放眼国际，发达国家十分重视科学方法教育，欧美教科书常以前置与专论、叙述、体系化的方式呈现科学方法
［1］。相比之下，我国现行教材普遍对物理概念、物理规律进行显性处理，却以隐性渗透的方式呈现科学方法，且未对科学方法进行全面系统的介绍。关于科学方法的研究热潮，掀起于上一轮课改教学目标“过程与方法”的提出，在核心素养背景下的科学方法教育对科学思维及科学探究素养培养的重要性更是不容小觑。
“十大最美实验”之一的卡文迪许扭秤实验不仅在物理学史上有着重要地位和深远影响，更对当下的物理教学有着重要的实践意义。该实验蕴含多种物理科学方法，是进行科学方法教育的良好素材。笔者以引力常量的测量（卡文迪许扭秤实验）为例，通过创新实验教学设计来弥补现有教材的不足，帮助学生真正掌握科学方法的内涵。
1 科学方法显化教育
科学方法指人们在认识或改造客观世界的实践活动中总结出来的正确的思维方式和行为方式，是人们获取科学知识进而认识、改造世界的有效工具。物理科学方法教育则是指在物理教学中，有目的、有组织、有意识地渗透和传授研究方法，使学生在逐步掌握科学方法的同时，增强科学素养
［2］。科学方法的教育方式分为显性方式和隐性方式。显性方式，是明确指出科学方法的名称，揭示方法的形式、特点、规律、作用、操作过程，并说明原理。隐性方式，就是按照科学方法的一般程序“组织概念、规律和实验教学”，但不揭示所用方法的程序原理，不阐明各阶段具体方法的名称
［3］。隐性化的科学方法教育强调在潜移默化中影响学生，但在该模式下学生接受的科学方法教育是笼统的、浅显的，无法上升为理性认识，也就难以灵活使用以解决问题。而显性化的科学方法教育注重在明确科学方法名称的前提下挖掘其深刻内涵，更加强调对科学方法的认识及训练，能为学生进行自主探究提供更多的方法指导。
因而，本研究聚焦物理学研究中最基本、最重要的实验方法，从物理实验的设计与实验数据的处理两个方面对卡文迪许扭秤实验中蕴含的科学方法展开深入探究，用具体事例生动诠释转换法等物理实验方法的内涵与意义，同时也结合等比法、几何法等巧妙的数学方法助力科学方法的显性教育，切实提升学生的物理核心素养。
2 卡文迪许扭秤实验：科学方法运用的范例
2.1 扭秤设计中科学方法的妙用——转换法
转换法是指在保证效果相同的前提下，将一些寻常看不见、摸不着的物理现象，不易观察的物理过程或不易直接测量的物理量转换成另一种具有可见性或可测性的形式呈现出来
［4］。这是一种将陌生复杂问题转换成熟悉简单问题的方法，通过直观化现象和过程或间接测量待测物理量来实现。本质上，平衡法、放大法、等效法等都是转化法。卡文迪许实验中多次运用了该方法。
（1） 卡文迪许扭秤装置见
图1。质量相同的两个小铅球置于轻质杆的两侧，与悬点的间距相同，使得扭秤的左边力矩与右边力矩保持相等，扭秤处于平衡状态；在两个小铅球等距的前后两侧分别放置质量相等的大铅球后，大小铅球之间产生等大的引力，使T形架发生摆动，当摆动逐渐减弱最终趋于静止时，扭丝的扭转力矩等同于铅球间所产生万有引力的力矩，扭秤再次处于平衡状态
［5］。
（2） 万有引力十分微弱，难以直接测量，卡文迪许扭秤将万有引力的测量转换为扭丝扭转角度的测量，扭丝的扭转角度又转换为反射光旋转角的几何测量，两次转换解决了物理量不易测量的难题。
（3） 将微弱的引力作用通过扭秤的力臂放大为作用效果更加明显的力矩，使得扭丝发生明显扭转；光线经扭丝上镜面的反射使扭转角度得到放大，造成反射光的变化角度是扭丝扭转角度的二倍；增大镜面到坐标纸的距离
L，便可以放大坐标纸上光点的移动距离
S，从而使实验的现象更加明显且易于观测。反射光路如
图2所示。
（4） 在遇到扭秤的扭转常数测量困难时，利用推导出的公式，将扭转常量k转换为扭摆周期T等一系列易于测量的物理量，从而巧妙地避开扭转常量的测量难题。
2.2 实验过程中科学方法的妙用
（1） 累积法：通过原理分析与公式推导发现，测量引力常量时可以不直接计算出扭转常数，而是用扭摆的周期间接地计算出引力常量的数值。利用累积法测量出的平均周期带入式计算引力常量，不仅使得计算更加简便，也在一定程度上消除了偶然误差的影响。
（2） 几何法：几何法将角度的测量变为距离的测量，在近似条件下用坐标纸上光点的移动距离S与镜面到坐标纸的距离L的比值计算光线的变化角度。
（3） 等比法：由于扭秤的阻尼摆动和地面震动等外界因素的干扰，扭秤无法马上静止在平衡位置。而卡文迪许扭秤实验利用等比法实现了在动态过程中测量静态的平衡点，巧妙地回避了扭秤总是摆动不停的难题，即扭秤的平衡位置用扭秤处于平衡状态时反射光的光点位置来表示，记为
X0，观察随扭秤一起振动的光点的运动情况，当光点第一次达到最大的振幅及反方向达到最大振幅时标定其位置并分别计为
X1、
X2，以此类推得到
X3、
X4、
X5等数据，形成扭秤阻尼摆动图象，再根据阻尼摆动的规律便可求出扭秤的平衡位置
［6］。
3 实验教学创新设计
“引力常量的测量”是必修2中“曲线运动与万有引力定律”主题下“万有引力定律”中的内容。虽然《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》未对“引力常量的测量”进行说明，但明确提出“认识发现万有引力定律的重要意义”“认识科学定律对人类探索未知世界的作用”。引力常量的测量不仅对万有引力定律的实践运用有着重要意义，也为人类探索未知世界打开了一扇大门。因而，开展相应教学对课标中相关要求的达成有着重要作用。各教材或多或少对测量该常量的实验装置——卡文迪许扭秤实验装置进行了介绍，为师生进行教学活动提供了一定的素材，但其中科学方法依旧未能显性呈现。因此，笔者对“引力常量的测量”进行教学设计，采取科学方法显性化的教学模式，从而为实施科学方法显性化的物理实验教学提供案例参考。
3.1 教学目标
基于课标、教材及学情分析，形成以下教学目标。
（1） 了解卡文迪许扭秤实验的装置与原理。
（2） 知道引力常量的物理意义及其对物理学发展的作用。
（3） 清楚卡文迪许扭秤实验中蕴含的科学方法，并能够举例说明科学方法的应用。
（4） 感受卡文迪许扭秤的探索过程，在解决问题中培养学生的科学思维。
（5） 体会卡文迪许扭秤实验的巧妙设计，激发学生科学探索的兴趣。
3.2 新课教学
（1） 环节一：温故知新，铺垫教学。
【创设情境】播放视频动画，例如月球围绕地球运动、跳起的人总会落回地面等。
【代入疑问】这些物理现象有何联系？它们满足什么规律？万有引力定律的表达式中r有什么含义？
设计意图：该阶段通过与万有引力定律有关物理现象的呈现及其中科学方法的挖掘，为学生搭建新旧知识之间的桥梁，同时体会该定律中“理想化物理模型法”的重要性，为实验教学中科学方法的显化作铺垫。
（2） 环节二：回顾历史，引发思考。
【回顾历史】1687年，牛顿发现了著名的万有引力定律，却由于不知道引力常量
G的值而无法计算两个天体间万有引力的大小。时隔一百年后，卡文迪许利用扭秤装置（
图1）测得了地球密度，后人在其研究成果的基础上才得到较为精确的引力常量的数值
［6］。
【设置疑问】引力常量由“提出”到“测出”间隔了百年，用什么科学方法可以解决其中的困难？
设计意图：在学生的自主分析及教师引导下认识万有引力的微弱、不可屏蔽性、易受干扰等特点，拓展学生对引力常量的认识，深刻理解其中的测量困难。针对测量引力常量的困难，鼓励学生借助学习过的科学方法与已有经验尝试解决问题，肯定学生的积极探究，发展学生的科学思维和科学探究素养。
（3） 环节三：自主探索，挖掘方法。
在卡文迪许实验近百年后，英国物理学家波伊斯以高弹性的石英丝替代金属丝，同时利用光学放大进行改进。因此，教学中利用提前录制的视频展示改进后的装置（
图3），也是现行多数教科书所呈现的版本
［7］。扭秤的主体是一个倒置的T形架，用一根石英丝悬挂起两端配有小铅球的轻质杆，在两个小铅球相同的距离处放置两个大铅球，悬丝上放置着镜子。
【探究疑问】分析卡文迪许设计扭秤实验装置所用科学方法（
图4），与已学习过的科学方法建立联系，例如探究按压桌面的形变量时的放大法，探究求合力时的替代法等，发挥科学方法在获取知识、建构知识方面的功能。
该实验过程中采用的科学方法，即等比法、几何法、累积法等，对于该学段的学生较为困难，因此主要通过以下3个问题，借由教师引导，调动学生思维，拓宽学生视野。
①扭秤总是不停地摆动，使得平衡位置很难记录和测量，如何处理这个问题？②利用转换法测量扭丝的扭转角度，将扭丝的扭转角度转换为反射光的旋转角度，反射光的旋转角如何测量？③由于扭秤的扭摆周期较短，直接用秒表进行测量会产生较大的误差，如何测量周期进而提高引力常量的精确度？
设计意图：通过系统地呈现这些科学方法，一方面让学生体会科学方法在物理问题中的综合应用，另一方面为学生在课后进行拓展研究提供基础。
（4） 环节四：总结反思，启迪研究。
【解释疑问】首先由学生自主总结卡文迪许扭秤实验中蕴含的科学方法，对其进行肯定并补充总结。此外，要说明卡文迪许扭秤实验的物理意义：验证万有引力定律、“称量地球”、测出引力常量G等。最后，为学生提供一些课外拓展学习材料，鼓励学生借助书籍、网络等多种途径对卡文迪许扭秤实验中的一种或几种科学方法展开深入研究，并撰写一个简明的研究报告。
设计意图：系统地总结实验中的科学方法，让学生真正掌握科学方法的内涵。通过课后的拓展探究，培养学生科学探索的能力与创新精神，学生初步学会利用文献探索问题的研究性学习方法。
4 教学建议
（1） 视频演示实验与学生自主探索相结合，深化学生对卡文迪许扭秤实验的理解。卡文迪许扭秤实验操作烦琐，耗时费力且不易成功，因此建议教师提前录制好实验视频，避免演示实验的失败风险。在展示视频时要循序渐进，遇到问题时暂停视频，引导学生进行自主探索，等问题解决后再继续播放视频，从而促进学生积极地思考。
（2） 在实验教学中应显化物理科学方法，溯源科学方法本质，挖掘科学方法在不同问题情境中的应用，让学生真正参与物理实验的探究过程，进行有意义的科学探索，从而在“举一反三”的过程中掌握科学方法的内涵。同时，教师在教学实践中应该重点强调根本方法，避免同一思想本质下的方法因名称多样使学生混淆、增加负担。
（3） 结合物理学史巧妙创设情境，通过疑问激发学生思维。在实验教学中要结合物理学史为学生创设科学探索的物理情境，使学生真正感受到卡文迪许扭秤实验对物理学发展的巨大意义，从而激发学生进行科学探索的兴趣。在实验教学过程中，教师可以通过“代入疑问—设置疑问—探究疑问—解释疑问”的方式来引导学生对实验中的科学方法进行深层次的思考，帮助学生领悟研究物理问题的一般思维过程，进而提升物理核心素养。
5 结语
实验既是科学理论建构的重要基石，又蕴含了丰富的科学方法，为学生构建知识提供了良好的路径，也有助于学生理解和掌握科学方法的基本特点和应用方式，形成理性认识。实验自身的历史性和文化性还能促进学生对科学文化的认同和热爱，对学生科学态度与责任素养的提升亦具有正向意义。因此，利用实验实施科学方法显化教育具有深厚的理论基础和实践价值。教师在实践中应积极挖掘、显化实验中的科学方法，借助实验相关的历史背景，发挥实验教学及科学方法教育的育人功能，真正地提高学生的核心素养。
中国科学技术协会2023年度学风传承行动资助项目“以科学家精神故事传扬师道精神涵养人师学风”(XFCC2023ZZ001)
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