以《電和磁》教學(xué)提高學(xué)生科學(xué)思維能力

◇朱潮海（浙江：余姚市實(shí)驗(yàn)學(xué)校）

一、科學(xué)思維是核心素養(yǎng)的核心

思維是課堂教學(xué)中師生的核心活動(dòng)?？茖W(xué)思維是科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的核心?？茖W(xué)教學(xué)應(yīng)指向?qū)W生的科學(xué)思維。劉恩山提出，科學(xué)思維是具有意識(shí)的人腦對(duì)科學(xué)事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及事物間的相互聯(lián)系和關(guān)系的間接和概括反映。科學(xué)思維有多種基本方法，包括分析與綜合、抽象與概括、比較與分類(lèi)、邏輯推理、類(lèi)比思維、臻美思維等。

韋鈺指出，科學(xué)的核心之一是理性的推論，根據(jù)已獲得的信息和對(duì)現(xiàn)象的觀察，提出解釋、結(jié)論或預(yù)測(cè)。學(xué)生親歷以探究實(shí)踐為主的科學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程，其基本特征與科學(xué)家的研究歷程相似，學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)與科學(xué)思維緊密相關(guān)。

二、科學(xué)課堂中科學(xué)思維教學(xué)存在的問(wèn)題及分析

（一）教師沒(méi)有厘清思維路徑

教科版教材以科學(xué)探究活動(dòng)為主體，科學(xué)思維蘊(yùn)含其中。部分科學(xué)教師在研讀教材時(shí)，更容易被外在的活動(dòng)所吸引，而忽視了活動(dòng)背后的科學(xué)思維，更沒(méi)有理順教材中每個(gè)活動(dòng)之間的思維脈絡(luò)。這導(dǎo)致教學(xué)活動(dòng)浮于活動(dòng)表面，缺乏深層次的思維發(fā)展，也與課程標(biāo)準(zhǔn)中倡導(dǎo)的動(dòng)手動(dòng)腦學(xué)科學(xué)的教學(xué)思想相背離。

（二）學(xué)生思維路徑存在斷崖現(xiàn)象

教學(xué)的主體是多樣的，每個(gè)個(gè)體的發(fā)展水平存在差異。這反映教學(xué)面臨著統(tǒng)一性與差異性的矛盾。同時(shí)，學(xué)生的思維發(fā)展是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，所謂“跳一跳摘到桃”，就是指在學(xué)生思維發(fā)展的最近發(fā)展區(qū)實(shí)施教學(xué)。在學(xué)習(xí)進(jìn)程中，學(xué)習(xí)活動(dòng)與學(xué)生的思維路徑存在斷崖，這時(shí)需要教師根據(jù)學(xué)生的思維難點(diǎn)搭建腳手架，推進(jìn)學(xué)生思維能力進(jìn)階。

（三）教學(xué)缺少思維展示途徑

在一些科學(xué)課堂中，教師采用講授的方法替代學(xué)生思維，呈現(xiàn)概念形成過(guò)程中，學(xué)生被動(dòng)地傾聽(tīng)，缺少主動(dòng)思維。抑或是學(xué)生在科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)后，沒(méi)有研討交流的時(shí)間和空間，缺少研討交流和融會(huì)貫通的思維過(guò)程。

三、科學(xué)課堂促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的教學(xué)策略

辯證唯物主義認(rèn)為，思維的產(chǎn)生和發(fā)展都同社會(huì)實(shí)踐和語(yǔ)言緊密地聯(lián)系在一起。在科學(xué)學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究實(shí)踐為主的探索活動(dòng)，并在活動(dòng)后借助科學(xué)語(yǔ)言進(jìn)行研討交流，以此促進(jìn)科學(xué)思維的發(fā)展。教師應(yīng)成為學(xué)生科學(xué)思維活動(dòng)的引導(dǎo)者、組織者和支持者。下面，筆者以《電和磁》一課為例，探討科學(xué)課堂促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力發(fā)展的教學(xué)策略。

（一）厘清教材思維脈絡(luò)

《電和磁》教材安排了兩個(gè)活動(dòng)：第一個(gè)活動(dòng)是通電導(dǎo)線使指南針偏轉(zhuǎn)，學(xué)生描述磁針偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，比較磁針偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，分析后提出電生磁的解釋。第二個(gè)活動(dòng)是做通電線圈使指南針偏轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生理解電磁鐵原理打下基礎(chǔ)。

從概念建構(gòu)和思維進(jìn)階的角度來(lái)審視教材，存在兩個(gè)問(wèn)題。第一，在邏輯推理錯(cuò)誤和證據(jù)不全的情況下，通過(guò)活動(dòng)一推論得出電生磁的科學(xué)概念。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中改變的量是電流，采用因果分析的邏輯推理通電導(dǎo)線使磁針偏轉(zhuǎn)，并不能得出“電產(chǎn)生磁”的結(jié)論。因此有效的推理是電流影響磁針偏轉(zhuǎn)。第二，兩個(gè)活動(dòng)之間缺少內(nèi)在的思維通道。從通電導(dǎo)線和指南針研究活動(dòng)發(fā)展到通電線圈和磁針，為何要這樣研究，思維的推進(jìn)過(guò)程顯得過(guò)于生硬，缺少內(nèi)在脈絡(luò)。

為了解決上述問(wèn)題，教師應(yīng)以科學(xué)思維來(lái)推進(jìn)學(xué)生的探究過(guò)程，構(gòu)建科學(xué)概念。首先，學(xué)生從磁針偏轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中形成探究的問(wèn)題“磁針為什么會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)”，猜想是電流直接影響了磁針偏轉(zhuǎn)，還是電流產(chǎn)生了磁。其次，學(xué)生采用讓磁針偏轉(zhuǎn)角度增大的方法來(lái)收集信息，教師突破教材，通過(guò)增加兩根導(dǎo)線能否讓磁針偏轉(zhuǎn)角度增大的實(shí)踐活動(dòng)，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)相同電流方向的導(dǎo)線能使磁針偏轉(zhuǎn)角度增大。學(xué)生在此基礎(chǔ)上推論研究線圈與磁針偏轉(zhuǎn)的關(guān)系，從而理順教材思維脈絡(luò)，建立起活動(dòng)一與活動(dòng)二之間的聯(lián)系。最后，將觀察的現(xiàn)象與猜想進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將現(xiàn)象作為證據(jù)做出論證，并在交流與解釋中構(gòu)建電生磁的科學(xué)概念。

（二）架設(shè)科學(xué)思維之梯

在科學(xué)教育中，教師可采用活動(dòng)手冊(cè)支持學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)?；顒?dòng)手冊(cè)應(yīng)成為學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的思維支架。借助活動(dòng)手冊(cè)，5～6年級(jí)學(xué)生采用圖文結(jié)合等方式記錄原有經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)事實(shí)，并呈現(xiàn)他們運(yùn)用分析、比較、概括、推理等思維方法形成科學(xué)概念的過(guò)程。

在《電和磁》一課的教學(xué)中，教師編制學(xué)習(xí)活動(dòng)單以支持學(xué)生的科學(xué)實(shí)踐與科學(xué)思維。圖1指引學(xué)生研究通電導(dǎo)線與指南針，在描述現(xiàn)象后比較分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出問(wèn)題和觀點(diǎn)。提出問(wèn)題是學(xué)生主動(dòng)思維之開(kāi)始，提出觀點(diǎn)的過(guò)程是學(xué)生與原有概念建立連接的過(guò)程。

圖1

圖2 是怎樣讓磁針偏轉(zhuǎn)角度更大的探索活動(dòng)單。學(xué)生基于已有經(jīng)驗(yàn)提出多種假設(shè)，建立研究問(wèn)題與方案之間的科學(xué)思維橋梁。在制定方案的過(guò)程中，學(xué)生思維的清晰性、條理性、嚴(yán)謹(jǐn)性等諸多品質(zhì)得到了鍛煉。教師借助兩根導(dǎo)線的實(shí)踐活動(dòng)架起了一根導(dǎo)線到線圈的思維之梯，理順了學(xué)生思維發(fā)展的路徑。一根導(dǎo)線使磁針偏轉(zhuǎn)的角度小，兩根導(dǎo)線會(huì)怎樣呢？實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，電流方向相同的兩根導(dǎo)線能使磁針偏轉(zhuǎn)角度增大，由此推理用多根電流方向相同的導(dǎo)線疊加即線圈能否使磁針偏轉(zhuǎn)的角度更大。在探索的過(guò)程中，學(xué)生積極主動(dòng)地參與其中，思維先行，引領(lǐng)探究活動(dòng)。

圖2

（三）搭建展示思維平臺(tái)

科學(xué)思維能力的發(fā)展，不是憑空產(chǎn)生的，而是在一個(gè)個(gè)的思維活動(dòng)中逐步發(fā)展的?？茖W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出，科學(xué)思維是從科學(xué)的視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式。然而思維是一個(gè)內(nèi)隱的過(guò)程，因此，在科學(xué)課堂教學(xué)中，教師應(yīng)圍繞核心概念組織內(nèi)容，搭建學(xué)生科學(xué)思維生長(zhǎng)的平臺(tái)，借助活動(dòng)手冊(cè)和交流過(guò)程展示學(xué)生的科學(xué)思維過(guò)程。學(xué)生展示原有經(jīng)驗(yàn)和獲得的事實(shí)，呈現(xiàn)運(yùn)用分析與綜合、比較與分類(lèi)、抽象與概括等思維方法初步建立的科學(xué)概念，表述運(yùn)用科學(xué)證據(jù)論證結(jié)論的過(guò)程，在全班的研討交流中借助集體論證完善或重構(gòu)證據(jù)與解釋之間的關(guān)系，監(jiān)控和反思科學(xué)思維能力。

1.在比較分析中發(fā)展科學(xué)思維

案例1 通電導(dǎo)線和指南針

教師：在剛才的實(shí)驗(yàn)中，接通電流瞬間，觀察磁針有什么變化？斷開(kāi)電流瞬間，觀察磁針有什么變化？

生1：接通電流，指針順時(shí)針偏轉(zhuǎn)10°；斷開(kāi)電流，指針又與導(dǎo)線對(duì)齊。

生2：接通電流，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)。

師：它們的共有特征是指針都偏轉(zhuǎn)了。

教師板書(shū)：接通電流，磁針偏轉(zhuǎn)；斷開(kāi)電流，磁針復(fù)位。

師：同學(xué)們看到這個(gè)現(xiàn)象，心中肯定充滿(mǎn)疑惑。

生：磁針為什么會(huì)偏轉(zhuǎn)？

教師：奧斯特也產(chǎn)生了疑問(wèn)，同學(xué)們來(lái)說(shuō)說(shuō)看你的觀點(diǎn)是什么？

生1：電產(chǎn)生磁，磁與磁針作用。

師：還有其他觀點(diǎn)嗎？

生2：電直接影響磁。

師：這其實(shí)是一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，改變的條件是電流。看來(lái)是電流影響了磁針偏轉(zhuǎn)。那么，是電產(chǎn)生磁，還是電直接影響磁，根據(jù)我們現(xiàn)在的資料，還難于做出結(jié)論，需要我們進(jìn)一步收集證據(jù)，才能做出判斷。

在科學(xué)研究中，對(duì)事物和現(xiàn)象的分析是多層次、多維度的。對(duì)于同一現(xiàn)象，會(huì)存在多種解釋。在科學(xué)教學(xué)中，科學(xué)教師需認(rèn)識(shí)科學(xué)活動(dòng)背后的分析方法和分析維度，以便更好地支持學(xué)生開(kāi)展思維活動(dòng)。對(duì)通電導(dǎo)線和指南針、斷電導(dǎo)線和指南針兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，在時(shí)間軸上先后比較，分析得出磁針的偏轉(zhuǎn)與電流有關(guān)，既是一種定性分析，也是一種因果分析。

2.在科學(xué)建模中發(fā)展科學(xué)思維

案例2 讓磁針偏轉(zhuǎn)角度更大

師：該如何驗(yàn)證我們的觀點(diǎn)呢？這個(gè)問(wèn)題很難解決，我們可以換個(gè)角度。在剛才的實(shí)驗(yàn)中，磁針偏轉(zhuǎn)的角度比較小，怎樣讓磁針偏轉(zhuǎn)的角度更大？你想到了什么方法？

生1：可以增加電池。

師：你是怎么想的？

生1：因?yàn)殡娏饔绊懥舜裴樒D(zhuǎn)，所以增加電池。

師：增加電池也就增大了電流，在剛才的實(shí)驗(yàn)中我們已經(jīng)用了兩節(jié)電池，兩節(jié)電池電壓是3v，小燈泡額定電壓是2.5v，如果電池再增加，小燈泡肯定會(huì)壞掉。那怎么辦？

師：PPT 出示短路實(shí)驗(yàn)方法，強(qiáng)調(diào)短路的危害，一觸即發(fā)。

生2：多纏繞幾圈導(dǎo)線，導(dǎo)線多，對(duì)磁有影響。

教師追問(wèn)：你是怎么想的？

生：因?yàn)橐桓鶎?dǎo)線能讓磁針偏轉(zhuǎn)一點(diǎn)，多用幾根導(dǎo)線估計(jì)偏轉(zhuǎn)得會(huì)更明顯一點(diǎn)。

師：我們先用兩個(gè)導(dǎo)線來(lái)研究。我們將兩根導(dǎo)線捏在一起，看看磁針偏轉(zhuǎn)情況，此時(shí)兩根導(dǎo)線上的電流方向不同。再改變其中一根導(dǎo)線的方向，使電流方向一致，再看看磁針偏轉(zhuǎn)情況。

師：兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都完成后，請(qǐng)組長(zhǎng)上來(lái)拿線圈。把線圈接入電路，能使磁針偏轉(zhuǎn)角度更大嗎？怎樣放置線圈時(shí)，磁針的偏轉(zhuǎn)角度最大？

對(duì)事物發(fā)生的可能性進(jìn)行假設(shè)是抽象思維的特征。科學(xué)假設(shè)有助于學(xué)生構(gòu)建問(wèn)題與探索方案之間的橋梁，假設(shè)的過(guò)程是學(xué)生調(diào)動(dòng)原有認(rèn)知與生活經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程，嘗試運(yùn)用原有認(rèn)知解決問(wèn)題的過(guò)程，是學(xué)生主動(dòng)思維的體現(xiàn)。六年級(jí)的學(xué)生年齡在11～12 歲，其思維水平正處在具體形象思維向抽象邏輯思維過(guò)渡的階段。學(xué)生的思維必須依賴(lài)具體的事物進(jìn)行，以科學(xué)表象為思維材料而進(jìn)行思維。由2 根導(dǎo)線的對(duì)比研究演繹推理到相同電流方向的一組線圈，建立實(shí)物模型。模型建構(gòu)有助于學(xué)生抓住事物的本質(zhì)特征，加深對(duì)電生磁概念的理解，凸顯系統(tǒng)思維。

3.在科學(xué)論證中發(fā)展科學(xué)思維

案例3 探討磁針偏轉(zhuǎn)的原因

生1：短路時(shí)，接通電流，磁針偏轉(zhuǎn)角度更大；斷開(kāi)電流，磁針復(fù)位。

兩根導(dǎo)線電流方向相反，磁針不動(dòng)；電流方向相同，磁針偏轉(zhuǎn)角度更大。

采用線圈，磁針偏轉(zhuǎn)角度也更大了。指南針?lè)旁诰€圈中間，偏角最大。

師：你怎么解釋你們觀察到的現(xiàn)象呢？

生2：短路，電流變大，偏角更大。

生3：兩根導(dǎo)線，電流增大，偏角更大。

師：同一根導(dǎo)線中，電流大小不變，那為什么會(huì)這樣？

生4：電流變多了。

師：電產(chǎn)生磁，磁疊加。

師：根據(jù)課堂觀察，你現(xiàn)在認(rèn)為磁針偏轉(zhuǎn)的原因是什么？對(duì)課堂中提出的兩個(gè)觀點(diǎn)，說(shuō)說(shuō)自己的想法。

生1：第一個(gè)觀點(diǎn)是正確的，電產(chǎn)生了磁，電流越大，磁力越大。

生2：我也認(rèn)為是電產(chǎn)生磁。兩根導(dǎo)線相反方向放置時(shí)，電流大小不變，磁相互抵消，磁針沒(méi)有偏轉(zhuǎn)。

師：大家都贊同第一種觀點(diǎn)。但是我們用增大電流的方法使磁針偏轉(zhuǎn)角度增大，所以我認(rèn)為磁針偏轉(zhuǎn)是電流的直接作用，有沒(méi)有人能說(shuō)服我？

生3：我還是認(rèn)為電產(chǎn)生了磁，因?yàn)楦蟮碾娏鳟a(chǎn)生了更多的磁，然后磁針偏轉(zhuǎn)了。

師指名提出第二個(gè)觀點(diǎn)的學(xué)生。

師：你現(xiàn)在還堅(jiān)持自己原有的觀點(diǎn)，認(rèn)為電流直接影響磁針偏轉(zhuǎn)？

生4：不堅(jiān)持，我也認(rèn)為是電產(chǎn)生磁。

研討是發(fā)展學(xué)生思維的過(guò)程。在科學(xué)探索活動(dòng)后，要保證學(xué)生有足夠的時(shí)間表達(dá)各自的想法，以此激發(fā)其想象力和發(fā)展科學(xué)思維。在研討過(guò)程中，學(xué)生借助這三個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，將實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象與自己原有的觀點(diǎn)建立聯(lián)系，嘗試運(yùn)用證據(jù)來(lái)論證自己的想法，在構(gòu)建解釋中對(duì)初始想法進(jìn)行修正和擴(kuò)展，確證了電產(chǎn)生磁的觀點(diǎn)，否認(rèn)了電流直接影響磁的觀點(diǎn)。

4.在類(lèi)比思維中發(fā)展科學(xué)思維

案例4 質(zhì)疑與求證

師：是不是電流產(chǎn)生了磁呢？老師這里拍攝有兩張圖（圖3 和圖4），比較磁鐵和通電線圈對(duì)小磁針的影響，它們有什么共同之處？由此你又想到了什么？

圖3

圖4

生：條形磁鐵周?chē)改厢樀钠D(zhuǎn)情況與通電線圈周?chē)改厢樒D(zhuǎn)情況相似，由此推理：通電線圈具有像磁鐵一樣的性質(zhì)。

師：將通電線圈繞在鐵釘上，會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？能否磁化鐵釘？下節(jié)課繼續(xù)探究。

教學(xué)中，教師提供線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與條形磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)圖片，由此類(lèi)比推理線圈具有與條形磁鐵相似的作用。在追求新的證據(jù)支持自己觀點(diǎn)的過(guò)程中，繼續(xù)延伸探究，將通電導(dǎo)線繞在鐵釘上，看看能否讓鐵釘磁化，這就進(jìn)入了第二課的研究活動(dòng)。因此，對(duì)電生磁的概念建構(gòu)是一個(gè)不斷求證的過(guò)程，是一個(gè)思維逐步推進(jìn)的過(guò)程，強(qiáng)化了學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，以及運(yùn)用證據(jù)論證推理科學(xué)觀點(diǎn)的過(guò)程。

綜上所述，在課堂教學(xué)中，教師厘清教材思維脈絡(luò)，架設(shè)科學(xué)思維之梯，搭建展示科學(xué)思維的平臺(tái)，指向?qū)W生的科學(xué)思維能力，學(xué)生運(yùn)用比較、分析、類(lèi)比等思維方法，將有助于學(xué)生科學(xué)推理、科學(xué)建模、科學(xué)論證等科學(xué)思維能力的發(fā)展。