“學(xué)習(xí)”進(jìn)階視域下凸顯科學(xué)思維的探究性教學(xué)設(shè)計(jì)

黃佳

摘 ? 要：根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，構(gòu)建凸顯科學(xué)思維的學(xué)習(xí)進(jìn)階鏈，一步步進(jìn)階，由現(xiàn)象到本質(zhì)，由低階到高階，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，逐步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)核心概念的理解和運(yùn)用，從而發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。文章以學(xué)習(xí)進(jìn)階理論構(gòu)建了學(xué)習(xí)進(jìn)階思維鏈，解決了“楞次定律”探究過程中科學(xué)思維缺失的問題。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進(jìn)階;科學(xué)思維;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）10-0032-5

1 ? ?學(xué)習(xí)進(jìn)階理論

學(xué)習(xí)進(jìn)階是描述學(xué)生在學(xué)習(xí)某一核心概念時(shí)，具體思考、習(xí)得的路徑。利用學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，教師可以了解學(xué)生的思維發(fā)展，制訂有效的學(xué)習(xí)進(jìn)階鏈，從而進(jìn)行有效教學(xué)。根據(jù)層級(jí)復(fù)雜度和知識(shí)整合等認(rèn)知理論，構(gòu)建學(xué)習(xí)進(jìn)階的發(fā)展層級(jí)模型，見表1[1]。

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論應(yīng)用于課堂教學(xué)過程中，圍繞某一核心概念或核心知識(shí)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，力圖在課堂教學(xué)中呈現(xiàn)核心概念或者核心知識(shí)的連貫一致、循序漸進(jìn)。整個(gè)教學(xué)過程的起點(diǎn)為學(xué)生課前具備的水平，通常表現(xiàn)為對(duì)核心概念或者核心知識(shí)的先前理解。學(xué)習(xí)進(jìn)階的終點(diǎn)為期望學(xué)生達(dá)成的水平，由培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)決定?？茖W(xué)思維在學(xué)習(xí)進(jìn)階的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的過程，也是高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要素之一，其本質(zhì)包含情境轉(zhuǎn)換、現(xiàn)象分析、證據(jù)意識(shí)、質(zhì)疑創(chuàng)新等方面。發(fā)展科學(xué)思維是指學(xué)生在研究物理問題時(shí)運(yùn)用科學(xué)的思想與方法，對(duì)問題所給的已知信息進(jìn)行加工，最終獲得新知識(shí)的思考過程。教學(xué)過程中應(yīng)注重科學(xué)思維，認(rèn)識(shí)到知識(shí)、概念是學(xué)習(xí)活動(dòng)的載體而非目標(biāo)，其目標(biāo)在于能夠找到認(rèn)識(shí)和研究自己所處世界的科學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的提升[2]。

2 ? ?基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論例析“楞次定律”教學(xué)設(shè)計(jì)

以“楞次定律”教學(xué)為例，課堂教學(xué)的重點(diǎn)是通過實(shí)驗(yàn)探究得出楞次定律。在探究過程中，如何引入感應(yīng)電流產(chǎn)生感生磁場(chǎng)顯得尤為關(guān)鍵。教學(xué)過程中如果未處理好這個(gè)環(huán)節(jié)，探究就會(huì)變成“假探究”，學(xué)生的科學(xué)思維得不到深層次的發(fā)展。筆者通過大量的課例分析、文獻(xiàn)閱讀，歸納出三種典型的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。

案例1：基于人教版高中物理選修3-2中的實(shí)驗(yàn)探究所組織的教學(xué)設(shè)計(jì)。

圖1中的實(shí)驗(yàn)裝置即為演示產(chǎn)生感應(yīng)電流條件的實(shí)驗(yàn)裝置，在探究感應(yīng)電流方向的過程中，引導(dǎo)學(xué)生填寫實(shí)驗(yàn)記錄卡（見表2）。通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，引導(dǎo)學(xué)生完成對(duì)楞次定律的探究。

評(píng)析：科學(xué)思維的缺失和思維進(jìn)階的跳躍導(dǎo)致了教學(xué)過程淪為“假探究”。

觀察表2中的實(shí)驗(yàn)記錄后發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)電流的方向與原磁場(chǎng)方向和通過閉合回路的磁通量都無關(guān)時(shí)，如何引導(dǎo)學(xué)生的思維進(jìn)入下一層級(jí)就尤為重要。這正是案例1中的“思維跳躍”——直接引導(dǎo)學(xué)生探究感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與原磁通量變化間的關(guān)系，讓探究淪為“假探究”，學(xué)生的思維在課堂上也得不到應(yīng)有的發(fā)展（如圖2）。

案例2：基于滬教版高中物理選修3-2中的實(shí)驗(yàn)探究所組織的教學(xué)設(shè)計(jì)。

利用圖3中的實(shí)驗(yàn)裝置，通過觀察磁鐵與閉合鋁環(huán)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來探究感應(yīng)電流的方向。從閉合鋁環(huán)的受力情況出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生分析感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向和閉合鋁環(huán)的極性，繼而完成對(duì)楞次定律的探究。

評(píng)析：科學(xué)思維起點(diǎn)定位的偏差和思維進(jìn)階的因果順序?qū)е铝私虒W(xué)過程變?yōu)椤凹偬骄俊薄?/p>

從圖4中展示的案例2的思維進(jìn)階圖中可以看出，該教學(xué)設(shè)計(jì)中的實(shí)驗(yàn)探究解釋了如何引導(dǎo)學(xué)生去研究感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向。但是，實(shí)驗(yàn)探究過程“因果倒置”，相當(dāng)于從結(jié)果出發(fā)逆向推導(dǎo)出楞次定律。這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)缺乏思維的邏輯順序，學(xué)生不知為何要從受力角度研究，致使與學(xué)生的思維起點(diǎn)沖突。

案例3：綜合案例1和案例2的組合教學(xué)設(shè)計(jì)。

楞次定律的組合教學(xué)設(shè)計(jì)分成兩個(gè)探究過程，案例1探究了影響感應(yīng)電流方向的直接因素，即原磁場(chǎng)方向和穿過閉合回路磁通量的變化。案例2中從受力的角度引入感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向，從而完成對(duì)楞次定律的探究。

評(píng)析：科學(xué)思維的不連貫性導(dǎo)致探究過程缺乏深度。

從圖5中展示的案例3的思維進(jìn)階圖中可以看出，該教學(xué)設(shè)計(jì)的探究過程充分地避免了前兩種案例中“假探究”的因素，又兼顧了思維過程的邏輯性。但是，從思維進(jìn)階圖中可清晰地看出，學(xué)生的物理思維過程并不是連貫、層層遞進(jìn)的。

筆者按照感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件，從思維的邏輯角度分析，探究過程應(yīng)該按照過程1進(jìn)行。當(dāng)科學(xué)探究遇到困難時(shí)，我們是另辟蹊徑地尋找有利于課堂教學(xué)的方法，還是引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繼續(xù)研究。筆者認(rèn)為，前者的探究過程是沿著教師預(yù)設(shè)的軌跡在進(jìn)行，而后者更加有利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。

3 ? ?基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的“楞次定律”創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 ? ?思維的起點(diǎn)

學(xué)生思維的起點(diǎn)對(duì)于學(xué)習(xí)進(jìn)階鏈至關(guān)重要。學(xué)生剛剛學(xué)習(xí)了感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件是磁通量的變化，那么探究感應(yīng)電流方向的思維起點(diǎn)是尋找和磁通量變化之間的關(guān)系。

但是，這樣的思維起點(diǎn)對(duì)于剛剛接觸電磁感應(yīng)的學(xué)生而言顯得有點(diǎn)高，那么把高起點(diǎn)逐層分解，讓學(xué)生更容易地進(jìn)行科學(xué)探究，也更有利于思維的培養(yǎng)。

思維起點(diǎn)層級(jí)1：感應(yīng)電流方向和原磁場(chǎng)方向的關(guān)系。

分析：感應(yīng)電流的產(chǎn)生與原磁場(chǎng)的變化有關(guān)，因此學(xué)生的第一反應(yīng)大都是研究感應(yīng)電流方向與原磁場(chǎng)方向的關(guān)系。根據(jù)表2記錄可知，兩者無直接關(guān)系。

思維起點(diǎn)層級(jí)2：感應(yīng)電流方向和原磁場(chǎng)大?。丛艌?chǎng)運(yùn)動(dòng)方向）的關(guān)系。

分析：探究實(shí)驗(yàn)中用原磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向體現(xiàn)穿過感應(yīng)線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。由表2可知，感應(yīng)電流的方向與原磁場(chǎng)大小無直接關(guān)系。

思維起點(diǎn)層級(jí)3：感應(yīng)電流方向和原磁場(chǎng)磁通量（原磁場(chǎng)大小、方向的共同作用）的關(guān)系。

分析：根據(jù)表2中記錄的現(xiàn)象可知，感應(yīng)電流的方向與原磁通量無直接關(guān)系。

思維起點(diǎn)層級(jí)4：感應(yīng)電流方向和原磁場(chǎng)磁通量變化間的關(guān)系。

分析：根據(jù)表2中記錄的現(xiàn)象可知，感應(yīng)電流的方向與原磁通量的變化無直接關(guān)系。

3.2 ? ?思維的進(jìn)階

在得出感應(yīng)電流方向和原磁場(chǎng)和原磁通量之間沒有直接關(guān)系的結(jié)論后，引導(dǎo)學(xué)生探究感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)、原磁通量之間的關(guān)系即為科學(xué)思維進(jìn)階的重點(diǎn)，由此便可破解案例1中的“假探究”問題。

進(jìn)階思維層級(jí)1：分析相同感應(yīng)電流的方向所對(duì)應(yīng)的兩種磁通量變化的共同點(diǎn)。

以實(shí)驗(yàn)1中產(chǎn)生順時(shí)針的感應(yīng)電流為例，對(duì)應(yīng)的兩種情況的原磁通量變化情況為：通過感應(yīng)線圈的磁通量向下減小和通過感應(yīng)線圈的磁通量向上增大。

類比聯(lián)想：如果一個(gè)力做負(fù)功，也可表述為受力物體克服這個(gè)力做了正功。引導(dǎo)學(xué)生以感應(yīng)線圈為研究對(duì)象，分析可得磁通量向下減小和磁通量向上增大的本質(zhì)是相同的。由此可得，產(chǎn)生相同感應(yīng)電流方向所對(duì)應(yīng)的磁通量的變化情況是相同的。

到這一階段，已經(jīng)很接近實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果了，只是還沒有辦法通過更加具有普適性的文字來描述感應(yīng)電流的方向和磁通量變化之間的關(guān)系。

進(jìn)階思維層級(jí)2：分析相同的感應(yīng)電流方向是否還包含了其他隱形的信息。

原磁通量的兩種變化形式實(shí)則表明了相同的磁通量變化，形成相同的感應(yīng)電流方向。

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入的思維探究，感應(yīng)電流的方向還決定了感應(yīng)線圈所形成的磁場(chǎng)方向，意味著感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也是相同的。這樣的科學(xué)思維過程正是案例1中所缺少的必要環(huán)節(jié)，也是鍛煉學(xué)生思維的一個(gè)最重要環(huán)節(jié)。

進(jìn)階思維層級(jí)3：分析感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與原磁通量變化之間的關(guān)系。

引導(dǎo)學(xué)生分析得出結(jié)論：感應(yīng)電流的方向與原磁通量的變化有關(guān)，具體表現(xiàn)為感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是阻礙原磁通量的變化。這就是隱含在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象下的物理規(guī)律。

3.3 ? ?創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

理論探究完成了對(duì)學(xué)生思維的鍛煉，得到了楞次定律的內(nèi)容。筆者設(shè)計(jì)了創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生感受感應(yīng)電流磁場(chǎng)的存在，驗(yàn)證感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向，并體會(huì)阻礙的相互作用。

圖3所示的滬教版實(shí)驗(yàn)裝置能清晰地反映楞次定律中阻礙的作用，但不能把鋁環(huán)中的電流方向展示出來。筆者在此基礎(chǔ)上結(jié)合圖1所示的人教版中的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。準(zhǔn)備兩個(gè)獨(dú)立的100匝線圈，一個(gè)線圈中順時(shí)針安裝一個(gè)紅色LED燈，另一個(gè)線圈中逆時(shí)針安裝一個(gè)綠色LED燈，兩個(gè)線圈獨(dú)立、并排捆綁在一起，再將其固定在一個(gè)輕質(zhì)小車上，如圖6所示。

分別將磁體N極、S極快速插入、拔出小車上的線圈，記錄小車的運(yùn)動(dòng)情況及LED燈的發(fā)光情況，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表3。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證層級(jí)1：感應(yīng)電流的方向與原磁通量之間的關(guān)系。

由表3中記錄的LED燈發(fā)光情況可知，感應(yīng)電流的方向與原磁通量無關(guān)。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證層級(jí)2：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁通量之間的關(guān)系。

從表3記錄的小車運(yùn)動(dòng)情況得到感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向，引導(dǎo)學(xué)生分析得出感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁通量無關(guān)。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證層級(jí)3：感應(yīng)電流的方向與原磁通量的變化之間的關(guān)系。

根據(jù)表3中實(shí)驗(yàn)的記錄，引導(dǎo)學(xué)生分析得出結(jié)論：感應(yīng)電流的方向與原磁通量的變化有關(guān)，具體表現(xiàn)為感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是阻礙原磁通量的變化，即為楞次定律。

3.4 ? ?思維的終點(diǎn)

通過物理學(xué)史，讓學(xué)生明白科學(xué)規(guī)律是經(jīng)過科學(xué)家們大量的實(shí)驗(yàn)探究才能得出的。

4 ? ?總結(jié)與思考

基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的“楞次定律”教學(xué)設(shè)計(jì)，以學(xué)生的元認(rèn)知為教學(xué)起點(diǎn)，以學(xué)生對(duì)核心概念的思維過程為教學(xué)路徑，以學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的層層建構(gòu)為教學(xué)目標(biāo)，使學(xué)生在課堂教學(xué)的思維進(jìn)階鏈中發(fā)展了思維并鍛煉了能力。本教學(xué)設(shè)計(jì)解決了楞次定律探究過程中對(duì)于感應(yīng)電流磁場(chǎng)引入問題的諸多疑問，解決了基于從感應(yīng)線圈受力進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計(jì)中的思維倒置問題，設(shè)計(jì)了思維進(jìn)階鏈讓學(xué)生的課堂探究能連貫、深入、自然地進(jìn)行，希望筆者的思考能夠給一線教師帶來一點(diǎn)幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭玉英，姚建欣. 基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)[J]. 課程·教材·教法，2016，36（11）：64-70.

[2]徐衛(wèi)華. 發(fā)展“科學(xué)思維”素養(yǎng)的探索與思考——以“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”教學(xué)為例[J]. 物理教師，2019，40（10）：8-11.

（欄目編輯 ? ?鄧 ? 磊）