基于科學(xué)思維培養(yǎng)的支架式教學(xué)模式研究
——以新教材“楞次定律”為例

鄧浩儀 張軍朋 李德安

（華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（2020年修訂）提出物理學(xué)科核心素養(yǎng)，其中科學(xué)思維處于核心地位.科學(xué)思維是從物理視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相關(guān)關(guān)系的認(rèn)識方式；是基于經(jīng)驗事實構(gòu)建理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用；是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出疑問和批判，進(jìn)行修正和檢驗，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力和品格.［1］但是眾多的科學(xué)思維元素散落在物理教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中，在實際教學(xué)時不容易準(zhǔn)確把握，［2］因此，需要理論的指導(dǎo)來對科學(xué)思維進(jìn)行系統(tǒng)性的培養(yǎng).

1 基于科學(xué)思維培養(yǎng)的支架式教學(xué)模式設(shè)計

教育學(xué)家們在建構(gòu)主義教學(xué)理論基礎(chǔ)之上，融合維果斯基最近發(fā)展區(qū)理論，發(fā)展出了支架式教學(xué)模式.支架式教學(xué)具有5 個基本環(huán)節(jié)——創(chuàng)設(shè)情境、搭建支架、協(xié)作學(xué)習(xí)、獨立探索、協(xié)作學(xué)習(xí)和效果評價.［3］在這5個環(huán)節(jié)中“搭建支架”為核心環(huán)節(jié)，作用于其他4個操作環(huán)節(jié).支架式教學(xué)模式對學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)效率、歸納方法、工具選擇、問題分析等方面能力的提升有顯著作用.［4］除此之外，文獻(xiàn)［5］中作者強(qiáng)調(diào)借助于教學(xué)支架，能夠有效提高青少年的高階思維.對此，本文設(shè)計了如圖1所示的基于科學(xué)思維培養(yǎng)的支架式教學(xué)模式.

圖1 基于科學(xué)思維培養(yǎng)的支架式教學(xué)模式

該模式在“創(chuàng)設(shè)情境”“獨立探究”“協(xié)作學(xué)習(xí)”和“效果評價”4個操作環(huán)節(jié)中均在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)中搭建支架，利用支架對思維的培養(yǎng)貫穿于教學(xué)過程始終，促進(jìn)科學(xué)思維的培養(yǎng).首先創(chuàng)設(shè)情境，引起學(xué)生思維失衡，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)；接著，教師可以提供“跳起來夠得著”的各類支架，指導(dǎo)與協(xié)助學(xué)生開展探究，促使學(xué)生沿著支架不斷向上攀升，讓學(xué)生在探究中形成歸納推理的能力；隨后，開展小組協(xié)作與學(xué)習(xí)，鼓勵學(xué)生暢所欲言，相互爭辯、質(zhì)疑與交流.最后通過設(shè)置實際問題，讓學(xué)生將新學(xué)的知識作為新的支架，嘗試把實際問題轉(zhuǎn)化為物理模型，解決問題，進(jìn)而從側(cè)面檢驗學(xué)生將新知識內(nèi)化的程度，培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)的能力.

2 基于科學(xué)思維培養(yǎng)的支架式教學(xué)模式實踐案例——楞次定律的教學(xué)

下面，以楞次定律為實例，闡述如何開展基于科學(xué)思維培養(yǎng)的支架式教學(xué)模式實踐.由于教材中的探究實驗是利用磁鐵插入和拔出線圈的實驗方法，通過觀察感應(yīng)電流的方向判斷出感應(yīng)電流的磁場方向，從而總結(jié)出楞次定律.這樣的實驗設(shè)計讓學(xué)生觀察感應(yīng)電流的方向去判斷感應(yīng)磁場方向，而又總結(jié)出由感應(yīng)磁場方向去判斷感應(yīng)電流方向的規(guī)律，其邏輯關(guān)系容易使學(xué)生產(chǎn)生困惑，并不能很好地讓學(xué)生體會到感應(yīng)電流的磁場對閉合回路中原磁通量變化的阻礙作用.故本案例將先讓學(xué)生找出感應(yīng)磁場方向和原磁場方向之間的關(guān)系，再得到感應(yīng)電流方向的規(guī)律.

2.1 創(chuàng)設(shè)情境

實驗支架：將磁性球和非磁性球分別從鋁管上方同時自由釋放（如圖2 所示）.由于鋁不具有磁性，所以不會跟磁性球吸引，學(xué)生會認(rèn)為兩個小球應(yīng)該做近似自由落體運(yùn)動，然后讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，提出問題：磁性球下落時有什么現(xiàn)象？是什么阻礙了磁性球的下落呢？接著利用“落磁法”實驗創(chuàng)設(shè)物理情景，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)入課堂.

圖2 落磁法

2.2 獨立探究

在學(xué)生開展獨立探究之前，教師應(yīng)該先讓學(xué)生明白“為什么開展探究”和“如何開展探究”.學(xué)生在學(xué)習(xí)本課之前，已學(xué)習(xí)過靜電場、靜磁場相關(guān)知識，知道了感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件并能判斷磁通量的變化.因此，可以嘗試使用支架來激活學(xué)生的原有認(rèn)知，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生提出探究的問題.

實驗支架：重做“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”實驗（如圖3 所示將靈敏電流計和線圈進(jìn)行串聯(lián)），讓學(xué)生在回憶舊知“原磁場發(fā)生變化會產(chǎn)生感應(yīng)電流”，同時將注意力聚焦在電流的方向發(fā)生了轉(zhuǎn)變，為后面引出探究問題做好鋪墊.

圖3 探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的實驗

思維導(dǎo)圖支架：由于楞次定律涉及到的物理量較多，關(guān)系復(fù)雜，因此在回顧舊知的時候，使用思維導(dǎo)圖支架［如圖4（a）所示］可以使邏輯網(wǎng)絡(luò)、思維過程可視化.授課片段如下.

圖4 楞次定律的思維導(dǎo)圖支架

師：在探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的實驗中可以發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流的方向是不同的，這是什么因素影響的呢？

生：原磁通量變化.

師：又是什么導(dǎo)致原磁通量變化呢？

生：原磁場發(fā)生變化.

師：所以是原磁場變化影響了感應(yīng)電流，那感應(yīng)電流也可以產(chǎn)生磁場嗎？

生：可以.

師：我們把感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場稱為感應(yīng)磁場.感應(yīng)電流方向不同，感應(yīng)磁場方向也會不同，它們之間滿足右手螺旋定則的關(guān)系，因此我們可以將探究感應(yīng)電流的方向轉(zhuǎn)化為探究感應(yīng)磁場方向，那么今天我們就先來研究，感應(yīng)磁場方向和原磁場之間是什么關(guān)系呢？

通過思維導(dǎo)圖支架，將探究感應(yīng)電流方向轉(zhuǎn)化為探究感應(yīng)磁場方向，降低學(xué)生認(rèn)知困難的同時可以讓學(xué)生清晰了解楞次定律中多個物理量之間的關(guān)系.

問題支架：通過提問的方式，讓學(xué)生思考與嘗試設(shè)計實驗探究：感應(yīng)磁場的方向和原磁場之間的聯(lián)系是怎樣的.授課片段如下.

師：我們知道這兩個磁場，像兩個條形磁鐵一樣，滿足同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引的規(guī)律.怎么才能把感應(yīng)磁場和原磁場之間相互作用的效果直觀地呈現(xiàn)出來呢？

生：老師將線圈放在簡易小車上面，通過小車的移動將這種相互作用的效果直觀地呈現(xiàn)出來（如圖5所示）.

圖5 學(xué)生獨立探究實驗

圖表支架：借助表格（如表1 所示）梳理探究得到的實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果中蘊(yùn)含的物理規(guī)律.在學(xué)生獨立探究完成后，教師可以在此過程中引導(dǎo)學(xué)生觀察表格中的實驗結(jié)果，得出楞次定律.在此過程中，學(xué)生的概括、表達(dá)、探究等能力相互促進(jìn)，從而培養(yǎng)學(xué)生歸納推理的能力，最終學(xué)生頭腦中會形成圖4（b）所示的圖式.

師：請同學(xué)利用桌面上的材料實驗一下.

（學(xué)生獨立探究實驗）

師：N 極和S極靠近時有什么現(xiàn)象？

生：線圈和磁鐵相互排斥.

師：那N 極和S極遠(yuǎn)離的時候呢？

生：線圈和磁鐵相互吸引.

師：那大家可以把現(xiàn)象概括一下嗎？

生：可以把現(xiàn)象概括為來拒去留.

師：在我們得到這些數(shù)據(jù)之后，請同學(xué)們分析一下，當(dāng)磁通量增加的時候，兩個磁場方向有怎樣的關(guān)系？而當(dāng)磁通量減少的時候呢？

生：當(dāng)磁通量增加的時候，兩個磁場方向是相反的；而當(dāng)磁通量減少的時候，兩個磁場方向是相同的.

師：同學(xué)們可以把這個規(guī)律概括成4個字嗎？

生：我們可以將它歸納為增反減同.

師：接下來，我們繼續(xù)分析，當(dāng)原磁通量增加時，兩個磁場方向相反，表明此時感應(yīng)磁場想不想讓它增加？而當(dāng)原磁通量想要減少，但是感應(yīng)磁場的方向卻和它相同，表明此時感應(yīng)磁場想不想讓它減少？

生：不想.

師：所以其實增反減同的本質(zhì)其實是什么？

生：增反減同的本質(zhì)是無論磁通量怎么變化，感應(yīng)磁場都要阻礙它的變化.

獨立探究不是學(xué)生單獨一人進(jìn)行探究，需要教師在旁提供輔助支架作為協(xié)助.學(xué)生在支架的提示下，自主提出探究的問題，最后以自我解釋的方式參與到支架支持的知識建構(gòu)過程中，從表格中歸納推理出結(jié)論.

2.3 協(xié)作學(xué)習(xí)

同伴支架：協(xié)作學(xué)習(xí)是以小組為單位組織學(xué)生開展學(xué)習(xí).在小組討論的氛圍中，容易激發(fā)小組成員內(nèi)思維的碰撞，從而產(chǎn)生疑問與創(chuàng)新.教師可以通過問題的引導(dǎo)，鼓勵學(xué)習(xí)小組對“感應(yīng)磁場是由線圈中感應(yīng)電流導(dǎo)致”質(zhì)疑，對其有探究的欲望，嘗試從實驗支架中證實該結(jié)果.

師：為什么小車會有“來拒去留”的現(xiàn)象，能否用實驗對其原因進(jìn)行驗證呢？請小組開始討論.

生1：應(yīng)該是磁鐵的插入與拔出導(dǎo)致了磁通量發(fā)生變化，導(dǎo)致是線圈中的感應(yīng)電流發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不同方向的磁場.

生2：也有可能是磁鐵與繞線圈的模具發(fā)生相互作用而導(dǎo)致的.

生3：我們剛剛已經(jīng)知道“增反減同”，可以由原磁場的方向，判斷出感應(yīng)磁場的方向，再用右手螺旋定則就判斷出感應(yīng)電流的方向了.

生4：那我們可以利用發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦詠磉M(jìn)行驗證是否和我們想的一樣.

實驗支架：在小組討論結(jié)束后，教師出示自制演示感應(yīng)電流方向演示器（如圖6 所示），利用展示平臺把引導(dǎo)學(xué)生觀察磁鐵插入和拔出線圈時發(fā)光二極管的亮滅情況，對猜想進(jìn)行驗證.

圖6 自制演示感應(yīng)電流方向演示器

2.4 效果評價

在學(xué)生學(xué)習(xí)楞次定律結(jié)束后，需要對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評價和檢測.通過聯(lián)系生活，讓學(xué)生學(xué)以致用，借用問題支架，進(jìn)一步檢測學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，并培養(yǎng)學(xué)生將楞次定律的物理模型，遷移到生活當(dāng)中，解釋生活現(xiàn)象.

問題支架：

（1）線圈炮中的炮彈是如何發(fā)射出去的？

（2）磁懸浮列車如何實現(xiàn)懸浮與前進(jìn)？

（3）分析天平是一個可以準(zhǔn)確測量質(zhì)量的天平，為什么它在擺動的時候，可以很快地停止下來呢？

3 結(jié)語

該教學(xué)片段運(yùn)用支架式教學(xué)模式開展對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，充分利用實驗支架、問題支架、思維導(dǎo)圖支架和同伴支架等動態(tài)性的支架，將楞次定律的教學(xué)層層推進(jìn)，滲透“歸納推理”“質(zhì)疑創(chuàng)新”和“模型建構(gòu)”等科學(xué)思維要素.后續(xù)可以在物理概念課、習(xí)題教學(xué)中繼續(xù)深入研究.