在發(fā)現(xiàn)和解決物理問題過程中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力

方潤(rùn)根 葉晟波

摘? ?要：培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力是普通高中物理教育的重要目標(biāo)之一，要提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，首先要激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。中學(xué)生的創(chuàng)新思維主要體現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程中。清楚學(xué)生創(chuàng)新思維具體表現(xiàn)在哪些方面，有助于教師在創(chuàng)新視角下通過引導(dǎo)學(xué)生提出問題、讓學(xué)生經(jīng)歷解決實(shí)際問題過程等方式來提升其創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：發(fā)現(xiàn)和提出問題;解決問題;創(chuàng)新思維

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2022）3-0072-5

創(chuàng)新是學(xué)生核心素養(yǎng)的重要組成部分，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020年修訂）》要求增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力[1]，美國和韓國的科學(xué)課程目標(biāo)中也分別提出用新想法解決問題的能力和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性解決問題的能力[2]。2020年9月和2021年9月，習(xí)近平總書記分別在科學(xué)家座談會(huì)和中央人才工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，“加強(qiáng)創(chuàng)新人才教育培養(yǎng)”[3]“注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力”[3]“加快建設(shè)世界重要人才中心和創(chuàng)新高地”[4]?？梢姡嵘龑W(xué)生創(chuàng)新能力是當(dāng)前高中物理教育的首要問題之一，創(chuàng)新的過程可以說是發(fā)現(xiàn)問題和創(chuàng)造性解決問題的思維過程。反之，創(chuàng)新思維也是在發(fā)現(xiàn)和提出問題、分析和解決實(shí)際問題過程中培養(yǎng)起來的。所以，基于創(chuàng)新素養(yǎng)的物理教學(xué)應(yīng)清楚學(xué)生創(chuàng)新思維的具體表現(xiàn)，并引發(fā)學(xué)生深度思考、發(fā)現(xiàn)和提出問題，在解決實(shí)際問題過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

1? ? 物理問題與創(chuàng)新思維

學(xué)生在生活和學(xué)習(xí)中面對(duì)的問題是多種多樣的，在發(fā)現(xiàn)和提出問題的過程中，學(xué)生的創(chuàng)造性表現(xiàn)存在一定差異，根據(jù)學(xué)生提問特點(diǎn)，一般可將問題分為三類：呈現(xiàn)型問題、發(fā)現(xiàn)型問題和創(chuàng)造型問題[5]。

所謂的呈現(xiàn)型問題是學(xué)生對(duì)物理情境中的信息簡(jiǎn)單發(fā)問，或者簡(jiǎn)單將已有知識(shí)與情境相聯(lián)系后提問，答案經(jīng)過簡(jiǎn)單分析和推理就能獲得。這類問題往往是學(xué)生已有的知識(shí)缺失造成的，學(xué)生補(bǔ)上相應(yīng)的知識(shí)后就能解答。例如，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室“探究變壓器原副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系”時(shí)，把原線圈接在學(xué)生電源穩(wěn)壓輸出端，用多用電表的交流電壓擋測(cè)副線圈兩端電壓，發(fā)現(xiàn)電壓為0，在檢查實(shí)驗(yàn)電路和導(dǎo)線連接情況都良好后，電壓表示數(shù)還是為0。此時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)不符，學(xué)生自然會(huì)提出問題，為什么副線圈兩端的電壓為0呢？這個(gè)問題可能是由于學(xué)生對(duì)于變壓器工作原理的理解模糊不清造成的，也有可能學(xué)生實(shí)驗(yàn)中疏忽了，這時(shí)教師的耐心解答對(duì)完善學(xué)生的知識(shí)，對(duì)以后學(xué)生提出有創(chuàng)造性的問題是有幫助的。問題的解決往往需要在原有認(rèn)知的基礎(chǔ)上進(jìn)行，學(xué)生已具有互感的知識(shí)，所以該問題需要學(xué)生將物理學(xué)與實(shí)際相聯(lián)系，知道變化的電流可以使能量從一個(gè)線圈傳遞到另外一個(gè)線圈，穩(wěn)壓輸出提供的是恒定電流，所以無法實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。這問題對(duì)思維程度要求相對(duì)較低，通過教師引導(dǎo)，學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行簡(jiǎn)單分析就能解決。

所謂的發(fā)現(xiàn)型問題是由學(xué)生自己提出或發(fā)現(xiàn)的，學(xué)生將實(shí)際問題過程中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)化為物理模型，在對(duì)物理問題進(jìn)行綜合分析和推理后，提出與情境有關(guān)的問題，答案與求解思路可能是已知的，也可能是尚未明確的。例如，在學(xué)習(xí)“變壓器”新課時(shí)，理論推導(dǎo)理想變壓器原副線圈兩端電壓U1和U2的比值等于原副線圈的匝數(shù)比，但是學(xué)生在“探究變壓器原副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系”時(shí)，發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的輸出電壓U2比理想情況要小，進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)電壓損失竟然會(huì)接近20%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和學(xué)生原有的認(rèn)知有沖突，就會(huì)引起學(xué)生發(fā)問“這是為什么呢？”問題的解決不但需要原有認(rèn)知，而且需要改變，以適應(yīng)這個(gè)問題的新需要，因此問題的解決就可能是常規(guī)思維和創(chuàng)新思維的有機(jī)結(jié)合[6]。這個(gè)問題要求學(xué)生能用科學(xué)思維方法，對(duì)物理問題進(jìn)行綜合分析和推理，獲得結(jié)論并作出解釋。教材中的理論推導(dǎo)適用于理想變壓器，而實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)際變壓器要考慮能量損失，變壓器工作時(shí)會(huì)發(fā)出聲音，是鐵芯受交變磁場(chǎng)吸引和排斥而引發(fā)震動(dòng);變壓器的溫度升高，主要是因?yàn)闇u流使損耗增加，讓變壓器的鐵芯發(fā)熱;線圈發(fā)熱，是因?yàn)殡娏髁鬟^線圈產(chǎn)生焦耳熱，由此，學(xué)生就可以找出電壓損失的原因。在此過程中，觀察實(shí)際情況并提出問題，結(jié)合想象大膽推理和解釋，學(xué)生表現(xiàn)出了較高的創(chuàng)造性水平，也表明他們有較高的創(chuàng)新思維能力。

對(duì)于高中學(xué)生而言，創(chuàng)造型問題一般表現(xiàn)為：能將較復(fù)雜的實(shí)際問題中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型，在新的情境中對(duì)問題進(jìn)行綜合性分析和推理，能通過創(chuàng)造性的思考跳出情境的限制，提出與情境有關(guān)的問題，并多角度審視檢驗(yàn)結(jié)論，問題的解答往往是開放的。高中生掌握的知識(shí)有限，但是有些學(xué)生思維活躍，樂于體驗(yàn)和創(chuàng)新。例如，學(xué)生分析了實(shí)際變壓器電壓損失的原因后，又提出了更復(fù)雜、更具探索性的問題：如何進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案？學(xué)生通過查閱資料、交流，最后在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出優(yōu)化的方案：（1）副線圈繞組取合適匝數(shù)，用較粗銅線繞制，從而適當(dāng)減小線圈內(nèi)阻，減小焦耳熱。（2）為了盡可能減小漏磁，同學(xué)們查閱資料并討論后采用鐵氧體磁芯的環(huán)形變壓器，鐵氧體具有高導(dǎo)磁性，環(huán)形變壓器磁路封閉，加上線圈與鐵芯二者間緊密的結(jié)合，盡可能地減少漏磁[7]。（3）測(cè)交流電壓采用數(shù)字顯示交流電壓表，使讀數(shù)更為方便、測(cè)量更為精確。根據(jù)以上改進(jìn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電壓損失在0.6%左右，比改進(jìn)前的變壓器的電壓損失小很多，可以得出較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)需要教師的引領(lǐng)，那么如何在物理教學(xué)實(shí)踐中切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維呢？

2? ? 學(xué)生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)策略

培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維需要教師轉(zhuǎn)變教學(xué)方式，從以教師的“講為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生的“學(xué)為中心”[8]，其中，提出問題和解決實(shí)際問題是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)的重要途徑。在該過程中，學(xué)生的角色需要從過去傳統(tǒng)教學(xué)中的被動(dòng)學(xué)習(xí)向主動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化，學(xué)習(xí)活動(dòng)應(yīng)盡量以學(xué)生為主體[9]，教師則應(yīng)該做好課前的教學(xué)設(shè)計(jì)工作，如創(chuàng)設(shè)合適的問題情境、給予實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)、呈現(xiàn)科學(xué)家做過的實(shí)驗(yàn)[8]等，并引導(dǎo)學(xué)生自己查找信息以學(xué)習(xí)關(guān)于此問題的知識(shí)和解決問題的方法。教師在高中物理教學(xué)實(shí)踐中可以具體從以下兩方面來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維：

2.1? ? 重視物理觀念的形成，引導(dǎo)學(xué)生提出問題

要讓學(xué)生能提出發(fā)現(xiàn)型問題或者創(chuàng)造型問題，教師在平時(shí)的物理教學(xué)中不能只停留在讓學(xué)生記住一些物理事實(shí)，而應(yīng)該圍繞物理學(xué)科的概念和規(guī)律進(jìn)行教學(xué)，重視用一些典型的案例鞏固和完善學(xué)生的觀念，從而讓學(xué)生獲得新的觀點(diǎn)，豐富物理觀念，獲得解決問題的方法與策略，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深度學(xué)習(xí)?？梢?，教學(xué)中重視物理觀念的培養(yǎng)，讓學(xué)生深度學(xué)習(xí)和認(rèn)真思考是提出問題的前提。

好的問題往往能夠提供給學(xué)生一個(gè)多向度的思考空間，既能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)力，也能提綱挈領(lǐng)地指出持續(xù)思考和探究的方向，所以提出有意義的問題意味著學(xué)生的知識(shí)和能力又向前邁進(jìn)一步。我們的物理教學(xué)可以讓學(xué)生從呈現(xiàn)型問題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生提出發(fā)現(xiàn)型問題，甚至創(chuàng)造型問題。為了引導(dǎo)學(xué)生多思考、多提問題，首先，可以讓學(xué)習(xí)基礎(chǔ)差不多的學(xué)生組成小組，教師可以拋磚引玉式提出討論的問題，并讓每位學(xué)生都能平等地表達(dá)自己的問題。其次，把所提問題按呈現(xiàn)型、發(fā)現(xiàn)型和創(chuàng)造型歸類，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注自己、同組同學(xué)或者其他小組成員所提問題的質(zhì)量，并營(yíng)造良好的談?wù)摎夥眨诰蚝侠砗陀袃r(jià)值的問題。最后，引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)表達(dá)問題?，F(xiàn)以電磁感應(yīng)導(dǎo)軌單棒模型專題為例，提出解決這類問題需要解決的共性問題，并對(duì)問題進(jìn)行分類，如表1所示。

高中電磁感應(yīng)導(dǎo)軌桿子模型中，除單棒外還有雙棒，也可以在電路中加入電容和電感，所以實(shí)際的問題情境很多。但是，無論何種物理問題情境，大多可以根據(jù)需要從力與運(yùn)動(dòng)、能量轉(zhuǎn)化情況、動(dòng)量變化情況等角度提出問題，而學(xué)會(huì)表達(dá)則可以促進(jìn)更多的學(xué)生提出自己的問題。如學(xué)生提出如下問題：

（1）該模型是屬于電動(dòng)機(jī)模型還是發(fā)電機(jī)模型？

（2）在雙電源電路中，通過棒的電流方向不同時(shí)，兩棒的電壓是U=Blv+Ir還是U=Blv-Ir？

這樣的問題是對(duì)導(dǎo)軌桿子模型力電綜合分析和推理后所提的問題，能從回路電勢(shì)升降的角度對(duì)該問題提出疑問，屬于較高層次的問題。好的問題能驅(qū)動(dòng)思考，打破既定模式，探索無限可能。關(guān)注問題分類，引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)表達(dá)問題，都是為了讓學(xué)生提出有意義的、建設(shè)性的問題，并在提問中提升創(chuàng)新素養(yǎng)。

2.2? ? 為學(xué)生提供解決問題的機(jī)會(huì)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)要求物理課程與教學(xué)能為學(xué)生在今后工作和生活中面對(duì)未知問題時(shí)，提供解決問題的思路和方法。教師在教學(xué)中多給學(xué)生提供解決問題的機(jī)會(huì)，能有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新素養(yǎng)。下面以學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作中碰到的實(shí)際問題為例，探討教師如何創(chuàng)造情境引導(dǎo)學(xué)生感知現(xiàn)象，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的問題，并讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

學(xué)生在做“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可以讓學(xué)生自行組裝實(shí)驗(yàn)室中的變壓器，使其發(fā)現(xiàn)變壓器主要由線圈、鐵芯組成，如圖1（鐵芯上表面為A面，側(cè)面為B面）。變壓器的拆解過程不但使學(xué)生了解其基本構(gòu)造，增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，還會(huì)讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)：變壓器鐵芯A面向上放不進(jìn)去（圖2），但是鐵芯B面向上很容易放進(jìn)去。學(xué)生頭腦中自然會(huì)產(chǎn)生疑問，但是如果此時(shí)不加引導(dǎo)，疑問也會(huì)稍縱即逝。因此，教師可以適時(shí)引導(dǎo)：鐵芯A面向上和B面向上對(duì)原副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系有沒有影響？學(xué)生思考后會(huì)想到用對(duì)比實(shí)驗(yàn)探究以上問題。他們馬上進(jìn)行探究活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：采取控制變量方法，保證輸入電壓U1、原副線圈匝數(shù)n1、n2和負(fù)載確定的情況下，第一組實(shí)驗(yàn)中鐵芯B面向上，如圖3;第二組實(shí)驗(yàn)中鐵芯A面向上（費(fèi)了一些力放進(jìn)去），如圖4，分別測(cè)量副線圈兩端電壓U2。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，并對(duì)兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析得到，結(jié)果發(fā)現(xiàn)第一組實(shí)驗(yàn)電壓損失平均約為19%，第二組實(shí)驗(yàn)電壓損失平均達(dá)到35%。

為什么第二組實(shí)驗(yàn)電壓損失會(huì)這么大呢？學(xué)生對(duì)于自己實(shí)驗(yàn)中碰到的問題會(huì)更加積極地展開思考和討論，教師引導(dǎo)學(xué)生將分析推理與以前的渦流知識(shí)相聯(lián)系，最終得出原因：當(dāng)磁場(chǎng)隨時(shí)間變化時(shí)，垂直磁感線的空間產(chǎn)生感生電場(chǎng)，會(huì)讓鐵芯產(chǎn)生渦流，鐵芯B面向上所對(duì)應(yīng)的鐵芯橫截面小，形成的渦流少，產(chǎn)生的焦耳熱少。有學(xué)生還提出來可用實(shí)驗(yàn)證偽檢驗(yàn)，讓變壓器工作一段時(shí)間后，看哪種情況下鐵芯發(fā)熱更多，以此證明分析的正確性，最終發(fā)現(xiàn)確實(shí)如此。

為了運(yùn)用和強(qiáng)化知識(shí)，教師展示一道實(shí)驗(yàn)題18（2）題。在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，可拆變壓器如圖5所示。為了減小渦流在鐵芯中產(chǎn)生的熱量，鐵芯是由相互絕緣的硅鋼片平行疊成。硅鋼片應(yīng)平行于? ? ? ? ? ?（單選）

A.平面abcd

B.平面abfe

C.平面abgh

D.平面aehd

從學(xué)生感知現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題，到教師創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)探究活動(dòng)，利用實(shí)驗(yàn)獲得的信息解決問題，再到最后運(yùn)用實(shí)驗(yàn)題強(qiáng)化知識(shí)，所有的實(shí)踐和邏輯分析都閃耀著創(chuàng)造性火花。雖然此題當(dāng)時(shí)得分率很低，但教師若能合理調(diào)配問題的坡度，為學(xué)生架設(shè)通向創(chuàng)新思維的階梯，學(xué)生在問題的啟發(fā)下，經(jīng)歷過以上學(xué)習(xí)過程，可以較好地解決這一相對(duì)復(fù)雜的問題。

3? ? 小? 結(jié)

高中生創(chuàng)造性的表現(xiàn)是多方面的，教師教學(xué)過程中給學(xué)生創(chuàng)設(shè)發(fā)現(xiàn)問題、（下轉(zhuǎn)第80頁）（上接第75頁）解決問題的情境，并進(jìn)行有效引導(dǎo)，可以有效促進(jìn)其創(chuàng)新思維與能力的發(fā)展。

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（欄目編輯? ? 李富強(qiáng)）