基于科學(xué)思維能力培養(yǎng)的物理情境創(chuàng)設(shè)

唐麗君

摘? ?要：科學(xué)思維作為物理核心素養(yǎng)的重要構(gòu)成要素，是人們正確認識事物和改造事物的重要能力體現(xiàn)。情境創(chuàng)設(shè)是新課改下倡導(dǎo)的一種教學(xué)模式，能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，引導(dǎo)學(xué)生積極參與思考和探究。文章以“變壓器”教學(xué)為例，通過創(chuàng)設(shè)遷移情境、實物情境、實驗情境、問題情境等方式，在探究物理現(xiàn)象和規(guī)律、形成核心概念的過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，希望能起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；能力；情境創(chuàng)設(shè)

20世紀90年代以來，我國一直致力于探索基礎(chǔ)教育課程改革的有效途徑。隨著信息經(jīng)濟和創(chuàng)新經(jīng)濟時代的到來，社會對公民的素養(yǎng)提出了新的要求。建立促進學(xué)生發(fā)展的核心素養(yǎng)體系，成為全面提升教育質(zhì)量的迫切需要?？茖W(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，課堂教學(xué)是培養(yǎng)科學(xué)思維的主要陣地，教師可以有目的地創(chuàng)設(shè)必要的教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑生問、探索規(guī)律、掌握知識[ 1 ]。在課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)情境能夠充分體現(xiàn)學(xué)生的主體作用，讓學(xué)生的科學(xué)思維能力在觀察、參與、思考、感悟中得以形成和發(fā)展。

1? 創(chuàng)設(shè)遷移情境，培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新的思維能力

隨著時代的發(fā)展，社會對人才的培養(yǎng)提出了更高的要求，創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)成為教育的一個重要方向，而學(xué)生質(zhì)疑的能力則是創(chuàng)新意識和能力的基礎(chǔ)。質(zhì)疑創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不是一蹴而就的，對于中學(xué)階段的絕大多數(shù)學(xué)生來說，提出創(chuàng)造性的觀點、創(chuàng)造出新生事物是很難做到的。中學(xué)階段質(zhì)疑創(chuàng)新能力的培養(yǎng)更多體現(xiàn)在日常教學(xué)中，在原有的知識儲備基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)知識遷移情境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題甚至提出批判性的見解，并由此引導(dǎo)學(xué)生進行進一步的學(xué)習(xí)與探究。

教學(xué)片段：“變壓器”的教學(xué)引入

教師通過圖片展示市電電壓220 V，手機電池充電電壓5.0 V。

師：我們常用的市電電壓220 V，手機電池充電電壓5.0 V。生活中我們用充電器對手機進行充電，充電器起到了一個什么作用呢？

生1：降低電壓。

師：我們可以把它稱為變壓器。

教師在黑板上畫出電源與用電器，同時提出問題：現(xiàn)有220 V的交流電源，如何讓電壓降為5.0 V的用電器正常工作？大家能不能用所學(xué)的物理知識解決這個問題？

生2：在電路中串聯(lián)一個電阻。

師：不錯，同學(xué)們對學(xué)過的知識掌握不錯。那么，串聯(lián)的電阻兩端的電壓是多少？

生3：該電阻兩端的電壓為215 V。

師：用電器的功率占電路總功率的百分比是多少？

師：如果你是充電器制造商，你覺得這樣的設(shè)計是否合理呢？

生5：這種設(shè)計電能的利用率太低，從電能的有效利用上看是不合理的。

師：那么充電器里是什么元件起到了降低電壓的作用呢？帶著這個問題我們開始今天的學(xué)習(xí)。

質(zhì)疑和創(chuàng)新并不是毫無根據(jù)的否定和嘗試，它是在一定事實依據(jù)的基礎(chǔ)上提出的獨到見解。在以上片段教學(xué)中教師借助生活中常用的手機充電器，引導(dǎo)學(xué)生利用已學(xué)知識解決如何用220 V電源讓額定電壓為5 V的用電器正常工作。學(xué)生根據(jù)原有的知識儲備提出用“串聯(lián)分壓”的方法解決問題后，在肯定學(xué)生的方法的同時進一步引導(dǎo)學(xué)生計算用電器功率占電路總功率的百分比。這一過程給學(xué)生提供了充分的知識積淀和質(zhì)疑的條件。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)具有一定質(zhì)疑精神的學(xué)生立即就會對這一解決方案提出反對的意見。若學(xué)生沒有發(fā)現(xiàn)疑點，教師的一句“這樣的設(shè)計是否合理”也能夠信手拈來地激發(fā)學(xué)生的質(zhì)疑意識。經(jīng)歷這一過程，其實是在潛移默化中告訴學(xué)生，生活中看似可以用簡單的物理知識解決的問題，往往還要考慮諸多因素的干擾。在今后解決問題的過程中要學(xué)會多元思考，要有質(zhì)疑的意識和精神，科技發(fā)展過程中的任何一次技術(shù)改進甚至發(fā)明創(chuàng)造都是由此開啟的。

2? 創(chuàng)設(shè)實物情境，培養(yǎng)科學(xué)推理的思維能力

科學(xué)推理能力是科學(xué)思維發(fā)展到一定程度之后的重要體現(xiàn)，它是學(xué)生解決問題的必備能力，是科學(xué)研究中的一個重要思維品質(zhì)。高中階段的學(xué)生在演繹推理上還缺乏依靠證據(jù)進行邏輯推理的意識和策略，在一些抽象的概念和規(guī)律學(xué)習(xí)中表現(xiàn)得尤為明顯。演繹推理實質(zhì)上就是知識在新情境中的重構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生跨越從舊到新的過程則是推理能力形成與發(fā)展的過程。變壓器的原理——電磁感應(yīng)現(xiàn)象是一個比較抽象的概念，創(chuàng)設(shè)實物情境能夠幫助學(xué)生在感性認識的基礎(chǔ)上深入進行推理分析。

教學(xué)片段：變壓器的結(jié)構(gòu)和原理

師：把手機充電器打開，如圖1中框選部分就是我們熟悉的變壓器。它內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的呢？同學(xué)們桌面上都有一個可拆式變壓器。

鼓勵學(xué)生動手拆開變壓器研究，并反饋研究發(fā)現(xiàn)，如圖2。

生1：變壓器內(nèi)部有很多金屬片疊在一起。

師：這些金屬片是涂有絕緣漆的硅鋼片，疊在一起構(gòu)成閉合的鐵芯。

生2：還有兩個導(dǎo)線繞制成的螺線管。

師：我們把它稱為線圈，是由高強度的漆包銅線繞制而成的。同學(xué)們桌面上還有一個更大的可拆式變壓器，也是有閉合的鐵芯和兩個線圈構(gòu)成，如圖3。

教師演示：事先設(shè)定好原副線圈的匝數(shù)并連接好電路，向?qū)W生展示交流電源電壓為16 V、小燈泡額定電壓為3.8 V，接通電源，請同學(xué)們觀察小燈泡亮了嗎，會不會被燒壞？

生3：小燈泡能發(fā)光而且沒有被燒壞。

師：電源是通過什么方式給小燈泡供電的？

生4：兩個線圈通過閉合的鐵芯構(gòu)成閉合回路。

生5：不對，漆包線外層有絕緣體，鐵芯外層也涂有絕緣材料，它們之間不會相互導(dǎo)電。

師：那么兩個線圈的作用是什么？如果將電源換成同樣電壓值的直流電源，小燈泡能否發(fā)光呢？

學(xué)生有不同的猜想。教師演示對比實驗，學(xué)生觀察并討論。經(jīng)過討論后不少學(xué)生都能用電磁感應(yīng)現(xiàn)象來解釋變壓器的工作原理。

在“變壓器”的教學(xué)中，從電磁感應(yīng)到變壓器的工作原理對于學(xué)生來說思維跨度還是很大的。以上片段教學(xué)中，教師從“充電器”到“可拆式變壓器”再到“演示可拆變壓器”，這一個個實物情境就是一個個演繹推理的依據(jù)，引導(dǎo)著學(xué)生根據(jù)實物進行猜想、分析、推理。教師的每一個問題，學(xué)生的每一次討論都是一個分析推理的過程，都是一個思維碰撞的過程。正是這些實物和討論讓學(xué)生一步步地逼近真相，最終在獲得知識的同時也提升了學(xué)生的科學(xué)推理的思維能力。這是教師直截了當(dāng)?shù)靥岢觥巴瑢W(xué)們能不能用自己學(xué)習(xí)的知識分析一下變壓器的工作原理”所無法比擬的。

3? 創(chuàng)設(shè)實驗情境，培養(yǎng)科學(xué)論證的思維能力

科學(xué)論證主要包括提出觀點、尋找依據(jù)、邏輯推理、支持和合理反駁等過程。在課堂教學(xué)中，可以通過創(chuàng)設(shè)情境引導(dǎo)學(xué)生針對問題提出自己的觀點，并利用所學(xué)知識尋找理論和事實的依據(jù)，論證自己的觀點，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力[ 2 ]。

教學(xué)片段：變壓器閉合鐵芯的作用

師：變壓器兩個線圈中為什么要插入鐵芯？

生1：在保證電源和線圈匝數(shù)不變的情況下，插入鐵芯能增大磁場。

師：鐵芯為什么要設(shè)置成閉合的形狀？

生2：能讓副線圈獲得更強的磁場。

師：同學(xué)們的想法是否正確呢？能不能設(shè)計一個實驗驗證自己的觀點？

生3：如果閉合鐵芯后副線圈獲得磁場變強，根據(jù)電磁感應(yīng)原理副線圈將獲得更大的電動勢，小燈泡亮度應(yīng)該比鐵芯閉合前更亮，可以通過鐵芯閉合前后小燈泡的亮度對比驗證我們的觀點。

學(xué)生上臺演示實驗驗證。

師：同學(xué)們通過實驗驗證了自己的觀點，閉合鐵芯的作用就是導(dǎo)磁，在增強原線圈磁場的同時，把磁感線盡可能地束縛在鐵芯中，讓副線圈獲得更大的磁場。

教學(xué)過程中學(xué)生針對兩個問題“鐵芯的作用是什么？”“鐵芯為什么要制作成閉合的形狀？”提出了自己的觀點，并找出了支撐該觀點的理論依據(jù)，進而通過理論分析和實驗探究論證自己的觀點。在實驗探究中學(xué)生經(jīng)歷了產(chǎn)生疑問、根據(jù)理論依據(jù)設(shè)計實驗、實驗驗證、得出結(jié)論幾個環(huán)節(jié)，這就是一個論證的過程。在這一論證教學(xué)的過程中，學(xué)生主動參與到科學(xué)論證中，而教師只是適時引導(dǎo)，實現(xiàn)提升學(xué)生科學(xué)論證能力的同時，展現(xiàn)物理論證過程的魅力[ 3 ]。

4? 創(chuàng)設(shè)問題情境，培養(yǎng)模型構(gòu)建的思維能力

模型構(gòu)建是科學(xué)思維的基礎(chǔ)，它以自然界及社會生活、生產(chǎn)中客觀存在的物理情境為前提，通過觀察、分析、實驗等思維過程，對物理知識進行簡化，從而得出結(jié)構(gòu)和規(guī)律的描述。自然界中的物理現(xiàn)象總是復(fù)雜多變的，任何一個物理問題都是多方因素影響下的綜合表現(xiàn)。為了探究這些物理現(xiàn)象背后的本質(zhì)規(guī)律，常常需要抓住現(xiàn)象的關(guān)鍵因素通過假設(shè)等方法，建立理想化的物理模型。

教學(xué)片段：理想變壓器模型的建立

此部分教學(xué)中教師可以創(chuàng)設(shè)如下問題情境：

問題1：同學(xué)們已經(jīng)通過實驗得到變壓器原、副線圈的電壓比近似等于匝數(shù)比，你能不能嘗試從理論上論證這一關(guān)系？

問題4：如果不計“銅損”和“鐵損”，你能否分析得到通過原、副線圈的電流與匝數(shù)的關(guān)系？

學(xué)生借助變壓器功率的規(guī)律推導(dǎo)電流的規(guī)律，并形成理想變壓器的概念。

教學(xué)過程中教師圍繞著變壓器的理想化條件，設(shè)置了一系列針對性強的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生針對這些問題進行深入的思考，并嘗試運用課堂生成的知識去解決問題。在一個個問題情境的驅(qū)動下，學(xué)生經(jīng)歷了分析、論證的過程，逐漸構(gòu)建起了不計“漏磁”“銅損”“鐵損”等知識概念，理想變壓器模型的構(gòu)建也就水到渠成。借助這些問題情境不僅深化了對知識的理解，建模的意識和能力也得到了提升。

在物理課堂教學(xué)中以“生活”為源泉，以“情境”為紐帶，以“啟發(fā)”為核心，創(chuàng)設(shè)遷移情境、實物情境、實驗情境、問題情境，讓學(xué)習(xí)者經(jīng)歷積極的生活體驗、行為體驗、思維體驗，可以培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新、科學(xué)推理、科學(xué)論證、模型構(gòu)建的思維能力，進一步激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的欲望，促進學(xué)生對知識體系理解，提升學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)。

參考文獻：

［1］ 趙永忠．基于實驗質(zhì)疑 培養(yǎng)科學(xué)思維——以自行車尾燈角反射器工作特點研究為例[J]．物理教學(xué)，2021（10）：78-80．

［2］ 白楊，王藝朦，劉青華．論證式教學(xué)在物理課堂上的應(yīng)用——以衛(wèi)星變軌為例[J]．湖南中學(xué)物理，2022（2）：31-33，43．

［3］ 鄭穎，張軍朋，張玉發(fā)．高中生物理科學(xué)論證能力表現(xiàn)——基于Rasch模型的測試評價[J]．物理教師，2019（1）：2-6．