項(xiàng)目式學(xué)習(xí)助力發(fā)展物理高階思維的探索
——以初中物理?xiàng)l形磁鐵磁場(chǎng)分布的教學(xué)為例

廖 燕

(廈門市第十一中學(xué)，福建廈門，361004)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)(Project Based Learning)也稱任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法或行為引導(dǎo)教學(xué)法，是指學(xué)生通過完成某一項(xiàng)特定的任務(wù)，在動(dòng)手、動(dòng)腦的實(shí)踐體驗(yàn)過程中，經(jīng)歷構(gòu)建、內(nèi)化、吸收、探索、創(chuàng)新等復(fù)雜認(rèn)知，從而獲得較為完整而具體的知識(shí)，培養(yǎng)習(xí)慣，發(fā)展技能，并學(xué)會(huì)合作。[1-2]項(xiàng)目式學(xué)習(xí)體現(xiàn)了互動(dòng)式、啟發(fā)式、體驗(yàn)式、探究式的教學(xué)方法，一般包括項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施和項(xiàng)目評(píng)價(jià)四大環(huán)節(jié)。在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)符合核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的教與學(xué)，是當(dāng)前眾多學(xué)習(xí)方式中較為被推崇的一種。滬科版九年級(jí)物理磁學(xué)開篇第一節(jié)“磁是什么”，包含了磁極、磁化、磁場(chǎng)的內(nèi)容，以其中條形磁鐵磁場(chǎng)分布的教學(xué)為例，恰當(dāng)、合理地導(dǎo)入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)方式，可以培養(yǎng)以學(xué)生高層次認(rèn)知水平為主的綜合能力，發(fā)展學(xué)生的物理高階思維能力。

一、真實(shí)情境，引發(fā)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

在認(rèn)識(shí)磁現(xiàn)象的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)完成磁性、磁極及相互作用、磁化的知識(shí)儲(chǔ)備，為條形磁鐵磁場(chǎng)分布的學(xué)習(xí)奠定了學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。教師演示小魔術(shù)“受意念控制的湯勺”，學(xué)生通過觀察湯勺的運(yùn)動(dòng)，揭秘湯勺是受到磁鐵吸引，并意識(shí)到即使沒有直接接觸，條形磁鐵也能對(duì)湯勺產(chǎn)生吸引力，因?yàn)闂l形磁鐵周圍存在著磁場(chǎng)，相互作用是通過磁場(chǎng)產(chǎn)生的。教師繼續(xù)提出驅(qū)動(dòng)問題：“條形磁鐵周圍的磁場(chǎng)摸不著、看不見，是什么樣的？怎樣做才能把抽象的磁場(chǎng)具體表現(xiàn)出來？”這一學(xué)習(xí)項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng)任務(wù)貼近學(xué)生生活，符合學(xué)生的認(rèn)知水平，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

二、交流討論，優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)

在明確驅(qū)動(dòng)任務(wù)后，學(xué)生根據(jù)已有的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。此過程是培養(yǎng)學(xué)生分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造高階思維的關(guān)鍵，可以用一組問題引導(dǎo)過程的推進(jìn)。

問題1：表現(xiàn)條形磁鐵周圍的磁場(chǎng)，選擇什么物品？

要解決這個(gè)問題，學(xué)生必須選擇合適的物品把分布的磁場(chǎng)外化出來。通過討論，學(xué)生明白了應(yīng)選擇鐵、鈷、鎳等鐵磁性物質(zhì)組成的物品，如回形針、鐵釘、小磁針等，因?yàn)殍F磁性物質(zhì)被磁化后與條形磁鐵發(fā)生相互作用，就能表現(xiàn)磁場(chǎng)。通過解決這個(gè)問題，學(xué)生不僅能將學(xué)過的磁化知識(shí)聯(lián)系起來，還能經(jīng)歷辨別、選擇、區(qū)分和聚焦的過程，分析確定哪些信息是相關(guān)信息，并將相關(guān)信息和無關(guān)信息區(qū)分開來。

問題2：如何利用鐵磁性物品簡(jiǎn)單表現(xiàn)磁場(chǎng)？

大多數(shù)學(xué)生的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如圖1所示，教師引導(dǎo)學(xué)生分析、評(píng)價(jià)其優(yōu)缺點(diǎn)。圖1的實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，可視性效果好，但大頭針的數(shù)量只能說明磁性強(qiáng)弱，無法說明磁場(chǎng)具體分布的情況。這一分析再次引發(fā)學(xué)生思考和設(shè)計(jì)。

圖1 學(xué)生實(shí)驗(yàn)1

問題3：如何較好地表現(xiàn)磁鐵磁場(chǎng)分布？

根據(jù)交流討論，學(xué)生在吸收他人經(jīng)驗(yàn)和反思設(shè)計(jì)缺陷的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，如圖2、圖3所示。交流展示時(shí)，學(xué)生試圖尋找磁場(chǎng)分布的規(guī)律，大膽畫出了一些“線條”。然而也發(fā)現(xiàn)距離較遠(yuǎn)的個(gè)別小磁針由于受到磁場(chǎng)作用較弱和偏轉(zhuǎn)不靈敏，偏轉(zhuǎn)異常。于是設(shè)計(jì)了圖4的實(shí)驗(yàn)，在玻璃板上噴灑小鐵屑，替代小磁針。當(dāng)鐵屑磁化后，在玻璃板上出現(xiàn)了直觀、清晰的若干“線條”，恰與圖4畫出的磁場(chǎng)“線條”吻合，從而得到驗(yàn)證。教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生思考，圖4的“線條”分布只表現(xiàn)了某方向平面的磁場(chǎng)，仍然存在實(shí)驗(yàn)缺陷。

圖2 學(xué)生實(shí)驗(yàn)3

圖3 學(xué)生實(shí)驗(yàn)4

圖4 學(xué)生實(shí)驗(yàn)5

問題4：所有的磁感線通過條形磁鐵內(nèi)部，應(yīng)該是磁感線最密集的地方，為什么條形磁鐵中部反而磁場(chǎng)最弱呢？

磁感線是人們用來描述和研究磁場(chǎng)而假想引入的模型，其疏密程度代表磁場(chǎng)強(qiáng)弱，磁極是磁場(chǎng)最強(qiáng)的地方。此問題是少數(shù)善于思考的學(xué)生經(jīng)常疑惑的問題，需要在自學(xué)相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上運(yùn)用綜合知識(shí)來解決，是培養(yǎng)高階思維的重要機(jī)會(huì)。自學(xué)內(nèi)容涉及安培分子電流假說：從微觀角度分析組成物質(zhì)的原子、分子或分子團(tuán)等物質(zhì)，其微粒內(nèi)部存在著一種環(huán)形電流，即分子電流(安培電流)。每個(gè)物質(zhì)微粒因?yàn)榉肿与娏鞫夹纬闪艘粋€(gè)微小的磁體，即磁分子(圖5甲)，其兩側(cè)相當(dāng)于兩個(gè)磁極。未被磁化時(shí)，每個(gè)磁分子的磁場(chǎng)方向非常紊亂，對(duì)外不顯磁性(圖5乙)。一旦磁化，每個(gè)磁分子的磁場(chǎng)方向變得幾乎相同，由于磁性疊加因此對(duì)外顯示出磁性(圖5丙)，從外部看就有了磁體的兩個(gè)磁極(圖5丁)。

圖5 物體磁分子示意圖

環(huán)形電流的磁場(chǎng)在空間中的分布情況如圖6甲所示。來自兩個(gè)磁極的磁場(chǎng)在中點(diǎn)交匯，好似產(chǎn)生了一條磁極分界線，內(nèi)部磁場(chǎng)在此處是最強(qiáng)的，其相鄰部分的磁場(chǎng)隨距離的增加而逐漸減弱。由于環(huán)形電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)均處于磁體內(nèi)部，因此不會(huì)對(duì)外部的鐵磁性物質(zhì)表現(xiàn)出作用力。在環(huán)形電流的內(nèi)部磁場(chǎng)中，磁感線同電流一樣，傾向于沿著阻力最小的路線行走。由于磁體中間處的磁矩排列最整齊，磁感線沿著磁場(chǎng)行走遭遇的阻力最小，因此也就不會(huì)溢出多余的磁感線，如圖6乙所示。在這種情況下，磁體對(duì)外的表現(xiàn)為幾乎沒有磁性。反之，兩個(gè)磁極溢出的磁感線最多，也就對(duì)外表現(xiàn)出較強(qiáng)的磁性。當(dāng)磁感線從磁體中溢出時(shí)，就會(huì)對(duì)鐵磁性物質(zhì)產(chǎn)生吸引力。

圖6 環(huán)形電流的磁場(chǎng)分布

從解決的問題來看，問題1和問題2更多的是培養(yǎng)學(xué)生的分析和理解能力，即能對(duì)物品分類并能說明原因。問題3需要學(xué)生分析如何更好地表現(xiàn)磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，區(qū)別多種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確歸因存在的問題，評(píng)價(jià)優(yōu)缺點(diǎn)，并不斷調(diào)整計(jì)劃設(shè)計(jì)，再次組織實(shí)驗(yàn)，通過檢查和驗(yàn)證生成學(xué)習(xí)成果，建構(gòu)出條形磁鐵磁場(chǎng)分布的空間概念。問題4是少數(shù)學(xué)習(xí)和探究能力突出且有濃厚興趣的學(xué)生提出的較高水平的疑問。教師在備課中要對(duì)問題4進(jìn)行教學(xué)預(yù)設(shè)，儲(chǔ)備一定的學(xué)習(xí)資源，為學(xué)生高階學(xué)習(xí)發(fā)展搭建合適的腳手架。教師要引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)相關(guān)知識(shí)，并借助已儲(chǔ)備的知識(shí)和能力，向未知的知識(shí)領(lǐng)域進(jìn)行探索和學(xué)習(xí)，拓寬此問題的認(rèn)知領(lǐng)域，生成代表較高思維和能力水平的學(xué)習(xí)成果。從問題1到問題4的教學(xué)過程中可以看出，無論是從常規(guī)問題到開放問題，還是從基礎(chǔ)問題到較難問題的解決，都呈現(xiàn)出對(duì)物理高階思維能力的培養(yǎng)。

三、構(gòu)建框架，推進(jìn)項(xiàng)目實(shí)施

首先，教師要請(qǐng)學(xué)生展示常見物品設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物品進(jìn)行分類，初步建立實(shí)驗(yàn)物品的選擇決定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)效果的認(rèn)識(shí)；然后，要求學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計(jì)展現(xiàn)磁場(chǎng)、交流評(píng)價(jià)，經(jīng)歷根據(jù)任務(wù)、反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)并實(shí)施的過程，建立磁場(chǎng)是空間立體分布的概念，并為后續(xù)磁感線的教學(xué)奠定基礎(chǔ)。

杜威認(rèn)為，思維一定是由“難題和疑問”或“一些困惑混淆或懷疑”引發(fā)的[3]，這種“不憤不啟，不悱不發(fā)”最適合高階思維能力的培養(yǎng)。所以，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中所涉及的開放性、挑戰(zhàn)性、層次性問題的解決，在真實(shí)的情境中促進(jìn)理論聯(lián)系實(shí)際，在手腦并用中實(shí)現(xiàn)自我意義的建構(gòu)，突顯了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)助力發(fā)展物理高階思維能力的優(yōu)勢(shì)，具有推廣性。