2）科學探索维度：实证性、经验性、创造性、预测性、科学方法的非固定性、非绝对客观、非权威性;（3）科学事业维度：科学与道德、科学与社会、科学与技术、科学家形象。
对照表1中的统计信息，五种版本高中物理教科书《库仑定律》一节所含HPS内容体现的科学本质要素种类与数量不尽相同。总的来看，它们共体现了11个科学本质要素，具体包括：（1）科学知识维度：暂定性、累积性、重复性、公开性、科学定律;（2）科学探索维度：实证性、经验性、创造性;（3）科学事业维度：科学与社会、科学与技术、科学家形象（如表2所示）。其中，仅科学知识的累积性、科学探索的实证性和创造性、科学家形象是五版教科书中共同体现的要素。
表2 五种版本高中物理教科书《库仑定律》一节
所含HPS内容体现的科学本质要素统计
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综上可知，教科书《库仑定律》一节中的HPS内容仍有待进一步完善，教科书并不能充分体现科学本质要素，少数教科书选编HPS内容仍存在简单化现象，不利于充分发挥其促进科学本质认识的教育功能。以下综合五种版本高中物理教科书《库仑定律》一节内容，进一步优化这部分HPS内容和多样化的呈现方式，并参照孟克（Monk.M）和奥斯本（Osborne.J）的融入教学模式设计教学活动过程，以凸显科学本质要素促进科学本质观教育。
3 融入HPS内容凸显科学本质的《库仑定律》教学模式及教学设计
3.1 融入HPS内容凸显科学本质的《库仑定律》教学模式
英国著名科学教育家孟克和奥斯本在总结科学教育历史经验教训的基础上，以建构主义理论为基础，提出将科学史、科学哲学和科学社会学（即HPS）的有关内容融入中小学科学课程，促进学生对科学本质的理解，提高学生科学素养的融入教学模式，该模式共有呈现、引出、历史研究、设计测试、科学观念与实证性检验、回顾与评价六个阶段[11]。
以下主要以孟克和奥斯本的融入教学模式为理论基础，进行融入HPS内容凸显科学本质的《库仑定律》教学设计。
考虑到探究库仑定律对实验条件和实验结果精密度要求高的特点，学生在课堂上进行探究实验难度较大，需要使用精密仪器进行精确实验才能得到定量物理规律，因此选择组织学生探究历史实验与分析历史数据得出物理规律，体会历史实验中的科学思想与方法。正如弗伦奇教授曾说：“我们所能做的最有价值的事情之一是使学生和课题的原材料接触，使它成为不是干巴巴的学院式的科目，而是学生参与其中的一种人类活动”[12]。有鉴于此，实际教学中将融入教学模式中的科学观念与实证性检验、回顾与评价两阶段中的具体流程“进行实验—评估与讨论证据”修改为“探究历史实验与分析历史数据—讨论反思科学的本质”。由此，融入HPS内容凸显科学本质的《库仑定律》一节的具体教学流程为：呈现电荷间作用力现象，启发学生思考电荷间相互作用规律;在历史研究阶段，介绍电荷间相互作用规律观念的早期历史;引导学生尝试设计实验测试;在科学观念与实证性检验阶段，通过介绍库仑探究实验而重演历史实验;在回顾评价阶段，讨论反思《库仑定律》一节所体现的科学本质，具体如图1所示。
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图1 《库仑定律》一节的具体教学流程
3.2 融入HPS内容凸显科学本质的《库仑定律》教学设计
结合《课标》的要求，参考五种版本高中物理教科书中的教学内容，融入HPS内容凸显科学本质的《库仑定律》教学设计如下。
3.2.1 呈现阶段——空易拉罐滚动现象，实感电荷间作用力的存在
教师：介绍活动内容，请一位学生将气球在头发上摩擦后靠近空易拉罐，随后该学生用另一只气球摩擦头发（摩擦时间比第一次长），然后从相反方向靠近空易拉罐。
提问：大家预测这两次操作分别会出现什么现象呢？
学生活动：进行上述摩擦过的气球靠近易拉罐的活动，以检验预测（如图2所示）。
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图2 摩擦过的气球使空易拉罐滚动
【设计意图】 通过简易活动，结合所学的静电感应知识，进一步呈现电荷间作用力使空易拉罐滚动的现象，让学生在真实感受电荷间作用力的情境中产生学习兴趣，以问题促使学生思考与预测现象。
3.2.2 引出阶段——建构点电荷模型，猜想电荷间作用力规律
教师结合空易拉罐滚动现象提出问题，引导学生自由讨论发表自己的观点。
提问：第一次操作中，摩擦过的气球靠近空易拉罐为什么能使其滚动呢？
提问：第二次操作中，空易拉罐为什么会选择性地向一侧滚动呢？
提问：电荷间相互作用力的大小究竟与哪些因素有关呢？
学生活动：猜想两个带电体之间的相互作用力与带电体的形状、大小、电荷量、电荷分布、二者之间的距离等因素有关。
教师引导：许多物理量都可能与较多因素有关，要研究其与所有因素的关系是很困难的，怎样才可以简化研究过程呢？大家可以参考之前力学中的质点。
师生互动：类比力学中的质点，建立理想化物理模型——点电荷。
提问：电荷间相互作用力主要与电荷间的距离、电荷量有关，具体有什么关系呢？
【设计意图】 结合相应的研究情境与问题，引导启发学生就电荷间相互作用力提出自己的观点，并类比力学的质点建构点电荷模型，使学生体会建构物理模型的方法与类比法在科学研究中的重要作用。
3.2.3 历史研究阶段——了解早期“电力”探索历程，感受科学的发展
教師介绍：18世纪中叶，社会生产力的发展提出了应用电力的需求，此时牛顿力学取得了辉煌胜利，因此人们类比万有引力的规律对电荷间的相互作用力规律进行猜测与研究。
教师按日期和历史事件简要地总结历史上的研究（如图3所示），结合信息技术向学生展示。
提问：对于科学先驱们探索“电力”的历程有什么感想呢？
【设计意图】向学生介绍早期科学家关于电荷间相互作用力规律的观念，引导学生了解这些观点产生的社会时代背景信息，了解可能为历史观念提供支持的数据或其他背景，使学生体会其中的科学思想与方法。结合信息技术呈现历史事件导图便于学生理解。
3.2.4 设计测试阶段——分组设计实验，初探电荷间作用力规律
教师准备实验器材：铁架台、两带电小球、细线、绝缘台、量角器、刻度尺等。
师生互动：分组进行探究电荷间相互作用力规律的实验设计与测试，并记录下实验数据。
实验如图4所示，O是一个带电的物体，细丝上悬挂带同种电荷的小球。第一次测试，将带电量不变的小球放置于P1、P2、P3不同位置;第二次测试，改变同一位置处小球的电荷量。
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图4 探究电荷间作用力实验
提问：分析实验数据能得出电荷间相互作用力有什么规律呢？大家在实验过程中遇到了哪些困难呢？
教师介绍：18世纪中叶以前，科学家们研究带电体之间的“电力”也遇到了困难：一是电荷间作用力非常小，没有测量这样小的力的工具;二是当时没有测量物体所带电荷量的方法及量度电荷量的单位;三是任意带电体上的电荷分布难以确定，因而无法确定相互作用的电荷之间的距离。
【设计意图】 组织学生分组合作，选择自己的或历史上的观念讨论后设计实验并进行测试以验证观念，培养学生合作沟通、实验设计与探究的能力。介绍历史上科学家们探究相同内容时遇到的困难，拉近学生与科学家们的距离。
3.2.5 科学观念和实证性检验阶段——介绍库仑扭秤实验和电摆实验，分析历史数据得出规律
教师介绍：法国物理学家库仑于1785年至1789年期间在法国皇家科学院备忘录中发表多篇论文，论述了他用两个实验得出电力作用的平方反比定律。其中，他在1785年发表的论文《电力定律》中写道：“这种扭秤能非常准确地测量物体上的电力，即使它仅带少量的电。”
教师结合信息技术展示库仑的两个实验设计[13]（如表3所示），使学生了解库仑设计实验的背景与实验装置结构，引导学生结合实验装置结构讨论、分析，理解其测量原理。
师生互动：教师向学生展示库仑通过库仑扭秤与电摆两个实验得到的实验数据[13]（如表4所示），引导学生结合实验测量原理观察、分析历史数据，归纳、总结物理规律。
教师介绍：库仑通过两类实验分别得出结论：“带同类电的两球之间的排斥力，与两球中心之间距离的平方成反比”“正电与负电的相互吸引力，也与距离的平方成反比”[13]，综合即得F∝■。此外，库仑还凭借敏锐的直觉根据对称性利用相同的金属球相互接触的方法巧妙地获得了各种大小的电荷，实验得出F∝q1q2。
提问：结合库仑的实验设计方案，你能总结出库仑运用了哪些科学思想方法创新地解决了什么问题吗？
师生互动讨论：库仑定律的实验探究和数据分析过程。
【设计意图】 再现库仑探究实验活动，让学生接触、学习历史材料。使学生了解库仑研究的逻辑思维过程，培养其观察与思维能力;使学生知道库仑实验中巧妙解决电量与微小库仑力测量的创新之处;使学生领会在研究库仑力中采用的对称、微小力放大和类比等思想方法，体验科学思想方法在科学研究中的重要作用。
3.2.6 回顧与评价阶段——回顾并评价库仑定律的形成过程，讨论、反思科学本质
教师结合教学内容提出科学本质相关问题，组织学生通过课堂讨论或小组报告的形式思考问题，反思学习科学本质。
问题1：18世纪中叶的社会与技术背景对库仑定律的发现有什么影响吗？库仑定律在当代又有哪些技术应用呢？
教师介绍：科学与社会、技术的关系。科学是社会文化传统的一部分，科学的产生与社会发展的需求紧密相连，科学与社会各种文化因素和领域相互影响，科学与技术也相互影响。
问题2：18世纪，许多科学家先后致力于探索电荷间相互作用力的规律，埃皮努斯提出电荷之间的斥力和吸力随带电体距离的减小而增大，D.伯努利、普列斯特利、J.罗比逊、卡文迪许等人先后提出电力服从反平方律，库仑通过实验定量得出库仑定律。对于这一历史过程你有什么看法？
教师介绍：科学知识具有累积性与暂定性。人类对科学的认识是不断发展变化的，需经历循序渐进、不断探索的过程。科学知识是长期积累的，显示了科学的进化性和革命性的特征。科学知识具有暂定性，会随着概念和技术的进步、文化和社会领域的变化、研究项目方向的转变等而变化。
问题3：如何得到库仑定律，库仑采用了什么样的科学方法？
教师介绍：科学探索具有经验性、创造性、实证性。科学主张来源于对自然现象的观察，和（或）对自然现象观察的组合，但多数自然现象不能直接被感官感知到，因此科学探索是以观察为基础的经验性过程。科学不是完全理性的或系统的活动，涉及到人类的创造力，科学是人类的推理、想象和创造力的产物。科学的形成需要经过检验，科学非常依赖于观察、实验、逻辑推理及合理的论证。
问题4：罗比逊和卡文迪许都曾研究得出电荷间作用力的定量规律，但是都因为没有及时公布而未对科学的发展起到应有的推动作用。最终库仑发表多篇关于电学研究的论文论述了他用两个实验得出的电力作用的平方反比定律，此后人类不断用越来越精确的实验验证此定律。对此你有什么看法？
教师介绍：科学知识的公开性和可重复性。科学是世界性的，科学成果应该明确公开，让大众来评判和学习，并得到科学共同体的确认，才能对社会的进步和人类的发展起推动作用。科学知识可以被重复、被验证，得出科学知识的研究过程也是可以重复的。
问题5：结合库仑定律的形成过程，你能尝试解释什么是科学定律吗？
教师介绍：科学定律是通过科学方法对大量具体的客观事实归纳而形成的结论，是对自然界现象间的内在的、必然的、本质的联系的描述性表述。有适用范围且需要经过反复验证，是对自然界客观规律的近似反映。
问题6：库仑、富兰克林、D.伯努利、普列斯特利、J.罗比逊、卡文迪许等科学家推动着库仑定律的发展，你对科学家什么认识呢？
教师介绍：科学家兼具科学专业人员和普通公民的双重身份，他会运用科学知识与方法来解决公众事务问题，且来自各个文化的科学家都可能对科学有贡献。
【设计意图】 通过设计问题讨论，将科学本质要素的部分内容在教学中呈现出来，师生围绕科学本质的话题进行一定程度的探讨，在深刻理解科学知识的基础上，引导、启发学生反思并学习科学本质，促进学生对科学本质的认识，从而提高自身的科学素养。
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（栏目编辑 赵保钢）