科學(xué)思維導(dǎo)向下高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

賴毅標(biāo) 張寧 高永偉

摘? ?要：培養(yǎng)科學(xué)思維是高中物理教學(xué)中的重難點(diǎn)。文章以高中物理“安培分子電流假說(shuō)”為例，分析如何通過(guò)思維階梯、多樣化實(shí)驗(yàn)探究的設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的作用，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的提高，培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；實(shí)驗(yàn)探究；分子電流

教育部出臺(tái)的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020修訂版）》將以往的三維目標(biāo)提升為了物理觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。其中，科學(xué)思維是學(xué)生認(rèn)識(shí)客觀事物與內(nèi)化過(guò)程中的核心要素，包括模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等。從當(dāng)前實(shí)證研究來(lái)看，科學(xué)思維的培養(yǎng)仍較為困難，特別是模型構(gòu)建方面。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)教育研究表明，從小學(xué)到大學(xué)各個(gè)年級(jí)的學(xué)生在理解微觀粒子（particulate nature of matter， 簡(jiǎn)稱 PNM）時(shí)都有一定的困難[ 1 ]。抽象、復(fù)雜的概念與模型使學(xué)生很容易對(duì)PNM產(chǎn)生自發(fā)或由教學(xué)引發(fā)的相異構(gòu)想[ 2 ]。Stoddart等人研究發(fā)現(xiàn)，三分之一的學(xué)生沒有微觀視角，而其余學(xué)生有對(duì)PNM的部分認(rèn)識(shí)和相異構(gòu)想，這些相異構(gòu)想并不僅僅存在于學(xué)習(xí)初期，甚至到大學(xué)還會(huì)存在。其次，由于生活經(jīng)驗(yàn)的影響以及微觀物質(zhì)的不可見性，一旦形成相異構(gòu)想便難以糾正?！昂暧^通用”是相異構(gòu)想中最普遍的思維，即當(dāng)物質(zhì)發(fā)生物理或化學(xué)變化時(shí)，其微觀粒子也會(huì)隨之變化。冰融化的時(shí)候，冰分子也融化；鐵被磁化的時(shí)候，鐵分子也被磁化。學(xué)生在理解和解釋宏觀現(xiàn)象時(shí)，傾向于對(duì)物質(zhì)的感性認(rèn)知嘗試進(jìn)行分析。即使學(xué)生掌握了氣壓與擴(kuò)散現(xiàn)象的本質(zhì)是分子運(yùn)動(dòng)，再回顧原先學(xué)習(xí)“安培分子電流假說(shuō)”時(shí)，仍會(huì)感到難以理解。

1? “安培分子電流假說(shuō)”內(nèi)容在高中的地位

“安培分子電流假說(shuō)”是人教版《高中物理（選修3-1）》中第三章“磁場(chǎng)”第三節(jié)內(nèi)容，其所在小節(jié)主要講述幾種常見的磁場(chǎng)、安培分子電流假說(shuō)。但由于高中普遍存在的“以高考為導(dǎo)向，以知識(shí)為中心”的教學(xué)觀念，教師僅講述“安培分子電流假說(shuō)”結(jié)論，忽視與其它概念和規(guī)律的內(nèi)在聯(lián)系，導(dǎo)致了“見森林不見樹”的學(xué)習(xí)狀況?！鞍才喾肿与娏骷僬f(shuō)”是銜接電與磁的重要一環(huán)，能夠圓滿地解釋各種磁現(xiàn)象，從而揭示磁現(xiàn)象的電本質(zhì)[ 3 ]。其內(nèi)容為：一切構(gòu)成物質(zhì)的原子、分子等微粒內(nèi)部都存在一種環(huán)形的電流，即分子電流，使每個(gè)微粒都可以看作是擁有兩個(gè)磁極的小磁體。鐵磁性物質(zhì)在未被磁化前，其內(nèi)部的各分子電流的取向是凌亂無(wú)序，它們磁場(chǎng)相互抵消，使得物質(zhì)不帶有磁性。但在外部因素的影響下，如強(qiáng)磁場(chǎng)，物質(zhì)內(nèi)部各分子電流取向變得整齊有序，使原本無(wú)磁性或者導(dǎo)電能力差的物體變?yōu)榇盆F或者導(dǎo)體，這便是物質(zhì)磁性的基本來(lái)源[ 4 ]。

2? “安培分子電流假說(shuō)”內(nèi)容在科學(xué)素養(yǎng)教育方面的價(jià)值

應(yīng)用微觀知識(shí)解釋宏觀概念是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的有效途徑[ 5 ]。首先，重視對(duì)理想模型的構(gòu)建與應(yīng)用，通過(guò)實(shí)物或虛擬模型探究微觀粒子特性。其次，注重科學(xué)推理過(guò)程，科學(xué)推理指的是通過(guò)已有的知識(shí)推導(dǎo)出新結(jié)論的思維方式。中學(xué)物理課上常用方式是歸納推理和演繹推理。這節(jié)課內(nèi)容是促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用以上兩種方法理解科學(xué)本質(zhì)的典型范例。如對(duì)地磁現(xiàn)象、磁化與消磁、電磁鐵等，已學(xué)習(xí)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象與電流的磁效應(yīng)都只能解釋其中部分內(nèi)容，而安培分子電流假說(shuō)卻能對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)與解釋。

“安培分子電流假說(shuō)”這一模塊，不僅解釋了電與磁之間的內(nèi)在聯(lián)系，還揭示了微觀與宏觀世界的統(tǒng)一性。這與“課標(biāo)”對(duì)本章的要求不期而同：進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生關(guān)于電磁場(chǎng)的物理觀念，利用物質(zhì)性與能量性質(zhì)解釋電磁現(xiàn)象，能從實(shí)驗(yàn)歸納和理論演繹等不同方法來(lái)研究物理問(wèn)題。同時(shí)也契合物理課程的價(jià)值，滿足學(xué)生探索自然、理解自然的興趣與熱情，有助于學(xué)生形成科學(xué)世界觀和科學(xué)價(jià)值觀。

3? 對(duì)于“安培分子電流假說(shuō)”的教學(xué)分析

3.1? 基于科學(xué)思維的教學(xué)目標(biāo)分析（表1）

模型建構(gòu)的過(guò)程離不開科學(xué)推理， 科學(xué)推理是科學(xué)論證的必要條件[ 7 ]，科學(xué)論證是培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新的重要載體。

3.2? 學(xué)生分析

學(xué)生在“安培分子電流假說(shuō)”前，已系統(tǒng)性地學(xué)習(xí)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象與電流的磁效應(yīng)，對(duì)磁體、磁場(chǎng)與磁現(xiàn)象等知識(shí)有著濃厚的學(xué)習(xí)興趣。渴望探尋了解電與磁之間內(nèi)在聯(lián)系，但高中教材中電學(xué)與磁學(xué)位于兩個(gè)不同的章節(jié)，并且缺少實(shí)驗(yàn)揭示其微觀本質(zhì)與聯(lián)系，因而學(xué)生難以理解磁現(xiàn)象的電本質(zhì)，使得這一部分內(nèi)容容易與后續(xù)學(xué)習(xí)的洛倫茲力微觀概念相混淆。其次，部分學(xué)生通過(guò)科幻電影與科普視頻等途徑了解電與磁相關(guān)知識(shí)，但都不系統(tǒng)或不科學(xué)，且極其容易引起學(xué)生形成相異構(gòu)想。因此，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用實(shí)驗(yàn)探究，設(shè)計(jì)合理教學(xué)邏輯，幫助學(xué)生初步形成完整知識(shí)結(jié)構(gòu)就顯得更加重要。

3.3? 基于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)內(nèi)容分析

該節(jié)內(nèi)容是在磁感應(yīng)現(xiàn)象與電流的磁效應(yīng)的基礎(chǔ)上，從微觀角度探究磁體磁性的起源與電流磁場(chǎng)之間聯(lián)系。并簡(jiǎn)要介紹了通電螺線管與條形磁鐵磁場(chǎng)的相似性，分子電流與其取向規(guī)律。教材僅用概括性的話語(yǔ)講解上述“普及性”內(nèi)容，未聯(lián)系已學(xué)概念與規(guī)律，這不僅未能說(shuō)明磁現(xiàn)象的電本質(zhì)，而且影響了后續(xù)對(duì)洛倫茲力與安培力的理解，導(dǎo)致教材內(nèi)容的銜接出現(xiàn)割裂感。因此，在教學(xué)中需重視幫助學(xué)生形成高中物理知識(shí)體系的整體認(rèn)識(shí)，從而培養(yǎng)完整的物理觀念和科學(xué)思維。

4? “安培分子電流假說(shuō)”教學(xué)設(shè)計(jì)流程

本節(jié)課是磁場(chǎng)專題中的最后一節(jié)課，是聯(lián)系電與磁的重要一環(huán)。其核心知識(shí)為了解常見磁鐵所引發(fā)的磁場(chǎng)（條形磁鐵、馬蹄形磁鐵、通電螺線管等），探究分子電流模型與其取向規(guī)律的影響，理解磁現(xiàn)象的電本質(zhì)，以下針對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

4.1? 創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)生興趣

觀察不同磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)形狀，對(duì)比分析通電螺線管與條形磁鐵所引發(fā)的磁場(chǎng)形狀，如圖1所示。并思考能否將通電導(dǎo)體看作為一個(gè)磁鐵，再小的磁體是否也擁有兩級(jí)。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生思考電與磁之間的聯(lián)系與區(qū)別，從而發(fā)現(xiàn)在已學(xué)習(xí)磁感應(yīng)現(xiàn)象與電流的磁效應(yīng)之間，存在某種無(wú)法用已有知識(shí)解釋的內(nèi)在聯(lián)系。

4.2? 演示趣味實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)模型構(gòu)建

運(yùn)用希沃白板等多媒體投影設(shè)備演示小鐵棒和小鋼珠的磁化現(xiàn)象。先將小鐵棒靠近細(xì)小的訂書釘，小鐵棒不能吸引訂書釘。將小鐵棒與條形磁鐵一段相互連接，再次靠近訂書釘，部分訂書釘被吸起，此時(shí)，緩緩撤去條形磁鐵，觀察到仍有少部分訂書釘被吸引。在隨后猛烈撞擊小鐵棒后，靠近訂書釘，小鐵棒帶有的磁性又“消失”了。觀察不帶電的小鋼珠在通電螺線管中從雜亂無(wú)章到有序排列的狀態(tài)，如圖2所示。思考問(wèn)題鏈：發(fā)現(xiàn)了什么物理現(xiàn)象？小鐵棒怎樣獲得磁性？小鋼珠為什么變“聽話”了？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)生活中常見的小物件所組成的趣味實(shí)驗(yàn)引入新課，進(jìn)行基于現(xiàn)實(shí)生活的真實(shí)探究，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)在生活中應(yīng)用的探究興趣，使學(xué)生更好地參與問(wèn)題的思考與討論。并建立安培分子電流模型，從微觀角度對(duì)電磁現(xiàn)象進(jìn)行解釋。

4.3? 依據(jù)事實(shí)現(xiàn)象，驗(yàn)證假說(shuō)內(nèi)容

引導(dǎo)學(xué)生閱讀人教版《高中物理（選修3-1）》第87頁(yè)的圖3.3-6，組織小組討論問(wèn)題鏈：物質(zhì)外顯磁性與其分子取向之間的聯(lián)系？鐵質(zhì)物質(zhì)是在什么條件下被磁化的？又是在什么條件下被消磁的呢？電與磁所產(chǎn)生的磁場(chǎng)究竟有什么聯(lián)系？分析與討論上述問(wèn)題，并設(shè)計(jì)制作“條形磁鐵”如圖3所示。在探究過(guò)程中驗(yàn)證安培分子電流假說(shuō)，總結(jié)出磁鐵的磁場(chǎng)和電流的磁場(chǎng)本質(zhì)是相同的，即都是由電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。

（1）將鐵粉放入玻璃試管內(nèi)，用海綿堵住試管口并盡量夯實(shí)鐵粉。

（2）用強(qiáng)磁鐵緊貼試管側(cè)邊，將強(qiáng)磁鐵從試管口到試管底部反復(fù)移動(dòng)，如圖4所示。

（3）將試管底部緩緩靠近訂書釘，吸起少許枚訂書釘，成功制作“條形磁鐵”。

（4）用力晃動(dòng)裝滿鐵粉的試管，再次靠近訂書釘，無(wú)法吸起，完成對(duì)鐵粉的消磁。

實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：放入玻璃試管中的鐵粉必須夯實(shí)，不宜太多，不能存有較大空隙。其次，磁化后的鐵粉需要緩慢移動(dòng)，避免在管內(nèi)發(fā)生碰撞。

設(shè)計(jì)意圖：用鐵粉模擬物體內(nèi)部的分子電流，依據(jù)取向規(guī)律，決定物體是否外顯磁性。打破傳統(tǒng)教學(xué)中用思想實(shí)驗(yàn)論述假說(shuō)的方式，采用磁化鐵粉模擬分子電流驗(yàn)證假說(shuō)進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)。通過(guò)該環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)，不僅驗(yàn)證安培分子電流假說(shuō)，深化磁現(xiàn)象的電本質(zhì)，而且培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力。在實(shí)驗(yàn)探究中思維得到發(fā)展，核心素養(yǎng)得到提高。

4.4? 探究課外實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維

數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（Digital Information System，簡(jiǎn)稱DIS），由采集器、傳感器、計(jì)算機(jī)構(gòu)成，是一種便捷的實(shí)驗(yàn)工具。學(xué)生通過(guò)分組合作、收集資料，根據(jù)已有DIS實(shí)驗(yàn)器材（探針式溫度傳感器、磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器、電磁鐵、學(xué)生電源、導(dǎo)線若干等）自行設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如圖5所示。

（1）觀察電磁鐵結(jié)構(gòu)與思考其原理。

（2）設(shè)計(jì)與組裝探究實(shí)驗(yàn)：在恒定電流的條件下物體磁性與溫度的關(guān)系。

（3）依據(jù)采集器收集數(shù)據(jù)資料，繪制B-T圖像，分析圖像的含義。

（4）小組討論并分享實(shí)驗(yàn)成果，得出實(shí)驗(yàn)規(guī)律：物體的磁性會(huì)隨溫度升高而消退。

（5）思考問(wèn)題鏈：用什么方法判斷電磁鐵的兩級(jí)？除磁鐵外，是否還有磁化物體的方式？是否還有其他方式能夠使物體退磁？

在了解學(xué)生的獨(dú)特見解、創(chuàng)新思維后歸納總結(jié)：當(dāng)物體受到磁場(chǎng)的作用時(shí)，內(nèi)部分子電流取向變得有序，外顯磁性。當(dāng)磁體受到高溫或者猛烈撞擊時(shí)，內(nèi)部分子電流取向變得雜亂，磁體磁性減弱或失去磁性。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)與理論分析，得出任何物質(zhì)都可以被磁化或消磁，只是磁化程度不同。依據(jù)這物質(zhì)的特性，可將物質(zhì)粗略地分為：順磁性、抗磁性和鐵磁性物質(zhì)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)探究高溫與磁性探究實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生知識(shí)的建構(gòu)，有效地鞏固和利用所學(xué)的物理知識(shí)[ 7 ]。學(xué)生通過(guò)“提出問(wèn)題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、歸納總結(jié)”的科學(xué)探究過(guò)程，初步掌握科學(xué)研究的方法，拓展學(xué)生的思維能力。應(yīng)用本節(jié)內(nèi)容從微觀角度去解釋以往的宏觀現(xiàn)象，再次證實(shí)安培分子電流假說(shuō)的正確性，突破“三重壁壘”，架設(shè)連接微觀與宏觀、電學(xué)與磁學(xué)、物理與生活的橋梁。

5? 結(jié)語(yǔ)

本文基于對(duì)科學(xué)思維的分析，設(shè)計(jì)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和思維階梯，通過(guò)觀察磁鐵與通電導(dǎo)體的磁場(chǎng)形狀，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)電與磁的內(nèi)在聯(lián)系。在磁化與消磁實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用實(shí)物模型代替理想模型，驗(yàn)證了安培分子電流假說(shuō)的正確性，轉(zhuǎn)變了“宏觀通用”的相異構(gòu)想。在思考、討論、表達(dá)中培養(yǎng)學(xué)生的模型構(gòu)建和科學(xué)推理能力，逐步引導(dǎo)學(xué)生形成完整的知識(shí)體系。其次，通過(guò)創(chuàng)設(shè)富有挑戰(zhàn)性和趣味性的問(wèn)題情境，轉(zhuǎn)變了“以高考為導(dǎo)向，以知識(shí)為核心”的教學(xué)觀念。在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中提高學(xué)生科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新能力，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目的。

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