促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展的論證式教學(xué)
——以“電磁感應(yīng)”主題為例

顧夢(mèng)婷 呂華平 莊 媛

(江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

2017 年版的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出了要培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng),包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.[1]其中,科學(xué)論證是科學(xué)思維的一個(gè)重要構(gòu)成要素. 并在課程目標(biāo)中對(duì)學(xué)生所應(yīng)達(dá)到的科學(xué)論證能力做出了如下要求:具有使用科學(xué)證據(jù)的意識(shí)和評(píng)估科學(xué)證據(jù)的能力,能運(yùn)用證據(jù)對(duì)研究的問題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測(cè);具有批判性思維的意識(shí),能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑.

但在通常的物理課堂上,教師往往過分注重操作技能和程序化的教學(xué)活動(dòng),忽視帶領(lǐng)學(xué)生尋找證據(jù)、評(píng)估證據(jù)、質(zhì)疑證據(jù),陷入了“有論無證”“有證無論”“有據(jù)無駁”的局面之中,[2]或是直接將物理教學(xué)視為向?qū)W生灌輸物理知識(shí)的過程,與當(dāng)代建構(gòu)主義理論相悖,無法達(dá)到新課標(biāo)中對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力的要求. 因此,教師應(yīng)在教學(xué)活動(dòng)中向?qū)W生提供論證的機(jī)會(huì),以便培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力. 那如何將論證融于物理課堂,為學(xué)生提供更多參與論證的機(jī)會(huì),是值得重視與研究的問題.

1 科學(xué)論證活動(dòng)

1.1 圖爾敏論證模型

論證最早出現(xiàn)在邏輯學(xué)與法學(xué)領(lǐng)域,1958年圖爾敏提出Toulmin argument pattern(以下簡(jiǎn)稱為TAP論證模型),為論證提供了基本范式.[3]如圖1所示,TAP論證模型由6個(gè)要素構(gòu)成,其中資料、主張、根據(jù)是核心要素,資料是論證的出發(fā)點(diǎn);主張是有待論證的假設(shè);根據(jù)指的是資料過渡到主張所提供的“擔(dān)保”;而限定詞、反駁、支援則是補(bǔ)充性要素.

圖1 TAP論證模型

TAP論證模型強(qiáng)調(diào)的是論證的普遍程序性結(jié)構(gòu),關(guān)注的是論證的過程. 在物理教學(xué)中,教師可以先設(shè)置疑難情境,引導(dǎo)學(xué)生做出猜想(形成主張),根據(jù)需要論證的問題,設(shè)計(jì)論證方案,收集相關(guān)論證資料,例如進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究. 在資料的基礎(chǔ)上,一方面要對(duì)資料進(jìn)行收集歸納形成事實(shí)證據(jù),另一方面引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)學(xué)或物理知識(shí)進(jìn)行邏輯推理、演繹推理等獲得理論依據(jù). 對(duì)于獲得的證據(jù)進(jìn)行適當(dāng)評(píng)估與質(zhì)疑,并利用證據(jù)對(duì)自己的主張進(jìn)行證實(shí)證偽,完成個(gè)人層面的論證;以及對(duì)他人的主張進(jìn)行質(zhì)疑反駁,通過同伴間的交流論證,最終形成正確的主張.

1.2 “電磁感應(yīng)”主題教學(xué)設(shè)計(jì)思路

“電磁感應(yīng)”揭示了電與磁相互聯(lián)系與轉(zhuǎn)化的關(guān)系,具有一定的抽象性. 如果教師只是一味地通過實(shí)驗(yàn)演示得出結(jié)論,很難建構(gòu)學(xué)生頭腦中的“電磁感應(yīng)”的完整圖式,很難培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維. 因此,嘗試以TAP論證模型為范式,以“電磁感應(yīng)”主題為例,設(shè)計(jì)了如圖2所示的基于科學(xué)論證的主題教學(xué)設(shè)計(jì).

圖2 “電磁感應(yīng)”主題教學(xué)設(shè)計(jì)思路

以學(xué)生已有認(rèn)知為思維原點(diǎn),以問題鏈的形式展開,磁場(chǎng)能否產(chǎn)生電流?——產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是什么?——方向與什么因素有關(guān)?——大小又為多少?帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷形成主張、尋找證據(jù)、評(píng)估證據(jù)、質(zhì)疑證據(jù)、再次尋找證據(jù)、形成正確主張的過程. 激發(fā)學(xué)生突破思維定勢(shì),認(rèn)識(shí)到感應(yīng)電流具有瞬時(shí)性;深入探索規(guī)律,了解楞次定律;建構(gòu)完整圖式,認(rèn)識(shí)電與磁之間的定量關(guān)系. 體現(xiàn)了知識(shí)的完備性與階梯性,促進(jìn)了概念進(jìn)階與科學(xué)思維的提高.

2 基于科學(xué)論證的主題教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 利用對(duì)稱性思想，提出觀點(diǎn)，并證實(shí)證偽

科學(xué)論證應(yīng)從引導(dǎo)學(xué)生提出自己的主張出發(fā). 教師先介紹奧斯特的電流磁效應(yīng)實(shí)驗(yàn). 1820年奧斯特在導(dǎo)線下方放置一枚小磁針,電流接通時(shí),小磁針發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng). 這一特殊的現(xiàn)象表明了載流導(dǎo)線對(duì)磁針的作用力,體現(xiàn)了“穩(wěn)恒電流產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場(chǎng)”的科學(xué)本質(zhì). 教師順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生思考,物理學(xué)是一門具有對(duì)稱美的學(xué)科,例如力的相互作用具有對(duì)稱性、等量同種或異種電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)線具有對(duì)稱性,那電與磁之間是否同樣具有對(duì)稱性呢?穩(wěn)恒磁場(chǎng)能否產(chǎn)生穩(wěn)恒電流呢?

教師帶領(lǐng)學(xué)生以小組為單位,在組內(nèi)進(jìn)行交流論證,并設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案,最終呈現(xiàn).

(1) 嘗試使用磁鐵產(chǎn)生電流,如圖3、4所示,觀察磁鐵能否在導(dǎo)線或螺線管中產(chǎn)生電流.

(2) 嘗試使用載流導(dǎo)線激發(fā)的磁場(chǎng)產(chǎn)生電流,如圖5、6所示,觀察載流直導(dǎo)線能否在與之平行的直導(dǎo)線中產(chǎn)生電流;觀察載流直導(dǎo)線能否在螺線圈中產(chǎn)生電流.

圖3 實(shí)驗(yàn)方案

圖4 實(shí)驗(yàn)方案2

圖5 實(shí)驗(yàn)方案3

圖6 實(shí)驗(yàn)方案4

圖7 實(shí)驗(yàn)方案5

(3) 嘗試使用載流線圈激發(fā)的磁場(chǎng)產(chǎn)生電流,如圖7所示,觀察載流線圈能否在穿過它的直導(dǎo)線中產(chǎn)生電流.

事實(shí)上,法拉第也設(shè)計(jì)了類似的實(shí)驗(yàn)方案來探索“穩(wěn)恒

磁場(chǎng)能否產(chǎn)生穩(wěn)恒電流”,在合上開關(guān)后,觀察電流表的指針是否發(fā)生偏轉(zhuǎn). 但經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),卻發(fā)現(xiàn)磁鐵并不能產(chǎn)生電流,載流導(dǎo)線或線圈激發(fā)的磁場(chǎng)也同樣不能,產(chǎn)生質(zhì)疑“電流與磁場(chǎng)之間不存在對(duì)稱性嗎?”

在該環(huán)節(jié),以奧斯特的電流磁效應(yīng)實(shí)驗(yàn)為資料,根據(jù)物理學(xué)對(duì)稱性,引導(dǎo)學(xué)生得出各自的主張,完成了個(gè)人層面上的初步論證. 通過共同設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,也體現(xiàn)了從個(gè)人論證到同伴論證的過渡.

2.2 突破思維定勢(shì)，尋找證據(jù)，明確產(chǎn)生條件

對(duì)于電流與磁場(chǎng)之間的不對(duì)稱性,憑借學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知水平尚不能解決. 教師隨即向?qū)W生介紹法拉第突破轉(zhuǎn)折的物理學(xué)史. 1831年法拉第發(fā)現(xiàn)當(dāng)聲音頻率發(fā)生改變時(shí),彈性界面(例如鼓面)上的細(xì)沙呈現(xiàn)的規(guī)則圖形也隨之發(fā)生改變(如圖8所示).[4]細(xì)沙圖形改變的瞬時(shí)性給予法拉第靈感,使他意識(shí)到磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電流是否也同樣具有瞬時(shí)性.這種類比遷移的科學(xué)思維使法拉第突破了一直以來的思維定勢(shì),形成新的主張“變化的磁場(chǎng)能否產(chǎn)生電流”.

在此基礎(chǔ)上,法拉第終于在1831年通過“圓環(huán)實(shí)驗(yàn)”,在斷開和閉合電路瞬間觀察到了感應(yīng)電流的產(chǎn)生. 一方面,教師可帶領(lǐng)學(xué)生觀察“圓環(huán)實(shí)驗(yàn)”(如圖9所示),另一方面,帶領(lǐng)學(xué)生通過一系列實(shí)驗(yàn)(如圖10所示)進(jìn)一步尋找證據(jù),實(shí)驗(yàn)本身并不難,難的是如何引導(dǎo)學(xué)生以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為證據(jù),挖掘本質(zhì),從磁通量的角度推理得出電磁感應(yīng)的一般條件.

圖8 聲學(xué)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

圖9 圓環(huán)實(shí)驗(yàn)

分析歸納實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,可得圖10中(甲)(乙)兩實(shí)驗(yàn)是通過改變磁感應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生了感應(yīng)電流;而切割磁感線實(shí)驗(yàn)，如圖10(丙)所示，并未改變磁感應(yīng)強(qiáng)度,卻也產(chǎn)生了感應(yīng)電流,引起學(xué)生的認(rèn)知沖突,教師引導(dǎo)學(xué)生論證發(fā)現(xiàn)此時(shí)的實(shí)驗(yàn)變量是閉合導(dǎo)體回路所圍的面積.對(duì)于此處引起感應(yīng)電流的兩個(gè)變量“磁感應(yīng)強(qiáng)度”“閉合回路面積”,學(xué)生聯(lián)想到這便是磁通量的大小,從而建立正確主張“閉合回路中的磁通量大小發(fā)生改變時(shí),將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流”.

圖10 探究“感應(yīng)電流產(chǎn)生條件”

在該環(huán)節(jié),以法拉第受聲學(xué)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)啟發(fā)的這段物理學(xué)史為資料,通過重試法拉第的系列實(shí)驗(yàn)重尋證據(jù),從而認(rèn)識(shí)到電磁感應(yīng)現(xiàn)象是一種動(dòng)態(tài)效應(yīng),也在學(xué)生頭腦中初步建立起了“電磁感應(yīng)”的圖式.

2.3 尋找證據(jù)，分析歸納，探索科學(xué)規(guī)律

在明晰感應(yīng)電流產(chǎn)生條件后,突破感應(yīng)電流的方向是學(xué)習(xí)進(jìn)階的關(guān)鍵點(diǎn). 教師提出問題“感應(yīng)電流的方向與什么因素有關(guān)呢?”

圖11 探究“感應(yīng)電流的方向”

學(xué)生做出猜想“感應(yīng)電流的方向與磁鐵的磁場(chǎng)方向有關(guān)”,并嘗試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(如圖11所示)搜集證據(jù)對(duì)主張進(jìn)行證實(shí)證偽,如表1所示.

表1 論證“感應(yīng)電流的方向與磁場(chǎng)方向有關(guān)”

學(xué)生搜集證據(jù)并分析論證后,發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流的方向與磁場(chǎng)方向之間的關(guān)系并不明確,或者說感應(yīng)電流的方向不完全由磁場(chǎng)方向決定,還受到磁鐵插入拔出的影響. 學(xué)生進(jìn)而做出猜想“感應(yīng)電流的方向與磁鐵的插入拔出有關(guān)”,并嘗試搜集證據(jù),如表2所示.

表2 論證“感應(yīng)電流的方向與磁鐵插入拔出有關(guān)”

學(xué)生搜集證據(jù)并分析論證后,發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流的方向與磁鐵插入拔出之間的關(guān)系同樣不明確. 對(duì)于以上的思維困頓,學(xué)生很難概括出判斷感應(yīng)電流方向的方法. 教師引導(dǎo)學(xué)生思考,感應(yīng)電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),這一磁場(chǎng)朝向什么方向呢?有何規(guī)律嗎?

圖12 分析圖

利用安培定則,判斷感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向后(如圖12所示),學(xué)生發(fā)現(xiàn)“當(dāng)磁鐵插入時(shí),磁通量增加,感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相反;當(dāng)磁鐵拔出時(shí),磁通量減小,感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相同”. 這種“增反減同”的趨勢(shì)可被概括為“阻礙”,即“感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向總會(huì)阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化”,這便是楞次定律的內(nèi)容.

在這一環(huán)節(jié),以問題為驅(qū)動(dòng),探究感應(yīng)電流的方向,在獲取證據(jù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步層層論證,對(duì)主張進(jìn)行證實(shí)證偽,培養(yǎng)了學(xué)生能運(yùn)用證據(jù)對(duì)研究的問題進(jìn)行描述、解釋的能力.

2.4 明晰定量關(guān)系，完善圖式，深入本質(zhì)

在明確感應(yīng)電流的方向后,突破感應(yīng)電流的大小是學(xué)習(xí)進(jìn)階的關(guān)鍵點(diǎn). 教師提問“感應(yīng)電流的大小由什么決定呢?”由于閉合回路中磁通量發(fā)生變化是產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因. 學(xué)生大膽提出主張“感應(yīng)電流的大小由磁通量變化決定”.

教師帶領(lǐng)設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)方案,“保持磁通量變化相同,即利用同一規(guī)格磁鐵從相同高度處插入同一規(guī)格的線圈,觀察電流表示數(shù).”各小組分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并收集證據(jù)后,卻發(fā)現(xiàn)示數(shù)并不同. 是什么因素導(dǎo)致了感應(yīng)電流的不同?學(xué)生回顧實(shí)驗(yàn)過程,尋找并質(zhì)疑證據(jù),原來,雖保持磁通量變化量相同,但在這一過程中,線圈被插入線圈時(shí)的速度有快有慢. 快插時(shí),電流表示數(shù)大,慢插時(shí),電流表示數(shù)小.

圖13 磁鐵進(jìn)入線圈

為進(jìn)一步深入電磁感應(yīng)的本質(zhì)“能量守恒定律”,教師提出問題“若感應(yīng)電流的方向與楞次定律規(guī)定的方向相反,又會(huì)發(fā)生什么樣的現(xiàn)象呢”. 學(xué)生論證后發(fā)現(xiàn),當(dāng)磁鐵N極插入線圈時(shí),磁通量增加,感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相同,如圖13虛線所示. 因此,磁鐵在引力的作用下,動(dòng)能將不斷增加,磁通量的變化率不斷增大,感應(yīng)電流隨之增大,線圈中的焦耳熱逐漸增加. 但在這一過程中,沒有任何外力做功,顯然與能量守恒定律相悖.[6]通過這種反證的方式,使學(xué)生深入到“電磁感應(yīng)”的科學(xué)本質(zhì)是能量守恒定律.

在這一環(huán)節(jié)中,引導(dǎo)學(xué)生在定性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,尋找證據(jù)論證感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化率之間的關(guān)系,完善學(xué)生頭腦中的“電磁感應(yīng)”圖式. 為深化學(xué)生對(duì)其中科學(xué)本質(zhì)的理解,利用理論演繹的方式進(jìn)行佐證.

3 論證式教學(xué)的價(jià)值體現(xiàn)

在論證教學(xué)過程中,可將學(xué)生內(nèi)隱的思維外顯化,通過尋找證據(jù)、評(píng)估證據(jù)、質(zhì)疑證據(jù)的過程,促進(jìn)學(xué)生頭腦中的概念進(jìn)階,深化學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解,在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力的同時(shí)也可以發(fā)展學(xué)生的邏輯推理和批判性思維. 具體呈現(xiàn)在以下幾方面.

3.1 有助于促進(jìn)概念進(jìn)階

在論證教學(xué)中,通過為學(xué)生提供論證的機(jī)會(huì),使學(xué)生頭腦中的原始認(rèn)知有效暴露,幫助學(xué)生形成原有認(rèn)知和新理論之間的認(rèn)知沖突,[7]使學(xué)生的認(rèn)知經(jīng)歷“平衡—不平衡—平衡—不平衡—平衡”的動(dòng)態(tài)過程,最終促進(jìn)學(xué)生頭腦中的概念逐層進(jìn)階. 對(duì)于“電磁感應(yīng)”這一主題教學(xué)內(nèi)容,從起初建立“電流能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)”的初步概念到理解更為本質(zhì)的“楞次定律”“電磁感應(yīng)定律”,不僅符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,并且通過論證方式建構(gòu)起來的概念體系能在學(xué)生頭腦中留下更深刻的印象.

3.2 有助于學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解

物理學(xué)家是遵循著“發(fā)現(xiàn)的邏輯”推動(dòng)著科學(xué)的發(fā)展,體現(xiàn)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬓? “電磁感應(yīng)定律”的建立同樣經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歲月,根據(jù)證據(jù)進(jìn)行不斷修正. 在論證教學(xué)過程中,通過引導(dǎo)學(xué)生“像科學(xué)家一樣思考”,幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到蘊(yùn)藏在物理學(xué)背后的科學(xué)知識(shí)本質(zhì)與科學(xué)探索本質(zhì),[8]科學(xué)知識(shí)是依靠證據(jù)并在新的證據(jù)下不斷修正的,科學(xué)探索則需要實(shí)驗(yàn)與邏輯的結(jié)合,有利于提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

3.3 有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

科學(xué)論證教學(xué)是以學(xué)生的已有知識(shí)為思維原點(diǎn),通過論證的方式帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷尋找證據(jù)、評(píng)估證據(jù)、質(zhì)疑證據(jù)的過程,培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維. 在形成主張的基礎(chǔ)上,通過實(shí)驗(yàn)探究獲得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或數(shù)據(jù),使學(xué)生建立起尋找證據(jù)的意識(shí);在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步篩選鑒別、分析歸納,提升了學(xué)生評(píng)估證據(jù)以及科學(xué)推理的能力;而引導(dǎo)學(xué)生對(duì)主張或是證據(jù)提出質(zhì)疑,例如質(zhì)疑“電流與磁場(chǎng)之間是否具有對(duì)稱性”“感應(yīng)電流的方向與楞次定律規(guī)定的方向相反”,則培養(yǎng)了學(xué)生的質(zhì)疑精神以及批判性思維,促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)思維向深度發(fā)展.