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(qiáng)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(diǎn)的情境，設(shè)計(jì)出具有“創(chuàng)新思維”導(dǎo)向的素材，并引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)具有“創(chuàng)新思維”元素的過(guò)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(hào)] ? ?G633.7 ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號(hào)] ? ?1674-6058（2020）32-0042-03

我們知道，“科學(xué)思維”和“實(shí)驗(yàn)探究”是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的兩個(gè)要素，其中“科學(xué)思維”包含了四個(gè)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(dòng)，“科學(xué)推理”和“實(shí)驗(yàn)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(duì)不同觀點(diǎn)或結(jié)論的質(zhì)疑、批判?？梢?jiàn)，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(qiáng)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(diǎn)的情境，設(shè)計(jì)出具有“創(chuàng)新思維”導(dǎo)向的素材，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)具有“創(chuàng)新思維”元素的過(guò)程，給學(xué)生以充分的發(fā)展和創(chuàng)造的空間，不失時(shí)機(jī)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(duì)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(huì)貫通”，通過(guò)對(duì)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(shí)

學(xué)生要有一定的創(chuàng)新思維能力，首先要有扎實(shí)的物理知識(shí)、分析和解決問(wèn)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(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題的能力。沒(méi)有一定量的相關(guān)知識(shí)、方法和能力，創(chuàng)新思維就猶如無(wú)源之水，創(chuàng)新就難以進(jìn)行。

“交變電流”這節(jié)內(nèi)容是上一章“電磁感應(yīng)”知識(shí)的具體應(yīng)用。學(xué)生在上一章已經(jīng)學(xué)過(guò)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(shí)，能夠判斷和計(jì)算交變電流的方向和大小，并且對(duì)感生電動(dòng)勢(shì)和動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的生成本質(zhì)進(jìn)行過(guò)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(wèn)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(gè)問(wèn)題，即將一個(gè)平面線圈置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，并使其繞垂直于磁場(chǎng)方向的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就能產(chǎn)生隨時(shí)間呈正弦規(guī)律變化的感應(yīng)電流，如圖1所示。

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

生：是對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用。

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

生：是因?yàn)榫€圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)這樣的回答是只看到了現(xiàn)象，還沒(méi)有抓到現(xiàn)象的本質(zhì)。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考。

設(shè)置問(wèn)題3.產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的條件是通過(guò)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(shí)間又有怎樣的變化規(guī)律呢？學(xué)生分組討論。

學(xué)生通過(guò)討論能夠得出通過(guò)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(lái)就更為方便。如果學(xué)生沒(méi)有微積分基礎(chǔ)，教師也可以通過(guò)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(duì)應(yīng)的[φ-t] 圖像。再通過(guò)比對(duì)圖1進(jìn)行驗(yàn)證，加深對(duì)[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(yùn)用分析綜合、推理論證等方法，點(diǎn)燃創(chuàng)新性思維的火花

羅杰·馮·伊莊（美國(guó)）認(rèn)為：“知識(shí)本身不會(huì)使一個(gè)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(shí)?；钣弥R(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)尋找新點(diǎn)子、新創(chuàng)意，就是培養(yǎng)創(chuàng)造性思考所需的態(tài)度?！边@個(gè)觀點(diǎn)告訴我們，要培養(yǎng)一個(gè)人的創(chuàng)新思維，活學(xué)活用知識(shí)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(gè)角度，你能用其他方法產(chǎn)生這樣的電流嗎？

這是個(gè)具有開(kāi)放性的問(wèn)題，問(wèn)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(wèn)題。問(wèn)題提出后，可要求學(xué)生先自主設(shè)計(jì)，再小組討論。通過(guò)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(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度按正弦規(guī)律變化，[Bt=B0sin ωt]，則[ΔBΔt=B0ωcosωt]，穿過(guò)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(gè)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(chǎng)，B環(huán)處在A環(huán)的磁場(chǎng)中不動(dòng)，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(huì)產(chǎn)生圖3中B形式的交流電。

方案二：在勻強(qiáng)磁場(chǎng)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?？梢詣?chuàng)設(shè)如圖4所示的情境，水平固定放置的間距為L(zhǎng)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(gè)裝置放在豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)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(kāi)始運(yùn)動(dòng)，其速度隨時(shí)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(qiáng)磁場(chǎng)中，由[E=BLv]可知，若導(dǎo)體棒的切割速度不變，切割的有效長(zhǎng)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(zhǎng)），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(qiáng)磁場(chǎng)中（圖中是向下），磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，一直導(dǎo)體棒從原點(diǎn)O開(kāi)始在拉力的作用下以速度v向右勻速運(yùn)動(dòng)，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(duì)運(yùn)動(dòng)的思想，將圖1中的線圈固定不動(dòng)，讓磁場(chǎng)繞著原來(lái)線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)軸做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，也可產(chǎn)生正弦式交流電。

三、對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論進(jìn)行評(píng)估和判斷，強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新思維的成果

上述四種方案，通過(guò)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(duì)這四種方案進(jìn)行評(píng)估和判斷，從而強(qiáng)化創(chuàng)新思維的成果。

【教學(xué)片段3】

設(shè)置問(wèn)題1.請(qǐng)大家對(duì)這4種方案進(jìn)行評(píng)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(duì)上述4種方案的評(píng)估和判斷過(guò)程，也是對(duì)同學(xué)提出的不同觀點(diǎn)和見(jiàn)解的再次思考和檢驗(yàn)的過(guò)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(wèn)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(jìn)行歸類整理成兩種類型？

生：方案二、方案三，是在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中（即保持磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定），通過(guò)改變線圈垂直于磁場(chǎng)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(chǎng)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(qiáng)度按時(shí)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(jiàn)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(shí)。

問(wèn)題設(shè)置1.你對(duì)哪一種發(fā)電方案感興趣？談?wù)勀銓⑷绾螌?shí)現(xiàn)這種方案。

生1：我對(duì)方案二感興趣，可以通過(guò)電腦的編程實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的自動(dòng)化控制。

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

生3：我對(duì)方案四感興趣，如果轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)，就不需要讓線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，不會(huì)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(gè)問(wèn)題上，學(xué)生討論得最激烈，而且思考的角度也與我們實(shí)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(chǎng)減少摩擦耗能就是旋轉(zhuǎn)磁極式交流發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。雖然學(xué)生不能很完備、很細(xì)致地考量，但通過(guò)設(shè)問(wèn)的形式激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思維的熱情，將所學(xué)的知識(shí)情景化、實(shí)例化，回歸生活，升華創(chuàng)造性思維的成果。

問(wèn)題設(shè)置2.請(qǐng)大家課后查閱相關(guān)資料，看一看實(shí)際的交流發(fā)電機(jī)采用的是什么方案，為什么選擇這個(gè)方案。如果你要實(shí)現(xiàn)你感興趣的發(fā)電方案，在哪些方面還可以進(jìn)一步完善？

在“交變電流的產(chǎn)生”拓展課的教學(xué)實(shí)踐中，作者感悟到通過(guò)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(diǎn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，將科學(xué)思維的幾個(gè)要素落實(shí)到課堂教學(xué)中，進(jìn)而真正培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

[ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ]

[1] ?中華人民共和國(guó)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）