高中物理課堂中培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑能力的教學(xué)研究*
——物理場問題中質(zhì)疑方法的應(yīng)用與分析

邱士慶

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500;張家界市第一中學(xué) 湖南 張家界 427000)

彭朝陽

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

1 引言

中學(xué)物理教學(xué)核心素養(yǎng)簡要概括為4個方面：物理觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.其中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的要求就包含了對學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)，這對學(xué)生自主認(rèn)識客觀世界和發(fā)現(xiàn)新事物的能力發(fā)展尤為重要.

心理學(xué)研究表明，意識到問題的存在是思維的起點，沒有問題的思維是膚淺、被動的思維，學(xué)生沒有問題本身就是大問題[1].人的發(fā)現(xiàn)過程應(yīng)從思考開始，通過思考打破原有的模式，建立新的模式即為創(chuàng)新.正如曾經(jīng)的牛頓思考了蘋果下落的過程，發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，而思考的萌芽又應(yīng)從質(zhì)疑開始.

2 物理場教學(xué)中的問題分析

凡涉及物理場(包括電場、磁場、重力場等)的相關(guān)問題都可稱之為場問題，高中物理中的場問題是物理學(xué)習(xí)中相當(dāng)重要的一部分.由于場概念的抽象性，一直以來學(xué)生對場問題的學(xué)習(xí)顯得乏力甚至難于下手解決.主要有兩個表現(xiàn)：第一由于目標(biāo)單一，學(xué)生只求得出結(jié)果而不深入探討,教師在講解時盡可能把抽象問題具體化等原因，使學(xué)生放棄了思考問題的本質(zhì).第二由于缺乏質(zhì)疑，學(xué)習(xí)者為解決問題而解決問題,易于放棄對問題提出更多的疑問，學(xué)習(xí)過程只是單方面接受正確過程和結(jié)果.沒有了質(zhì)疑也就沒有了發(fā)現(xiàn)探求真理的動力，不利于對物理問題深入理解和持久學(xué)習(xí).

為解決以上教學(xué)中存在的問題，教師應(yīng)在日常教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)生質(zhì)疑方法的認(rèn)識，在方法的指導(dǎo)下，有針對性地提出質(zhì)疑，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，以提高學(xué)生解決問題、認(rèn)識事物的成效.下面就以具體地解決物理場問題為例，分析應(yīng)用高中物理教學(xué)中常見的培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑能力的方法.

3 質(zhì)疑的不同方式及應(yīng)用分析

質(zhì)疑就是要多問幾個為什么，便于打開思路.質(zhì)疑的方法有很多，在不同的研究范圍內(nèi)或多或少存在問題與問題之間的聯(lián)系，找到建構(gòu)這種聯(lián)系的方式也就找到了質(zhì)疑方法[2].

結(jié)合實際質(zhì)疑方法可歸納為如下幾種典型情況，如圖1所示.

圖1 典型的質(zhì)疑方法導(dǎo)圖

3.1 因果式質(zhì)疑——“為什么會這樣?”

因果式質(zhì)疑是一種由因果聯(lián)系構(gòu)建的質(zhì)疑方法，提出的問題往往是尋求研究結(jié)果的原因，或者由事件發(fā)展趨勢會形成各種可能的結(jié)果.任何事件的發(fā)生都會存在一定的因果聯(lián)系.

【例1】如圖2所示，一矩形電阻線框abcd自由下落，當(dāng)它垂直穿過下方一個平行邊界勻強(qiáng)磁場上邊界時會如何運動(l

根據(jù)因果性引導(dǎo)學(xué)生提出質(zhì)疑：(1)矩形線框進(jìn)入磁場上邊界過程中運動情況是不是唯一的？產(chǎn)生不同運動情況的原因在哪里？(2)從線框下落開始依次會出現(xiàn)什么樣的相關(guān)聯(lián)的運動結(jié)果？

圖2 例1題圖

分析：從線框的下落高度開始就依次存在了一定的因果聯(lián)系，線框下落高度決定了進(jìn)入磁場的速度，速度大小也就決定了感應(yīng)電動勢的大小，感應(yīng)電動勢的大小決定了感應(yīng)電流的大小，感應(yīng)電流的大小決定線框所受安培力的大小，安培力大小就有可能大于、小于、等于重力，就會出現(xiàn)進(jìn)入磁場時不同的運動情況.其因果聯(lián)系如圖3所示.

圖3 下落過程中的因果聯(lián)系

繼續(xù)找因果關(guān)系并提出質(zhì)疑：(1)減速、加速的情況是一直減速或者一直加速嗎？不是，又會是怎樣？(2)原因是什么？(此問題又可引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)思考)

分析：若線框cd邊進(jìn)入后加速，說明安培力小于重力，但由于加速，速度增大安培力增大，使得安培力在l和d足夠大的情況下最終和重力相等，線框勻速.若l過短，安培力還沒有增加到和重力相等，線框就完全進(jìn)入磁場，此過程就是一直加速.(cd邊進(jìn)入磁場上邊界后減速情況與加速情況分析方法類似，這里不再贅述)

3.2 比較式質(zhì)疑——“為什么會不同或者相同?”

比較式質(zhì)疑是對兩件相近或相似的事物或現(xiàn)象進(jìn)行比較，從中找到異同，并能夠提出為什么出現(xiàn)差異的問題.或者兩個截然不同的事物之間卻出現(xiàn)相同的因素，從而提出出現(xiàn)此相同情況的問題.

【例2】變壓器原副線圈共用一個鐵芯，所以原副線圈中有相同變化的磁場，原副線圈中的交流電壓當(dāng)然就有相同的交變頻率.這樣的結(jié)論學(xué)生順理成章的就會認(rèn)為變壓器兩邊有相同的相位，相位差為零即同步的.

引導(dǎo)學(xué)生提出差異性質(zhì)疑：(1)真的是同步嗎？(2)如果不是同步那又是什么關(guān)系呢？

學(xué)生如果提出這樣的疑問就會促使他比較變壓器原副線圈兩邊交變電流的變化情況.畫出原副線圈中的電流隨時間變化的圖像進(jìn)行對比，如圖4所示.

(a)原線圈電流變化

(b)副線圈電流變化

分析：從圖4可以看出t1為原線圈電流最大的時刻，產(chǎn)生的磁場最強(qiáng)，但由于t1時刻電流變化率為零，不能形成感應(yīng)電動勢，所以在副線圈上不能形成電流，副線圈上t1時刻電流為零，由此可以看出原副線圈的電流盡管頻率相同，但并不是同步的，如圖4所示.

繼續(xù)提出質(zhì)疑：為什么出現(xiàn)不同步的問題并尋找原因.

分析：這是由于原副線圈上的電流變化一個是主動變化一個是被動變化.

3.3 逆向式質(zhì)疑——“倒過來會怎樣?”

逆向式質(zhì)疑是將過程反方向思考，看倒過來的情況是否發(fā)生變化，或者與原過程互為逆過程是否存在差異，通過逆向質(zhì)疑以達(dá)到深刻理解的目的.

【例3】如圖5所示，一條形磁鐵S極以一定速度逐漸靠近豎直懸掛線圈的過程中，線圈如何運動?由楞次定律的推論結(jié)果是向右.

引導(dǎo)學(xué)生反向提出質(zhì)疑：如果將磁鐵磁極倒過來，用N極靠近線圈結(jié)果會如何？

圖5 例3題圖

分析：由楞次定律可知，磁極倒過來后再靠近線圈仍然會使線圈中的磁通量增大，為阻礙磁通量增大，線圈仍然要向右運動.或者可以理解為楞次定律告訴我們磁鐵不管哪一端靠近線圈，其產(chǎn)生的感應(yīng)電流所受的安培力都是阻礙其相對運動，故還是向右.

繼續(xù)提出質(zhì)疑：磁鐵反向向左遠(yuǎn)離線圈運動，線圈會怎么樣運動？

分析：(在此質(zhì)疑下學(xué)生又會進(jìn)一步思考其運動情況)由楞次定律不難判斷，線圈為阻礙相對運動會和磁鐵同向向左運動.

3.4 發(fā)散式質(zhì)疑——“只能是這樣嗎?”

一個問題可以有多個結(jié)果，或者一個問題解決方法也可以有多種，發(fā)散質(zhì)疑就在于不拘泥于唯一的方案或結(jié)果，以求盡可能多的思路來發(fā)現(xiàn)和解決問題，這也是形成創(chuàng)造性思維的核心所在.

【例4】如圖6所示，一帶電小油滴在平行板電容器中保持靜止，當(dāng)改變板間距離小油滴將如何運動？

圖6 例4題圖

此題的限制條件不多，需進(jìn)行討論，所以小油滴如何運動還要看它所受的重力與電場力的大小關(guān)系.

針對此問題引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維提出相關(guān)質(zhì)疑：

(1)初始狀態(tài)靜止，小油滴帶何種電荷，說明什么？(若在開關(guān)閉合情況下，電荷帶負(fù)電，說明重力和電場力平衡)

(2)問題中是否給出兩極板接了電源？

(3)未給出是否接電源又應(yīng)分哪兩種情況進(jìn)行分析？

(4)在開關(guān)閉合或斷開時又應(yīng)分哪些情況進(jìn)行分析？

分析：如圖7所示.

圖7 開關(guān)通斷影響小油滴運動情況的發(fā)散分析

如果只研究問題所給出的結(jié)果，那么學(xué)生對問題的思考可能就此止步.若把問題再發(fā)散性地提出更多新質(zhì)疑，對學(xué)生的引導(dǎo)是有啟發(fā)性的.

繼續(xù)提出質(zhì)疑：

(1)電源的極性是否能倒置？

分析：由于問題條件已給出油滴開始為靜止，電場力方向必須豎直向上，所以只要油滴電性不變，電極板電性就已經(jīng)確定，電源極性不能倒置.

(2)兩極板左右錯開一些油滴會如何運動？

分析：兩極板左右錯開會使電容減小，由開關(guān)通斷又可提出兩項質(zhì)疑.

1)開關(guān)閉合時油滴如何運動？

分析：電容減小，電壓不變，板間距離不變，場強(qiáng)不變，油滴仍然受力平衡，保持靜止.

2)開關(guān)斷開時油滴如何運動?

分析：電容減小，極板上電荷量不變，由Q=CU可知電壓增大，板間距離d不變，再由U=Ed可知電場強(qiáng)度E也增大，電場力會增大并大于重力，油滴向上加速運動.

由此例可以看出，發(fā)散的程度越大，打開的思路就越開闊，只要不脫離主線，每一個質(zhì)疑都解決了，對問題的理解層次自然也就得到了提升.

4 小結(jié)

綜上所述，各種不同質(zhì)疑方法的應(yīng)用其根本上在于拓展學(xué)習(xí)思路，抓住各質(zhì)疑方法的特點切實引導(dǎo)學(xué)生盡可能多而全面地思考問題，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生善于運用質(zhì)疑方法分析解決問題的能力，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生自主深入研究分析物理問題的科學(xué)素養(yǎng).如表1所示為各質(zhì)疑方法特點小結(jié).

物理場問題的抽象性使其具備了運用質(zhì)疑方法的有利條件.在場問題的實際教學(xué)中教師有意識巧妙地設(shè)疑提問，引導(dǎo)學(xué)生去思考、去尋疑解疑，對發(fā)展學(xué)生的質(zhì)疑能力有很重要的作用[3].同時能啟發(fā)學(xué)生更多地思考以提高創(chuàng)新思維能力，這正是當(dāng)前物理教育形勢所需要的，也是形成核心素養(yǎng)價值觀所必不可少的因素.

表1 各質(zhì)疑方法的特點