基于科學(xué)思維能力培養(yǎng)的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“安培力的方向”教學(xué)片斷為例

顏少芬 付麗萍

(閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院,福建 漳州 363000)

1 問題的提出

科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容,[1]是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式,主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.[2]教育的一個(gè)重要目的是要教會(huì)學(xué)生如何正確地去思考問題,培養(yǎng)學(xué)生的思維能力.科學(xué)思維能力的培養(yǎng)有助于學(xué)生建構(gòu)個(gè)人的思維體系,形成一套解決問題的方法和策略,在面對復(fù)雜的科學(xué)問題時(shí)能有效地提取關(guān)鍵信息,對不同的觀點(diǎn)能提出質(zhì)疑和創(chuàng)造性的見解.

“安培力的方向”是司南版選修3-1第6章第1節(jié)“探究磁場對電流的作用”的主要內(nèi)容.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)對本片斷教學(xué)的要求:通過實(shí)驗(yàn),認(rèn)識安培力;能判斷安培力的方向.[2]司南版教材的呈現(xiàn)方式是:① 以鋁箔“天橋”實(shí)驗(yàn)(如圖1所示)引出通電導(dǎo)線在磁場中受到力的作用.在實(shí)際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn),教材中鋁箔紙高度不夠,很難同時(shí)觀察到拱起和下凹現(xiàn)象,且實(shí)驗(yàn)過程中如要改變電流方向操作繁瑣,不易實(shí)現(xiàn);② 通過實(shí)驗(yàn)(如圖2所示)定性探究影響安培力的因素(大小、方向同時(shí)探究),然后直接給出左手定則.教材缺少對左手定則建構(gòu)過程的思維揭示,不利于學(xué)生形成科學(xué)思維.在學(xué)習(xí)過程中,學(xué)生對安培力的方向與哪些因素有關(guān)及3者的空間位置關(guān)系缺少感性認(rèn)識,且學(xué)生在科學(xué)抽象思維、空間想象等方面的能力還較為薄弱,對左手定則的建立過程存在思維障礙.

圖1 鋁箔“天橋”

圖2 觀察安培力與哪些因素有關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置

2 以培養(yǎng)科學(xué)思維能力為目標(biāo)的教學(xué)設(shè)計(jì)

基于以上分析,筆者以 “安培力的方向”教學(xué)片斷為載體,圍繞如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力設(shè)計(jì)了如圖3所示的教學(xué)思路.

圖3 “安培力的方向”教學(xué)設(shè)計(jì)思路

結(jié)合普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分,筆者制定了各教學(xué)環(huán)節(jié)中科學(xué)思維要素的學(xué)習(xí)目標(biāo)(如表1所示).

表1 科學(xué)思維要素學(xué)習(xí)目標(biāo)細(xì)化表

2.1 環(huán)節(jié)1:實(shí)驗(yàn)觀察,科學(xué)推理

圖4 自制鋁箔“天橋”演示儀

恰當(dāng)?shù)那榫白寣W(xué)生圍繞問題進(jìn)行探索,既能作為課堂教學(xué)實(shí)施的有力保障,又能調(diào)動(dòng)、啟發(fā)學(xué)生積極思考、發(fā)現(xiàn)問題,促進(jìn)教學(xué)的有效性.[3]為此,筆者利用自制鋁箔“天橋”演示儀如圖4所示(將鋁箔紙、發(fā)光二極管、雙刀雙擲開關(guān)以及干電池連接,讓蹄形磁鐵跨過“天橋”.通過發(fā)光二極管的發(fā)光情況可以明顯判斷電流方向,雙刀雙擲開關(guān)可以快速改變電流方向)創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境,讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn),觀察開關(guān)閉合、斷開時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.通過實(shí)驗(yàn)觀察,科學(xué)推理,提出問題.

設(shè)計(jì)意圖:科學(xué)推理是根據(jù)一個(gè)判斷得出另一個(gè)判斷的思維形式.[4]通過有趣的鋁箔“天橋”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象巧設(shè)問題情境,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,產(chǎn)生認(rèn)知需要,引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析推理,進(jìn)而提出合理猜想,為學(xué)生搭建“觀察—思考—質(zhì)疑”的思維橋梁.

教學(xué)過程如下.

師:通電鋁箔紙?jiān)诖艌鲋袨槭裁磿?huì)動(dòng)起來?

生:鋁箔紙的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化.

師:鋁箔紙的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為什么會(huì)發(fā)生變化?

生:受到了力的作用——安培力.

師:為什么鋁箔紙會(huì)拱起或下凹呢?

生:安培力的方向是不同的.

提出問題:安培力的方向與哪些因素有關(guān)?

2.2 環(huán)節(jié)2:自主探究,分析論證

圖5 自制安培力方向演示儀

在探究“安培力的方向與哪些因素有關(guān)”的教學(xué)環(huán)節(jié),我們巧用了自制安培力方向演示儀如圖5所示(主要由導(dǎo)體棒、導(dǎo)軌、蹄形磁鐵、接線柱以及開關(guān)構(gòu)成.其中,導(dǎo)體棒可穩(wěn)定地置于導(dǎo)軌上,使現(xiàn)象更加直觀明顯;用船型開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單刀單擲開關(guān),更易操作且美觀;用接線柱可簡便更換電流方向)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究.分別觀察在初始情況、改變電流方向和改變磁場方向時(shí),磁場、電流、安培力方向的改變情況,并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄于圖表2中.在實(shí)驗(yàn)證據(jù)的基礎(chǔ)上,通過對比分析,歸納得出:安培力方向與電流方向和磁場方向有關(guān).

表2 探究安培力方向?qū)嶒?yàn)分析

設(shè)計(jì)意圖:通過實(shí)驗(yàn)獲取證據(jù),以圖表的方式呈現(xiàn)收集到的數(shù)據(jù).引導(dǎo)學(xué)生基于證據(jù)運(yùn)用控制變量的思想分析論證、歸納推理得出結(jié)論,使學(xué)生經(jīng)歷“探究—分析論證—?dú)w納”的思維活動(dòng).

2.3 環(huán)節(jié)3:模型建構(gòu),“思維”可視化

物理模型可以劃分為兩類,一類是模擬式物理模型,另一類是理想化物理模型.[5]通過模型建構(gòu)過程引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念和規(guī)律的形成過程,是發(fā)展科學(xué)思維的重要途徑.[2]為了突破本片斷教學(xué)的難點(diǎn)問題:找到安培力方向與通電導(dǎo)線電流方向、磁場方向的空間位置關(guān)系,我們隨手取材,借助生活中的橡皮泥、小木棒和顏料搭建空間立體物理模型,實(shí)現(xiàn)“思維”可視化.

情境1:問題驅(qū)動(dòng): ① 安培力的方向與電流方向和磁場方向有關(guān),那么3者是否具有內(nèi)在的聯(lián)系呢?② 3者是在同一條直線上嗎?③ 3者是在同一個(gè)平面內(nèi)嗎?④ 3者具有怎樣的空間位置關(guān)系呢?

情境2:模型建構(gòu):引導(dǎo)學(xué)生利用橡皮泥和3根顏色不同的小木棒動(dòng)手搭建初始情況3者的空間模型[如圖6(a)所示].通過觀察可以發(fā)現(xiàn)安培力方向垂直于電流方向,也垂直于磁場方向,3者的空間位置關(guān)系是兩兩垂直的.

情境3:質(zhì)疑推理:改變電流方向、磁場方向是否也滿足兩兩垂直的空間位置關(guān)系呢?教學(xué)中通過讓學(xué)生分組搭建不同情況下的模型,生生互動(dòng)產(chǎn)生質(zhì)疑,動(dòng)手實(shí)踐的過程中同學(xué)們發(fā)現(xiàn)通過旋轉(zhuǎn)第一個(gè)模型可以得到另外兩種情況的模型(如圖6所示).進(jìn)而分析推理得出:安培力方向、電流方向、磁場方向三者的空間位置關(guān)系是固定不變的.

圖6

設(shè)計(jì)意圖:在中學(xué)物理教學(xué)中,模型思維是一種重要的科學(xué)思維,模型建構(gòu)是一種主要的思維方式.通過模型建構(gòu)過程,實(shí)現(xiàn)思維可視化,以此加深學(xué)生對3者空間位置關(guān)系的理解,突破左手定則建立過程中的思維障礙.

2.4 環(huán)節(jié)4：類比推理,“思維”具象化

左手定則可以幫助我們快速判斷安培力的方向,類似這樣的定則教師們大多是利用教材中的插圖,用對比分析的方式來講解,學(xué)生的任務(wù)則是學(xué)會(huì)運(yùn)用左手定則來判斷安培力的方向.很少有人會(huì)疑問:為什么要用左手來判斷?它又是如何發(fā)展而來的?筆者引導(dǎo)學(xué)生從生活中的垂直關(guān)系入手,通過左右手類比分析、追根溯源,幫助學(xué)生構(gòu)建左手定則.

圖7 左右手均滿足垂直關(guān)系

情境1:提出問題:生活中哪些地方也存在兩兩垂直的關(guān)系?(如墻角、桌角,再過渡到雙手)伸出雙手,如果讓大拇指與四指垂直并與手掌在同一平面內(nèi),會(huì)與垂直于手掌的方向形成兩兩垂直的關(guān)系,左右手都能滿足垂直關(guān)系(如圖7所示),那么用哪只手來表示安培力的方向呢?

情境2:類比分析:以圖9的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槔?引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行類比分析,若讓磁感線垂直穿過手心(掌心向上),四指指向電流的方向(四指指向紙面),用大拇指來表示安培力的方向,此時(shí)左手的掌心、四指、大拇指恰好與實(shí)驗(yàn)中的磁場、電流、安培力的方向相對應(yīng)(如圖8、9所示).由此再進(jìn)一步地引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納得出:判斷3者空間位置關(guān)系的一般方法—左手定則(如圖10所示).

圖10 左手定則圖示

情境3:史學(xué)滲透:為什么用左手來判斷安培力的方向呢?物理學(xué)家們起初傾向于用實(shí)驗(yàn)儀器來將方向可視化,但儀器不便攜帶,便思考用生活用品(如手表)來幫助記憶,為了便于教學(xué),物理學(xué)家們在前人的基礎(chǔ)上不斷思考如何用每個(gè)人基本都有的物體作為判斷工具,于是總結(jié)并約定一個(gè)個(gè)簡潔的記憶方法.[6]

設(shè)計(jì)意圖:類比使人們富于聯(lián)想,觸類旁通,是獲得創(chuàng)造性的啟發(fā)或靈感的一種有效思維方法.[7]在左手定則的學(xué)習(xí)過程中,雙手的幾何特征都滿足兩兩垂直的空間位置關(guān)系,為什么要用左手而不用右手,卻常常被教師們忽視.通過類比分析及揭示物理學(xué)家們建立定則的思維過程的教學(xué)活動(dòng),加強(qiáng)學(xué)生認(rèn)知的完整性和邏輯性,提高學(xué)生的形象思維能力.

2.5 環(huán)節(jié)5:解釋交流、應(yīng)用遷移

情境1:解釋現(xiàn)象:以圖11的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為例,引導(dǎo)學(xué)生討論分析此時(shí)的磁場和電流方向,并運(yùn)用左手定則判斷安培力的方向,再通過操作檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖11 運(yùn)用左手定則分析鋁箔“天橋”實(shí)驗(yàn)

情境2:拓展應(yīng)用:引導(dǎo)學(xué)生了解生活中安培力的應(yīng)用.拓展延伸提出問題:我們通過學(xué)習(xí)知道了改變安培力的方向,可以使直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)(如圖12、圖13所示),那么如何提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速呢?這其中蘊(yùn)含了哪些物理原理呢?

圖12 直流電動(dòng)機(jī)實(shí)物圖

圖13 通電線圈在安培力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)

設(shè)計(jì)意圖:物理課程應(yīng)注重與生產(chǎn)生活、現(xiàn)代社會(huì)及科技發(fā)展的聯(lián)系.引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用左手定則解釋課前的鋁箔“天橋”實(shí)驗(yàn)和生活中安培力方向的應(yīng)用,在分析論證的過程中提升學(xué)生的科學(xué)思維能力.

3 結(jié)語

物理學(xué)家馮·勞厄說過:教育給予人們的無非是當(dāng)一切學(xué)過的東西都忘記后所剩下來的東西,而“剩下的東西”就是研究和解決問題的方法,這屬于科學(xué)思維的范疇.[8]觀察、實(shí)驗(yàn)與科學(xué)思維相結(jié)合,是物理學(xué)科的基本特征.物理教學(xué)不是培養(yǎng)只會(huì)解題的考試能手,而是培養(yǎng)具有個(gè)體思維結(jié)構(gòu)的有用人才.在物理教學(xué)中,我們應(yīng)創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生提出問題的情境,幫助學(xué)生理解物理知識中所體現(xiàn)的科學(xué)思維方法,鼓勵(lì)學(xué)生不滿足于教材中的結(jié)論和教師的講解,勇于質(zhì)疑,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力.