構(gòu)建創(chuàng)新思維課堂培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)

劉冬梅 焦健生

[摘 ? 要]物理作為一門邏輯思維很強的學(xué)科，特別有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和學(xué)科核心素養(yǎng)。課堂是培養(yǎng)學(xué)生“創(chuàng)新思維”的主陣地，教師在課堂教學(xué)中應(yīng)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)出具有“創(chuàng)新思維”特點的情境，設(shè)計出具有“創(chuàng)新思維”導(dǎo)向的素材，并引導(dǎo)學(xué)生體驗具有“創(chuàng)新思維”元素的過程，從而構(gòu)建創(chuàng)新思維課堂，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]創(chuàng)新思維;學(xué)科核心素養(yǎng);模型構(gòu)建

[中圖分類號] ? ?G633.7 ? ? ? ?[文獻標(biāo)識碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號] ? ?1674-6058（2020）32-0042-03

我們知道，“科學(xué)思維”和“實驗探究”是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的兩個要素，其中“科學(xué)思維”包含了四個方面，即模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新，其中“模型建構(gòu)”是科學(xué)思維最基礎(chǔ)的活動，“科學(xué)推理”和“實驗探究”則是科學(xué)思維中的方法和行為，而“質(zhì)疑創(chuàng)新”是對不同觀點或結(jié)論的質(zhì)疑、批判。可見，科學(xué)思維和科學(xué)探究是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的必備方式和行為，更是學(xué)生形成物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。

物理作為一門邏輯思維很強的學(xué)科，特別有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和學(xué)科素養(yǎng)。課堂是培養(yǎng)學(xué)生“創(chuàng)新思維”的主陣地，教師應(yīng)在課堂教學(xué)中為學(xué)生創(chuàng)設(shè)出具有“創(chuàng)新思維”特點的情境，設(shè)計出具有“創(chuàng)新思維”導(dǎo)向的素材，引導(dǎo)學(xué)生體驗具有“創(chuàng)新思維”元素的過程，給學(xué)生以充分的發(fā)展和創(chuàng)造的空間，不失時機地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。下面以“交變電流的產(chǎn)生”拓展課為例，談?wù)勅绾螛?gòu)建創(chuàng)新思維課堂，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

這節(jié)拓展課是作者對人教版教材中“交變電流”一節(jié)內(nèi)容的拓展延伸，課堂教學(xué)的主要方式是“同中求異，異中求同，拓展遷移，融會貫通”，通過對物理情境的改造或變形，激活學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、基于教材中的物理模型，構(gòu)建新模型，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維意識

學(xué)生要有一定的創(chuàng)新思維能力，首先要有扎實的物理知識、分析和解決問題的基本能力。其次要有一定的物理模型建構(gòu)能力，再就是要有運用數(shù)學(xué)知識解決物理問題的能力。沒有一定量的相關(guān)知識、方法和能力，創(chuàng)新思維就猶如無源之水，創(chuàng)新就難以進行。

“交變電流”這節(jié)內(nèi)容是上一章“電磁感應(yīng)”知識的具體應(yīng)用。學(xué)生在上一章已經(jīng)學(xué)過了電磁感應(yīng)中楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律等相關(guān)知識，能夠判斷和計算交變電流的方向和大小，并且對感生電動勢和動生電動勢的生成本質(zhì)進行過區(qū)分，這為本節(jié)課的學(xué)習(xí)打下了一定的理論基礎(chǔ)。

教師在學(xué)生掌握了傳統(tǒng)發(fā)電方式的基礎(chǔ)上，大膽“創(chuàng)設(shè)”出“新的”發(fā)電方式，讓學(xué)生思考、探究和領(lǐng)悟創(chuàng)新思維的方法。

【教學(xué)片段1】

教師創(chuàng)設(shè)問題情境，要求學(xué)生回憶一下正弦式交流電是怎樣產(chǎn)生的，學(xué)生能夠從裝置和操作等方面回答這個問題，即將一個平面線圈置于勻強磁場中，并使其繞垂直于磁場方向的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動，這樣就能產(chǎn)生隨時間呈正弦規(guī)律變化的感應(yīng)電流，如圖1所示。

設(shè)置問題1.這種電流的產(chǎn)生，本質(zhì)上是對哪個物理規(guī)律的應(yīng)用？

生：是對法拉第電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用。

設(shè)置問題2.為什么會產(chǎn)生這種方向不斷變化的正弦式變化的電流？

生：是因為線圈的轉(zhuǎn)動，導(dǎo)體框的兩邊切割磁感線的方向發(fā)生變化，導(dǎo)致產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向發(fā)生變化。

其實這樣的回答是只看到了現(xiàn)象，還沒有抓到現(xiàn)象的本質(zhì)。教師引導(dǎo)學(xué)生進一步思考。

設(shè)置問題3.產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的條件是通過線圈的磁通量發(fā)生變化，那么產(chǎn)生正弦式交流電的線圈的磁通量隨時間又有怎樣的變化規(guī)律呢？學(xué)生分組討論。

學(xué)生通過討論能夠得出通過線圈的磁通量的變化規(guī)律（如圖2所示）。

此處學(xué)生在數(shù)學(xué)上如果有一定的微積分基礎(chǔ)，分析起來就更為方便。如果學(xué)生沒有微積分基礎(chǔ)，教師也可以通過引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想[Δφ-t]的圖像規(guī)律與[e-t]的圖像規(guī)律相一致，從而得出對應(yīng)的[φ-t] 圖像。再通過比對圖1進行驗證，加深對[φ-t] 圖像（因）與[e-t]圖像（果）之間的聯(lián)系，讓學(xué)生抽象出一般規(guī)律。

二、運用分析綜合、推理論證等方法，點燃創(chuàng)新性思維的火花

羅杰·馮·伊莊（美國）認為：“知識本身不會使一個人具有創(chuàng)造力。創(chuàng)造力的真正關(guān)鍵在于如何活用知識?；钣弥R和經(jīng)驗來尋找新點子、新創(chuàng)意，就是培養(yǎng)創(chuàng)造性思考所需的態(tài)度?！边@個觀點告訴我們，要培養(yǎng)一個人的創(chuàng)新思維，活學(xué)活用知識非常重要，活用的重要方式就是聯(lián)想和發(fā)散思維。

【教學(xué)片段2】

師：如果從正弦變化這個角度，你能用其他方法產(chǎn)生這樣的電流嗎？

這是個具有開放性的問題，問題既要求學(xué)生發(fā)散思維，又要求學(xué)生收斂思維，聚焦問題。問題提出后，可要求學(xué)生先自主設(shè)計，再小組討論。通過討論，形成如下方案。

方案一：若線圈大小不變，而垂直它的磁場磁感應(yīng)強度按正弦規(guī)律變化，[Bt=B0sin ωt]，則[ΔBΔt=B0ωcosωt]，穿過它的磁通量的變化率就按余弦規(guī)律變化，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，產(chǎn)生的就是正弦式交流電。

原理如圖3所示，A、B為兩個相同的環(huán)形線圈，共軸并靠近放置。A環(huán)中通有圖3中A所示的交流電i，A環(huán)產(chǎn)生正弦式變化磁場，B環(huán)處在A環(huán)的磁場中不動，有效面積不變，則B環(huán)中的磁通量也按照正弦規(guī)律變化，那么，B環(huán)中就會產(chǎn)生圖3中B形式的交流電。

方案二：在勻強磁場中，由[E=BLv]可知，若切割速度按正弦規(guī)律變化，[v=v0sin ωt]，則[e=BLv0sin ωt]，產(chǎn)生的就是正弦式交流電。可以創(chuàng)設(shè)如圖4所示的情境，水平固定放置的間距為L的兩根光滑平行的金屬導(dǎo)軌，導(dǎo)軌一端接阻值為R的電阻，整個裝置放在豎直向下的勻強磁場中，磁感應(yīng)強度為B，一電阻是r、質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒放在導(dǎo)軌上，棒在外力F作用下開始運動，其速度隨時間的變化規(guī)律是[v=v0sin ωt]，流經(jīng)電阻的也是正弦式交流電。

方案三：在勻強磁場中，由[E=BLv]可知，若導(dǎo)體棒的切割速度不變，切割的有效長度按正弦規(guī)律變化，則產(chǎn)生的也是正弦式交流電。

原理如圖5所示， x、y為兩相互垂直的光滑直導(dǎo)軌，水平放置在桌面上， MN為一正弦曲線型導(dǎo)軌，且與x、y軸導(dǎo)軌絕緣（足夠長），如果以x、y為坐標(biāo)軸，則正弦曲線的函數(shù)關(guān)系為[y=y0sin 2πx] ，導(dǎo)軌處于垂直于桌面的勻強磁場中（圖中是向下），磁感應(yīng)強度為B，一直導(dǎo)體棒從原點O開始在拉力的作用下以速度v向右勻速運動，且直導(dǎo)體棒與x軸導(dǎo)軌及曲線導(dǎo)軌接觸良好，在MN曲線導(dǎo)軌的左端a處接一電阻R和一理想電流表A，產(chǎn)生的也是正弦式交流電。

方案四：利用相對運動的思想，將圖1中的線圈固定不動，讓磁場繞著原來線圈的轉(zhuǎn)動軸做勻速轉(zhuǎn)動，也可產(chǎn)生正弦式交流電。

三、對不同觀點和結(jié)論進行評估和判斷，強化學(xué)生創(chuàng)新思維的成果

上述四種方案，通過思維發(fā)散，學(xué)生能得出四種產(chǎn)生正弦式交流電的方案，幾乎涵蓋了引起磁通量變化的各種方式。教師可以引導(dǎo)學(xué)生對這四種方案進行評估和判斷，從而強化創(chuàng)新思維的成果。

【教學(xué)片段3】

設(shè)置問題1.請大家對這4種方案進行評估和判斷，是否都能產(chǎn)生正弦式交流電。

生（研究和思考后）：可以。

學(xué)生對上述4種方案的評估和判斷過程，也是對同學(xué)提出的不同觀點和見解的再次思考和檢驗的過程，提升了思維的準(zhǔn)確性和批判性，這也為創(chuàng)新思維的培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。

設(shè)置問題2.這幾種方案之間又有什么共性和區(qū)別？你們能否再進行歸類整理成兩種類型？

生：方案二、方案三，是在勻強磁場中（即保持磁場的磁感應(yīng)強度恒定），通過改變線圈垂直于磁場方向的投影面積（即產(chǎn)生磁通量的有效面積），從而改變閉合回路中的磁通量，產(chǎn)生正弦式交流電。方案一和方案四是保持線圈垂直于磁場方向的投影面積（即產(chǎn)生磁通量的有效面積）不變，使磁感應(yīng)強度按時間做正弦規(guī)律變化，使得閉合回路中的磁通量也按照正弦規(guī)律變化，也產(chǎn)生了正弦式交流電。

四、回歸生活升華創(chuàng)造性思維的成果，培養(yǎng)學(xué)生提出創(chuàng)造性見解的能力

【教學(xué)片段4】

創(chuàng)造性思維的成果應(yīng)用于生產(chǎn)生活將其轉(zhuǎn)化成創(chuàng)造行為，才能將方案變?yōu)楝F(xiàn)實。

問題設(shè)置1.你對哪一種發(fā)電方案感興趣？談?wù)勀銓⑷绾螌崿F(xiàn)這種方案。

生1：我對方案二感興趣，可以通過電腦的編程實現(xiàn)對速度的自動化控制。

生2：我對方案一感興趣，只要有兩個比較靠近的線圈，就可以實現(xiàn)電流從一個線圈到另一個線圈的感應(yīng)。

生3：我對方案四感興趣，如果轉(zhuǎn)動磁場，就不需要讓線圈轉(zhuǎn)動，不會在滑環(huán)和電刷之間產(chǎn)生摩擦，損耗電能了。

……

發(fā)現(xiàn)在這個問題上，學(xué)生討論得最激烈，而且思考的角度也與我們實際生活中的案例逐漸貼近，例如生2提到的就是互感現(xiàn)象的應(yīng)用，也是變壓器工作原理的雛形。生3提到的旋轉(zhuǎn)磁場減少摩擦耗能就是旋轉(zhuǎn)磁極式交流發(fā)電機的優(yōu)勢。雖然學(xué)生不能很完備、很細致地考量，但通過設(shè)問的形式激發(fā)學(xué)生主動思維的熱情，將所學(xué)的知識情景化、實例化，回歸生活，升華創(chuàng)造性思維的成果。

問題設(shè)置2.請大家課后查閱相關(guān)資料，看一看實際的交流發(fā)電機采用的是什么方案，為什么選擇這個方案。如果你要實現(xiàn)你感興趣的發(fā)電方案，在哪些方面還可以進一步完善？

在“交變電流的產(chǎn)生”拓展課的教學(xué)實踐中，作者感悟到通過構(gòu)建創(chuàng)新思維課堂提升學(xué)生的科學(xué)思維能力，是行之有效的。這需要教師合理整合可以構(gòu)建創(chuàng)新思維課堂的素材，采取合理有效的教學(xué)方法，順應(yīng)學(xué)生思維發(fā)展的特點，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，將科學(xué)思維的幾個要素落實到課堂教學(xué)中，進而真正培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

[ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ]

[1] ?中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] ?陳琦，劉儒德.當(dāng)代教育心理學(xué)[M].2版.北京：北京師范大學(xué)出版社，2000.

[3] ? 封小超，王力邦.物理課程與教學(xué)論[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

（責(zé)任編輯 易志毅）