指向邏輯思維發(fā)展的高中物理學(xué)科“層進(jìn)式問題串”的設(shè)計(jì)與實(shí)施
——以“電表改裝”為例

吳彬

（福州第十中學(xué)，福建 福州 350001）

于高中物理教學(xué)來說，發(fā)展學(xué)生的邏輯思維是培育物理核心素養(yǎng)科學(xué)思維的核心［1］?！皩舆M(jìn)式問題串”是指在一定的學(xué)習(xí)范圍或者主題內(nèi)，圍繞一定目標(biāo)或某一中心問題，按照一定邏輯結(jié)構(gòu)精心設(shè)計(jì)的一組有梯度的問題［2］。利用問題串，根據(jù)知識(shí)的邏輯特點(diǎn)以及學(xué)生的思維特點(diǎn)，將抽象復(fù)雜的物理概念規(guī)律，拆成若干個(gè)活動(dòng)程序，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用邏輯思維的方法解決問題。筆者根據(jù)教學(xué)實(shí)踐，簡(jiǎn)要闡述如何合理有效開展層進(jìn)式問題串培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維。

一、“層進(jìn)式問題串”培養(yǎng)邏輯思維的原則

（一）基礎(chǔ)性

根據(jù)“最近發(fā)展區(qū)”理論，學(xué)生的學(xué)習(xí)是從已知區(qū)到未知區(qū)的過渡，所以設(shè)置問題串要基于學(xué)生的已有認(rèn)知和學(xué)生思維邏輯的特點(diǎn)。然而每位學(xué)生都是學(xué)習(xí)的獨(dú)立個(gè)體，不同學(xué)生的已知區(qū)不同，所有設(shè)計(jì)問題串首先應(yīng)該先認(rèn)識(shí)自己的學(xué)生已知區(qū)，根據(jù)他們的邏輯特點(diǎn)作為問題設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，這樣就有了知識(shí)生長(zhǎng)的“沃土”，這也是培養(yǎng)邏輯思維的“起航點(diǎn)”。

（二）循序性

設(shè)計(jì)問題串培養(yǎng)邏輯思維要堅(jiān)持邏輯的順序性，啟發(fā)學(xué)生的思維，步步深入，那么形成的問題串就成了“扶梯”“橋梁”，通過學(xué)生自身的努力探索，使學(xué)生的思維能力呈螺旋形上升。比如，在培養(yǎng)演繹思維時(shí)，演繹推理通常劃分為大前提、小前提和結(jié)論三部分，大前提一般是學(xué)生已知的普遍原理［1］，通過設(shè)置問題引導(dǎo)學(xué)生在“小前提”下推理得出結(jié)論，達(dá)到“未知區(qū)”；再如培養(yǎng)分析與綜合的思維方法時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置哪些問題引導(dǎo)學(xué)生懂得主動(dòng)從事物的哪些不同方面加以研究，最后怎么聯(lián)系事物的各個(gè)部分、不同側(cè)面；對(duì)于抽象概括亦是如此，無論哪種邏輯思維的培養(yǎng)，都需要循序漸進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，而不是知識(shí)點(diǎn)的直接告知。

（三）情境性

在《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 版）》中指出，創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用。那么，在物理教學(xué)中設(shè)置“層進(jìn)式問題串”也應(yīng)該具有情境性，學(xué)生在具體情境中親身體驗(yàn)和發(fā)展，逐漸由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)邏輯思維，從而促進(jìn)核心素養(yǎng)落地。

二、“層進(jìn)式問題串”培養(yǎng)邏輯思維的運(yùn)用案例

“電表改裝”是司南2003 版高中物理選修3-1 第3章第4 節(jié)的內(nèi)容，本節(jié)之前，學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)習(xí)了電路基本知識(shí)，高中這節(jié)課會(huì)在電學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)電表的改裝，為之后的電路內(nèi)外接法的選擇做好鋪墊，所以本節(jié)課重點(diǎn)是理論探究。而理論探究過程必然對(duì)學(xué)生的邏輯思維能力有很大的考驗(yàn)，故本節(jié)課的育人目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，重點(diǎn)是邏輯思維。本節(jié)課的教學(xué)，筆者以本校學(xué)生的學(xué)情為起點(diǎn)，在情境中創(chuàng)設(shè)層進(jìn)式問題串，達(dá)到解決重難點(diǎn)，培養(yǎng)邏輯思維的目的。

（一）有效導(dǎo)入，摸準(zhǔn)學(xué)生的思維起點(diǎn)

由于本節(jié)課重點(diǎn)學(xué)習(xí)電表改裝，需要在初中基礎(chǔ)上對(duì)串并聯(lián)電路的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，至于用高中的微觀角度解釋認(rèn)識(shí)電路可以放在上一節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí)，本節(jié)重點(diǎn)是進(jìn)行改裝原理學(xué)習(xí)，所以設(shè)置復(fù)習(xí)引入，請(qǐng)學(xué)生們回顧：

問題1：串聯(lián)電路電壓、電流和電阻的特點(diǎn)？（請(qǐng)學(xué)生回顧簡(jiǎn)述）

問題2：并聯(lián)電路電壓、電流和電阻的特點(diǎn)？（請(qǐng)學(xué)生回顧簡(jiǎn)述）

［設(shè)計(jì)意圖］對(duì)這兩問題都是熟悉的初中知識(shí)，簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)，作為學(xué)生的學(xué)習(xí)本節(jié)課知識(shí)的起點(diǎn)，經(jīng)過串并聯(lián)電路的電壓與電流分配規(guī)律分析，學(xué)生體會(huì)順利得出串聯(lián)電路具有分壓作用，并聯(lián)電路具有分流作用，為后續(xù)改裝電路打好基礎(chǔ)，這也是培養(yǎng)演繹思維的第一環(huán)節(jié)，即大前提。

（二）建立模型，培養(yǎng)抽象思維

對(duì)電路有了準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)后，創(chuàng)設(shè)新情境，觀看用數(shù)字式歐姆表測(cè)電流表和電壓表的內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)錄制視頻，請(qǐng)學(xué)生們思考：

問題1：電表大家并不陌生，他們的電阻多大？

設(shè)計(jì)意圖：對(duì)問題1 所涉及的情境學(xué)生會(huì)感到好奇，他們已經(jīng)知曉電表是有一定電阻，但是從未探索過電阻到底有多大，這個(gè)問題的提出可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，等謎底揭曉之后，由于電表的工作原理還需要3-2 的磁學(xué)后才能全面掌握，所以當(dāng)下可以先用抽象方法把電表構(gòu)建為一種很“特別”的電阻模型，“特別”在于可以測(cè)量自身的電流或者電壓，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維，從作用來看本質(zhì)也是電阻，與普通電阻并無不同，那么接下來就需要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)所構(gòu)建的模型。

問題2：既然電表作為特殊的電阻，除了知道它的電阻值，還需要知道一些其他的重要參數(shù)，比如這個(gè)毫安表，量程1mA，也就是經(jīng)過毫安表的滿偏電流，2.5的意義測(cè)量值與實(shí)際值之間的誤差，最大為2.5%：如果知道內(nèi)阻，就可以算出毫安表的滿偏電壓?，F(xiàn)在請(qǐng)同學(xué)們來算一算內(nèi)阻約為150Ω 毫安表的滿偏電壓值？

［設(shè)計(jì)意圖］通過參數(shù)的介紹以及參數(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步理解構(gòu)建的模型，認(rèn)識(shí)到電壓表與電流表原理上的“互通”，與在實(shí)際使用中的“有別”，為學(xué)生的知識(shí)增長(zhǎng)鋪好墊腳石，同時(shí)用真實(shí)的參數(shù)計(jì)算，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，提高學(xué)習(xí)積極性，為邏輯思維的規(guī)范性提供保證。

（三）理論探究，培養(yǎng)演繹思維

在此，將前面構(gòu)建的模型1 進(jìn)一步加以討論，并設(shè)置“問題串”：

問題1：這樣的毫安表可否用來測(cè)量額定電壓為3.8V 小燈泡的電壓？

問題2：那么需要怎么做才可以測(cè)量電壓？

問題3：為什么要串聯(lián)？

問題4：如果要能夠測(cè)3V 電壓，至少需要串一個(gè)多大的電阻？

生推導(dǎo)：串聯(lián)電路總電壓，電壓U 大小與電流和所串聯(lián)的電阻大小兩種因素有關(guān)，要使電阻最小，則當(dāng)使電流計(jì)滿偏I(xiàn)g，那么串聯(lián)電阻大小為：R=

［設(shè)計(jì)意圖］這樣經(jīng)過層層問題的鋪墊與引導(dǎo)，學(xué)生比較容易自主推導(dǎo)以上表達(dá)式，培養(yǎng)了學(xué)生的演繹邏輯思維。在這系列問題中，筆者的學(xué)生難點(diǎn)在于分析至少需要串聯(lián)多大電阻，所以筆者在學(xué)生知道U=I(Rg+R)的關(guān)系前提下，進(jìn)一步引導(dǎo)分析該公式，可以從以下兩問題入手：第一步：電壓U大小與哪些因素有關(guān)（前提Rg不變）？學(xué)生會(huì)知道電流和串聯(lián)的電阻，那么繼續(xù)第二問：要使電阻R最小，電流該如何設(shè)置呢？知道了在滿偏電流情況下電阻R最小，繼而再放手讓學(xué)生自己推導(dǎo)。在這里培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)對(duì)事物的哪幾個(gè)方面加以研究，從而完整認(rèn)識(shí)事物，這也是分析能力的訓(xùn)練過程。

需要注意的是，此時(shí)只是理論上解決了改裝成電壓表后的滿偏的電壓值問題，實(shí)際中如果有偏差怎么進(jìn)行修正，以及其他刻度怎么讀出電壓值還未解決。學(xué)到這個(gè)環(huán)節(jié)，邏輯推理能力強(qiáng)的學(xué)生完全可以讓他們自己從以上理論中尋求答案，但是學(xué)生會(huì)覺得比較抽象，所以設(shè)置在實(shí)驗(yàn)情境中尋求直觀答案，再從理論上加以求證，因此筆者設(shè)置以下“問題串”，保持課堂上學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及嚴(yán)謹(jǐn)求證的科學(xué)態(tài)度。

（四）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，培養(yǎng)分析思維

用滿偏1mA 的電流計(jì)（內(nèi)阻約150Ω）串聯(lián)2850Ω，改裝成3V 的電壓表，并設(shè)置以下問題：

問題1：怎么知道改裝后的量程是不是準(zhǔn)確的3V呢？（用標(biāo)準(zhǔn)電壓表進(jìn)行校準(zhǔn)，并要求學(xué)生分組按照電路圖所示連接電路，觀察結(jié)果）

生：有的指針超過滿偏值一點(diǎn)，有的沒超過，個(gè)別正好接近滿偏值。

問題2：為什么理論分析和實(shí)際情況還是有點(diǎn)偏差呢？自己微調(diào)試試看？（請(qǐng)學(xué)生演示操作）

生：電流計(jì)的電阻只是大約值，與實(shí)際存在一定偏差，參數(shù)2.5 可以看出來，所以需要微調(diào)。

問題3：你怎么知道要這么操作呢？能不能結(jié)合前面的理論來解釋你的操作。

生：根據(jù)為了電路中電壓U=3v 保持不變，當(dāng)電流I〈1mA，此時(shí)需要提高電流I才能達(dá)到滿偏電流，那么要相應(yīng)減小電阻R；反之當(dāng)I＞1mA，就需要適當(dāng)增大電阻R。

問題4：由此可見，可以通過改變電阻R來調(diào)節(jié)量程，現(xiàn)在電流表已經(jīng)改裝成了量程為3V 的電壓表，但如果指針指在其他地方，又該如何讀數(shù)呢？現(xiàn)在在同一電路中只調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，從而改變燈泡的電壓，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電壓表的讀數(shù)直接改刻電流計(jì)的讀數(shù)，分組合作完成。（電流表指針每5 小格變化一次）展示學(xué)生數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)中你們發(fā)現(xiàn)了什么？

生：電壓表每個(gè)示數(shù)與電流表示數(shù)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且成正比。

問題5：你能用前面的理論知識(shí)解釋電壓表每個(gè)示數(shù)與電流表示數(shù)的關(guān)系嗎？

生：根據(jù)U=I(Rg+R)可知，當(dāng)Rg+R不變時(shí)，電流與電壓成正比。

小結(jié)：將電流計(jì)與串聯(lián)的電阻組合成一個(gè)整體，并把原表盤讀數(shù)擴(kuò)大相同倍數(shù)的電壓值，就成了一個(gè)新的電壓表。

［設(shè)計(jì)意圖］先通過分組實(shí)驗(yàn)操作，找到調(diào)節(jié)電阻R 來調(diào)節(jié)量程的方法以及每個(gè)電流表讀數(shù)與改裝后電壓表讀數(shù)的關(guān)系，更進(jìn)一步提升學(xué)生的實(shí)際感受，提升課堂趣味性并引導(dǎo)學(xué)生通過理論分析，尋根究底，從而進(jìn)一步完善改裝電壓表的模型構(gòu)建，也能從中培養(yǎng)學(xué)生的分析思維。

（五）知識(shí)遷移，培養(yǎng)比較思維

電壓表的改裝已經(jīng)完成，那么電流表的改裝原理可以從電壓表改裝的經(jīng)驗(yàn)中得到啟發(fā)，筆者通過以下問題，引導(dǎo)學(xué)生自主完成對(duì)電流表改裝的任務(wù)

問題1：如何將滿偏I(xiàn)g=1mA 的電流計(jì)（內(nèi)阻約150Ω）改裝成I=0.6A 的電流表？畫電路設(shè)計(jì)圖，并寫出I與Ig的關(guān)系

問題3：電流計(jì)的讀數(shù)與改裝后的電流表的示數(shù)有什么關(guān)系？如何設(shè)置改裝電流表的表盤？

小結(jié)：將電流計(jì)與并聯(lián)的電阻組合成一個(gè)整體，并把原表盤讀數(shù)擴(kuò)大相同倍數(shù)的電流值，就成了一個(gè)新的電流表。

［設(shè)計(jì)意圖］本環(huán)節(jié)是電流表改裝，雖然問題程序與電壓表改裝相似，但是理論上的推導(dǎo)依然很考驗(yàn)學(xué)生的邏輯推理能力，對(duì)于前面掌握好的學(xué)生，可以學(xué)習(xí)比對(duì)前面的學(xué)習(xí)過程，將知識(shí)遷移到新環(huán)節(jié)來，訓(xùn)練比較思維。由于電流表改裝需要很小的電阻（精度達(dá)到0.01Ω），實(shí)際條件無法滿足分組實(shí)驗(yàn)，筆者建議如果條件允許可以使用虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)分組目的，增加學(xué)生課堂體驗(yàn)感，為邏輯思維的展開提供支撐。

（六）整理課堂內(nèi)容，培養(yǎng)概括思維

問題：學(xué)完本節(jié)課，你對(duì)改裝的電壓表與電流表有什么新的認(rèn)識(shí)？

學(xué)生暢所欲言之后，教師總結(jié)：電流表與電壓表改裝本質(zhì)上都是利用不同電路和表頭，實(shí)現(xiàn)不同對(duì)象的測(cè)量，正因如此電壓表也會(huì)分的部分電流，電流表也會(huì)有分得部分電壓，那么在電路中能否忽略它們呢？請(qǐng)聽下回分解。

［設(shè)計(jì)意圖］學(xué)完電壓表與電流表改裝之后，讓學(xué)生先談?wù)勛约旱膶W(xué)習(xí)體會(huì)與感想，總結(jié)改裝的相同與不同之處，并由筆者埋下對(duì)電表內(nèi)外接法的伏筆，同時(shí)也鼓勵(lì)學(xué)生大膽發(fā)表自己看法，整理思路，發(fā)展概括思維。

物理核心素養(yǎng)的魅力在于科學(xué)思維，在于邏輯思維，教學(xué)中要注重思維過程的演化，重視邏輯思維能力的培養(yǎng)。從學(xué)生已知區(qū)出發(fā)，并結(jié)合精心創(chuàng)設(shè)的物理情境，以“層進(jìn)式問題串”為階梯，抓住邏輯思維特點(diǎn)，以抽象的概念、判斷和推理作為思維的基本形式，引導(dǎo)學(xué)生參與分析、綜合、比較、抽象、概括和具體化等思維過程中，從而逐漸獲得科學(xué)思維能力［3］。