例析課堂教學(xué)中學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)
——以“示波器原理”一課為例

郭燕平 賴起邦

(廈門集美中學(xué) 福建 廈門 361000)(廈門市云頂學(xué)校 福建 廈門 361000)

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)逐漸形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，物理學(xué)科的核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)方面[1].本文認(rèn)為物理觀念是科學(xué)思維的產(chǎn)物，同時(shí)為科學(xué)思維服務(wù).在科學(xué)探究過(guò)程中，形成物理觀念，培養(yǎng)科學(xué)思維，但科學(xué)探究的能力本質(zhì)上是思維的能力加上實(shí)踐的能力.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任要素滲透在核心素養(yǎng)培養(yǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，而且是指導(dǎo)和約束各個(gè)環(huán)節(jié)的邊界.所以，就前三個(gè)要素而言，科學(xué)思維能力的培養(yǎng)是核心任務(wù).

核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，學(xué)生物理核心素養(yǎng)是在每一節(jié)物理課的潛移默化中得到提高，因此教師應(yīng)當(dāng)清楚每一節(jié)課的培養(yǎng)目標(biāo).誠(chéng)然，教師力圖在每一節(jié)課中都做到4個(gè)要素的滲透教育，但不同類型的課程，側(cè)重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)有所不同.

“示波器原理”這一課內(nèi)容，屬于“帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)”的知識(shí)應(yīng)用課，而且屬于提高創(chuàng)新的內(nèi)容.一般的帶電粒子偏轉(zhuǎn)問(wèn)題，只在二維平面發(fā)生，而示波器中的帶電粒子，其偏轉(zhuǎn)發(fā)生于三維空間.加上周期性問(wèn)題，示波器原理涉及的內(nèi)容屬于四維時(shí)空問(wèn)題，難度很大.許多一線教師遇到本課，要么直接將其處理為二維電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)習(xí)題課，要么一兩句話帶過(guò)本課內(nèi)容，這樣的處理方式使學(xué)生對(duì)示波器原理一知半解，更不用說(shuō)能從中得到素養(yǎng)的培養(yǎng)，造成了教學(xué)資源的浪費(fèi).本文認(rèn)為，“示波器原理”這一課存在著巨大的科學(xué)思維培養(yǎng)資源，教師如果深入挖掘，學(xué)生必然受益良多.

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)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(shí)方式，主要包括提出問(wèn)題、建立模型、推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等4個(gè)要素[2].本文以“示波器原理”一課為例，談一談物理課堂上學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng).

1 提出問(wèn)題 激發(fā)思維興趣

設(shè)置適當(dāng)?shù)膯?wèn)題情景，引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的思維興趣，是思維培養(yǎng)課的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[3].一個(gè)好的問(wèn)題能夠激發(fā)起學(xué)生探索的興趣，則課堂效果將大大提升.

在“示波器原理”這一課中，教師先讓學(xué)生畫出干電池兩端電壓隨時(shí)間變化的圖像，再讓學(xué)生畫出家用電源插座的電壓隨時(shí)間變化的圖像.第一個(gè)問(wèn)題學(xué)生很容易解決，但第二個(gè)問(wèn)題學(xué)生遇到了困難.至此教師展示示波器，并利用示波器顯示干電池的U-t圖像和家用電壓的U-t圖像.

鑒于示波器展示出來(lái)的功能，學(xué)生對(duì)示波器產(chǎn)生了濃厚的興趣.

2 明確知識(shí) 奠定思維基礎(chǔ)

知識(shí)要素作為物理觀念的一個(gè)組成部分，是思維運(yùn)行不可或缺的媒介.所謂巧婦難為無(wú)米之炊，脫離了知識(shí)這個(gè)載體，思維也就寸步難行.

課堂上，教師組織學(xué)生閱讀課本，了解示波器結(jié)構(gòu)，明確電子槍、偏轉(zhuǎn)電極、熒光屏等器件的構(gòu)造、位置和作用，為接下來(lái)的思維活動(dòng)做好準(zhǔn)備.

3 化繁為簡(jiǎn) 培養(yǎng)建模能力

模型構(gòu)建是科學(xué)思維的要素之一.中學(xué)物理模型一般可分3類：物質(zhì)模型、狀態(tài)模型、過(guò)程模型.抽象化與理想化是構(gòu)建模型的重要方法.

如在本課中，教師首先引導(dǎo)學(xué)生對(duì)示波器部件進(jìn)行抽象化處理，篩選出對(duì)分析問(wèn)題有用的部件，并進(jìn)行理想化處理，如忽略部件本身的尺寸、粒子體積、重力及邊緣效應(yīng)等因素，最終建立起學(xué)生熟悉的帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)模型,如圖1所示.

圖1 帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)模型

在模型構(gòu)建完畢之后，設(shè)定具體的參數(shù)，學(xué)生自行推導(dǎo)出電子打在熒光屏上的偏移量(即電子與熒光屏中點(diǎn)O的距離)為

(1)

這既是對(duì)已學(xué)知識(shí)的鞏固，也是為后續(xù)突破難點(diǎn)問(wèn)題做充分的準(zhǔn)備.

4 過(guò)程探究 培養(yǎng)綜合思維

大腦思維的工作過(guò)程，一般由表及里、由淺入深，問(wèn)題解決的過(guò)程是一個(gè)推理、論證、質(zhì)疑不斷循環(huán)的思維過(guò)程.教師在課堂上應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生的思維方向，留給學(xué)生充分的時(shí)間去推理論證，并創(chuàng)設(shè)民主的氛圍鼓勵(lì)學(xué)生質(zhì)疑.

為此,教師設(shè)置一系列的子問(wèn)題推動(dòng)學(xué)生的思維往前發(fā)展[3].

問(wèn)題1：由式(1)可知，偏移量y與偏轉(zhuǎn)電壓Uy成正比.如果僅在y方向加如圖2(a)所示偏轉(zhuǎn)電壓，熒光屏上的偏移量隨時(shí)間如何變化？熒光屏上將看到什么？

結(jié)合學(xué)生回答呈現(xiàn)圖2(b)，并當(dāng)堂操作示波器，驗(yàn)證學(xué)生的推理結(jié)果，得到圖2(c)，之后推出第二個(gè)問(wèn)題.

圖2 問(wèn)題1圖

問(wèn)題2：如果僅在y方向加圖3(a)所示偏轉(zhuǎn)電壓，熒光屏上的偏移量隨時(shí)間如何變化？熒光屏上將看到什么？

圖3 問(wèn)題2圖

學(xué)生畫出偏移量隨時(shí)間變化圖像如圖3(b)所示，會(huì)認(rèn)為熒光屏上將看到一個(gè)亮斑從原點(diǎn)開(kāi)始沿豎直方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng).

學(xué)生回答之后，再次驗(yàn)證學(xué)生的回答，結(jié)果示波器上顯示的并不是一個(gè)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)，而是一條豎線.由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果與答案不同，此時(shí)要注意學(xué)生質(zhì)疑情緒的釋放.最終明確熒光屏上看到的圖像是不同電子先后打在上面由于視覺(jué)暫留形成的.為驗(yàn)證這個(gè)答案，可調(diào)節(jié)電壓變化的頻率，則可以看到一個(gè)光點(diǎn)在做變速移動(dòng).

問(wèn)題3：同理僅在x方向加如圖4(a)所示偏轉(zhuǎn)電壓，熒光屏上的偏移量隨時(shí)間如何變化？熒光屏上將看到什么現(xiàn)象？

在前面問(wèn)題的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以畫出偏移量隨時(shí)間的變化圖像如圖4(b)所示，經(jīng)驗(yàn)證，熒光屏上確實(shí)顯示一條水平亮線.

圖4 問(wèn)題3圖

問(wèn)題4：通過(guò)前面的分析，我們發(fā)現(xiàn)不管偏轉(zhuǎn)電壓隨時(shí)間如何變化，示波器顯示的圖像都與電壓隨時(shí)間變化的圖像不一樣，如何讓示波器顯示電壓隨時(shí)間變化的圖像呢？

這個(gè)問(wèn)題是本節(jié)課的一大難點(diǎn)，教師通過(guò)借鑒“思維可視化”方法[4]，利用板畫結(jié)合理論推導(dǎo)以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩種手段加以突破.板書內(nèi)容如圖5所示.

圖5 板書內(nèi)容

理論推導(dǎo)過(guò)程：由式(1)可知，y與Uy成正比，所以Uy-t圖像與y-t圖像變化規(guī)律一致，如圖5(a)、(b)所示.但熒光屏上看到的圖像[圖5(c)]其實(shí)是y-x圖像，只要y-x圖像[圖5(e)]與y-t圖像[圖5(b)]變化規(guī)律一致，則Uy-t圖像[圖5(a)]就與y-x圖像[圖5(e)]變化規(guī)律一致，熒光屏上看到的圖像將反映待研究信號(hào)Uy隨時(shí)間變化的規(guī)律.

問(wèn)題5：y-x圖像什么情況下與y-t圖像變化規(guī)律一致？為此x方向應(yīng)加怎樣的偏轉(zhuǎn)電壓？

在前面分析的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以推理得出：當(dāng)x與t成正比[圖5(d)]時(shí)，光點(diǎn)沿x方向做勻速移動(dòng).圖5(e)將與圖5(b)一樣，由式(1)可知，x與Ux也成正比，所以x方向只要施加如圖5(c)的電壓，示波器就可以顯示電壓隨時(shí)間變化的圖像.

問(wèn)題6：如果施加這樣的電壓，實(shí)際上可行嗎？

學(xué)生論證后得出圖6(a)所示電壓，即掃描電壓.教師再結(jié)合圖6(b)的偏轉(zhuǎn)電壓信號(hào)，經(jīng)示波器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了圖6(c)的圖像.問(wèn)題4的難點(diǎn)被突破了.

圖6 問(wèn)題6圖

5 質(zhì)疑論證 培養(yǎng)質(zhì)疑意識(shí)

從提出問(wèn)題到解決問(wèn)題，質(zhì)疑論證充斥科學(xué)思維的每一個(gè)環(huán)節(jié).教學(xué)的效果是看學(xué)生懂了多少，而不是教師教了多少.課堂上生成的質(zhì)疑是良好的資源，教師在把控教學(xué)進(jìn)程的前提下，一定要充分利用學(xué)生的質(zhì)疑來(lái)達(dá)到教學(xué)目標(biāo).這既可以活躍學(xué)生的思維，也能夠有效提升教學(xué)效果.

在本節(jié)課中，各個(gè)環(huán)節(jié)都存在著質(zhì)疑的身影，如電子重力的影響為什么可以忽略？示波器顯示的電壓圖像為什么是一條豎線？變化的電壓對(duì)粒子的偏轉(zhuǎn)到底有什么影響？有些問(wèn)題甚至至關(guān)重要，如“帶電粒子在時(shí)刻變化的偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中是否依然做類平拋運(yùn)動(dòng)”？如果不做類平拋運(yùn)動(dòng)，則前文的很多工作都失去了意義.

教師面對(duì)課堂質(zhì)疑，首先要肯定學(xué)生的質(zhì)疑精神，然后要確實(shí)有效地解決疑問(wèn).如通過(guò)計(jì)算帶電粒子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中的時(shí)間與電壓變化周期相比，來(lái)說(shuō)明電壓變化可忽略.

6 探究想象 培養(yǎng)抽象思維

從形象思維到抽象思維，想象力起到了重要的作用，高中物理的很多情境和模型肉眼都不可見(jiàn)，這時(shí)候想象力的重要性就凸顯出來(lái).

本節(jié)課的一大難點(diǎn)是明確掃描電壓與偏轉(zhuǎn)電壓的周期關(guān)系.教師可以讓學(xué)生在腦海中搭建一個(gè)三維模型，想象著電子在偏轉(zhuǎn)電壓和掃描電壓共同作用下的軌跡，并布置學(xué)生思考幾種周期關(guān)系下的圖形，最后利用示波器加以驗(yàn)證.

想象，既是一種思考的方法，也是培養(yǎng)學(xué)生思維能力的重要手段.

7 思維復(fù)盤 內(nèi)化思維素養(yǎng)

核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，也可以說(shuō)是一項(xiàng)工程.學(xué)生當(dāng)下掌握的，往往偏向于結(jié)論性的知識(shí)，真正要內(nèi)化為自己的素養(yǎng)，需要不斷地在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行滲透活動(dòng).教師可以讓學(xué)生回顧一節(jié)課的整個(gè)流程，以此體會(huì)思維是如何展開(kāi)工作并解決問(wèn)題的.如本節(jié)課中，從現(xiàn)象出發(fā)，歷經(jīng)了解、建模、推理、質(zhì)疑、論證、想象等過(guò)程，最終深刻理解了示波器的成像原理.

8 結(jié)束語(yǔ)

物理核心素養(yǎng)的提升是一個(gè)長(zhǎng)效過(guò)程，需要教師有正確的理念去指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐.教師不僅需要制定基于核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，還需要有效地達(dá)成目標(biāo)，從而使學(xué)生逐步形成適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展的必備品格和關(guān)鍵能力.教師若能了解學(xué)生已有儲(chǔ)備，明確學(xué)生最近發(fā)展區(qū)，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，確定在提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)中教師的地位、作用，充分發(fā)揮學(xué)生主體性，必將有利于物理核心素養(yǎng)的有效提升.