基于核心素養(yǎng)指向?qū)W(xué)生高階思維的培養(yǎng)*
——以“磁感線”模型建構(gòu)為例

崔 琳 喬英磊

(北京景山學(xué)校遠(yuǎn)洋分校 北京 100040)

任 鑫

(北京市第十二中學(xué) 北京 100071)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)[1]明確指出,物理課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.《標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生通過義務(wù)教育物理課程的學(xué)習(xí)達(dá)到如下目標(biāo):學(xué)生會用所學(xué)模型分析常見的物理問題;能對相關(guān)問題和信息進(jìn)行分析并得出結(jié)論,具有初步的科學(xué)推理能力;有利用證據(jù)對所研究的問題進(jìn)行分析和解釋的意識,能使用簡單和直接的證據(jù)表達(dá)自己的觀點,具有初步的科學(xué)論證能力;能獨立思考,對相關(guān)信息、方案和結(jié)論提出自己的見解,具有質(zhì)疑創(chuàng)新的意識.能制訂簡單的科學(xué)探究方案,有控制實驗條件的意識,會通過實踐操作等方式收集信息,初步具有獲取證據(jù)的能力;能分析、處理信息,得出結(jié)論,初步具有對科學(xué)探究過程和結(jié)果作出解釋的能力.

從《標(biāo)準(zhǔn)》提出的要求來看,思維存在于整個教學(xué)過程中,但并不明顯,為顯性教學(xué)過程中學(xué)生的思維能力,布魯姆(BLOOM)將人類的認(rèn)知分為六種,分別為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價、創(chuàng)造.其中,記憶、理解和應(yīng)用為低階思維,分析、評價和創(chuàng)造為高階思維,如圖1所示.

圖1 BLOOM認(rèn)知目標(biāo)分類

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ),通過邏輯推理,模型建構(gòu),借助數(shù)學(xué)工具等形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系的學(xué)科.在物理教學(xué)中,教師不僅要加強對學(xué)生記憶、理解和應(yīng)用等低階思維的培養(yǎng),更要注重對學(xué)生分析、評價和創(chuàng)造等高階思維的訓(xùn)練,使學(xué)生逐步形成物理學(xué)科素養(yǎng),落實立德樹人的根本任務(wù).然而,在當(dāng)前中學(xué)物理教學(xué)中,教師往往只關(guān)注知識的講授、方法的給予或是實驗結(jié)論的告知,而忽視在概念生成、模型建構(gòu)以及規(guī)律探究過程中對學(xué)生高階思維的培養(yǎng),導(dǎo)致學(xué)生思維通常只停留在記憶、理解和應(yīng)用的低階思維層次,缺乏對高階思維培養(yǎng)的整體性規(guī)劃.實際上,初中物理教學(xué)中應(yīng)將科學(xué)探究與科學(xué)方法相互融合,在發(fā)展學(xué)生低階思維的同時,更要注重發(fā)展學(xué)生的高階思維,提高學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力.在教學(xué)中,教師應(yīng)以高中課標(biāo)和義教課標(biāo)為依據(jù),基于學(xué)生的長遠(yuǎn)發(fā)展,以整個主題或單元進(jìn)行教學(xué)設(shè)計,對學(xué)生的培養(yǎng)具有前瞻性和連續(xù)性,將培養(yǎng)學(xué)生高階思維的目標(biāo)始終貫徹下去,以真正落實立德樹人的根本任務(wù).

例如,在認(rèn)識“磁場”時,傳統(tǒng)教學(xué)模式下,教師往往也會在短時間內(nèi)強行讓學(xué)生接受磁場的存在,之后順勢告知學(xué)生我們可以用一個新的物理模型——磁感線來描述磁場.稍微好一些的教學(xué)模式也僅僅是停留在通過讓學(xué)生類比風(fēng),形象地闡明磁場的存在,但是對磁場性質(zhì)的研究和“磁感線”模型的建構(gòu)過程并不深入.筆者認(rèn)為,上述教學(xué)形式缺乏研究的味道,錯失了培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的良機.因此,如何能在教學(xué)中真正調(diào)動學(xué)生的積極性,激發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維顯得尤為重要.所以本文以“磁感線”模型建構(gòu)為例,闡述在初中物理教學(xué)中基于模型建構(gòu)、轉(zhuǎn)換法、類比思想等科學(xué)方法在物理教學(xué)中的重要應(yīng)用和價值,力求讓學(xué)生在課堂中充分經(jīng)歷探究過程,享受思維樂趣,經(jīng)歷設(shè)計和創(chuàng)新的過程,真正達(dá)到提升學(xué)生高階思維的目的,切實培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力[2].

事實上,磁場是較為抽象的,看不見,也摸不到,所以學(xué)生本就難以理解,而“磁感線”模型建構(gòu)對于初中學(xué)生而言接受起來更是有一定難度,那么在教學(xué)中就應(yīng)該將教學(xué)適當(dāng)“放慢”,將它們形象化表征,為此筆者以條形磁體為例,通過實驗、想象、演繹、推理等多種途徑讓學(xué)生感知磁體周圍存在磁場,再根據(jù)已有的實驗現(xiàn)象通過問題鏈的形式引導(dǎo)學(xué)生得出磁場的性質(zhì),在分析出磁場有強弱和方向后,讓學(xué)生通過想象、推理找到能準(zhǔn)確描述磁場的方法,從而試圖描繪出條形磁體周圍的磁場,整個教學(xué)過程不僅培養(yǎng)了學(xué)生觀察、描述、比較等低階思維,也注重對學(xué)生辨別、概述、判斷、整合、評論等高階思維的培養(yǎng),進(jìn)而落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)[3].

1 指向高階思維發(fā)展的實施環(huán)節(jié)——“發(fā)現(xiàn)磁場存在”

現(xiàn)將課堂教學(xué)片段展示如下:

【演示實驗1】手持1號條形磁體,使其N極與懸掛的2號磁體的N極靠近.

師:剛剛的實驗中同學(xué)們看到了什么?——觀察能力.

生:2號磁體會運動.

師:為什么會運動呢?——解釋能力.

生:受力.

師:其實生活中也有類似的現(xiàn)象,比如:秋天,樹上的樹葉飄動,為什么葉子會動呢?——遷移能力.

生:受力.

師:那可能是誰給它的力呢?——分析能力.

生:風(fēng).

師:類比著這個情景想一想,剛剛這個2號磁體為什么會動呢?——推斷能力.

生:它周圍也有一種像風(fēng)一樣的東西.

師:那這種像風(fēng)一樣的東西是誰提供的呢?——識別能力.

生:1號磁體.

師:看來1號磁體周圍可能真有這么一種特殊的東西,一旦它靠近2號磁體,就相當(dāng)于2號磁體闖入了這種特殊的物質(zhì)中,那么1號磁體周圍的這種物質(zhì)就會對2號磁體有力的作用.(停頓)其實大量研究表明自然界真的存在這樣一種物質(zhì),人們稱它為磁場.而磁場的基本性質(zhì)就是對放入其中的磁體有力的作用.也就是說,1號磁體周圍的磁場對放入其中的2號磁體有力的作用,所以2號磁體會運動.

設(shè)計意圖:本環(huán)節(jié)從觀察實驗現(xiàn)象入手,著重培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、解釋、推斷的能力,引導(dǎo)學(xué)生初步猜想出磁體周圍可能存在一種看不見、摸不到的東西——磁場,培養(yǎng)學(xué)生透過實驗現(xiàn)象思考本質(zhì)的意識,進(jìn)而為學(xué)生高階思維的發(fā)展奠定基礎(chǔ).

2 指向高階思維發(fā)展的實施環(huán)節(jié)——“分析磁場性質(zhì)”

師:磁場看不見也摸不著,和風(fēng)非常類似,那我們怎么研究它呢?可以先想想生活中我們是如何感知風(fēng)的存在呢?——描述、分析能力.

生:葉子飄動,紅旗飄動……

師:為什么可以通過葉子、紅旗等來看呢?(停頓)其實這些東西都有一個共同的特點,是什么呢?——觀察、分析和概述能力.

生:它們在風(fēng)中受力會動.

師:哦,研究風(fēng)我們可以利用在風(fēng)中受力會動的物體,那如果想要研究磁場,我們是不是也可以找一個在磁場中受力會動的物體來研究呢?那找什么呢?——比較、分析和創(chuàng)造能力.

生:磁體.

師:沒錯,磁場的基本性質(zhì)告訴我們磁場對放入其中的磁體有力的作用.那這里有幾種磁體(條形磁體、蹄形磁體、環(huán)形磁體、小磁針和橢球形磁體),我們選用哪一種比較好呢?——觀察、比較和分析能力.

生:小磁針.

師:為什么呢?——比較、分析能力.

生:受力更容易動起來.

師:好,那我們就用它,大家先來看它的指向有什么特點?——觀察、描述能力.

【學(xué)生活動】觀察小磁針指向.

生:和條形磁體一致,紅色端都指向北方,白色端都指向南方.

師:那現(xiàn)在我想要研究1號磁體周圍的磁場,應(yīng)該怎么做呢?——推理、預(yù)測能力.

生:把小磁針放到1號磁體周圍.

【演示實驗2】把小磁針放到1號磁體周圍.

師:大家注意觀察,那這些小磁針相當(dāng)于風(fēng)中的什么?——比較能力.

生:紅旗、樹葉.

師:看看這些小磁針的指向,你發(fā)現(xiàn)了什么?——觀察、概括能力.

生:不同位置小磁針的指向不同.

師:為什么呢?——分析、推理能力.

生:各個位置受力不一樣.

師:力的什么不一樣?——辨別能力.

生:方向.

師:那看來磁場是有方向的,如果讓你把這一點的磁場方向給標(biāo)注出來,你怎么標(biāo)注呢?——分析能力.

生:用箭頭.

師:那箭頭往哪里指呢?

生:紅色針方向.

師:其實兩邊都可以,只是我們統(tǒng)一規(guī)定用小磁針N極(也就是大家說的紅色針)指向來表示該點的磁場方向.那其余的位置磁場方向該如何標(biāo)注呢?下面請同學(xué)們嘗試畫在學(xué)案上[圖2(a)],請一位同學(xué)在電視屏幕上完成標(biāo)注.——應(yīng)用、執(zhí)行能力.

圖2 磁場各點的方向

【學(xué)生活動】描繪各點磁場方向.

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生通過類比風(fēng)的方式進(jìn)一步確定這種看不見、摸不到的東西——磁場的存在,將磁場中小磁針類比為風(fēng)中的紅旗、樹葉,引導(dǎo)學(xué)生從形象思維到抽象思維進(jìn)行過渡,從而意識到磁場是有方向的.除培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、比較、描述等必備能力外,著重培養(yǎng)學(xué)生的分析、推理、概括能力.之后引導(dǎo)學(xué)生通過觀察不同位置小磁針的指向去描述條形磁體周圍各點的磁場方向,旨在培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用、執(zhí)行、概述及預(yù)測能力,引導(dǎo)學(xué)生深度挖掘科學(xué)問題,是學(xué)生形成高階思維的必經(jīng)之路.

師:從剛剛的分析中我們發(fā)現(xiàn)磁場中各個位置方向不盡相同,那強弱會一樣嗎?——觀察、推理能力.

生:不一樣.

師:你怎么知道的?——觀察、分析的能力.

生:磁極磁性強.

3 指向高階思維發(fā)展的實施環(huán)節(jié)——“描述磁場特點”

師:非常好,看來我們想準(zhǔn)確地描述磁場不光要把方向描述出來,也要把強弱也描述出來,那怎么描述呢?(停頓)其實我們還可以類比風(fēng),就像這幅圖(圖3),你看它是怎么描繪風(fēng)的?——分析能力.

圖3 對風(fēng)的描述

生:用線.

師:能給你點啟示嗎?我們可以怎么描述磁場呢?——比較、分析能力.

生:用線條.

師:那會是什么樣的線條呢?(停頓)仔細(xì)觀察你剛剛畫出的各點方向[圖2(b)],你能發(fā)現(xiàn)什么?——觀察、概述與創(chuàng)造能力.

生:左邊都是往外走,右邊都是往回走,中間是從出來的方向指向回去的方向.

師:那你想象一下它周圍的場線會是什么樣呢?邊想,可以邊參考這個鐵屑分布的實驗.——觀察、描述與整合能力.

【演示實驗3】條形磁體周圍撒鐵屑[圖4(a)].

圖4 磁場的分布

師:大家可以試著在學(xué)案[圖4(b)]虛線框內(nèi)畫一畫磁體周圍磁場分布.——設(shè)計能力.

【描述】畫幾條磁感線.

師:這樣的話看看磁場的強弱和方向都表示出來了嗎?方向沒問題,那強弱呢?能看出來嗎?——辨別、推理能力.

生:磁極附近磁場較強,磁體中部,距離磁體遠(yuǎn)的位置較弱.

師:怎么看出來的呢?——觀察、整合能力.

生:線條的疏密程度.

師:很好,這樣,我們就將條形磁體周圍存在的這種特殊的物質(zhì)——磁場形象地描述出來了,其實剛剛我們所用到的這種帶箭頭的曲線在物理學(xué)中就叫做磁感線.它是為了描述磁場而人為建構(gòu)的一種物理模型.

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)基于之前的實驗現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生嘗試描述磁場,明確要想清楚描述出磁場必須想辦法同時描述出磁場的大小和方向,從而再一次類比風(fēng)的描述,通過磁場方向的描述尋找規(guī)律,嘗試預(yù)測條形磁體周圍的磁場分布,再結(jié)合條形磁體周圍鐵屑的分布情況描述出磁場,從而建構(gòu)磁感線模型.本環(huán)節(jié)除了能培養(yǎng)學(xué)生的觀察、比較、分析、描述等基礎(chǔ)能力外,還加入了對學(xué)生設(shè)計、概述、辨別、整合和創(chuàng)造能力的培養(yǎng),真正讓學(xué)生形成高階思維.

4 指向高階思維發(fā)展的實施環(huán)節(jié)——“關(guān)注物理模型建構(gòu)過程”

以上教學(xué)將建構(gòu)磁感線模型分為3個階段,將教學(xué)適當(dāng)“放慢”,旨在落實每一個環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo),思維層層遞進(jìn),更好地培養(yǎng)學(xué)生觀察、描述、分析、推理、辨別、預(yù)測、整合、交流和創(chuàng)造的能力,從而發(fā)展學(xué)生的高階思維,切實落實物理學(xué)科核心素養(yǎng),達(dá)到真正育人的目的(見表1).

表1 “磁感線”模型建構(gòu)中學(xué)生思維水平發(fā)展

回顧教學(xué)設(shè)計中的3個主要教學(xué)階段:在第一階段,引導(dǎo)學(xué)生觀察同名磁極相互排斥的實驗,讓學(xué)生初步感知磁體周圍存在某些特殊的物質(zhì),從而猜想磁體周圍有磁場,培養(yǎng)學(xué)生觀察、識別、解釋、比較、推斷的能力,學(xué)生認(rèn)知層次處于低階思維.在第二階段,引導(dǎo)學(xué)生通過類比風(fēng)進(jìn)一步研究磁場,通過觀察條形磁體周圍小磁針的指向意識到磁場有方向,引導(dǎo)學(xué)生從形象思維過渡到抽象思維,培養(yǎng)學(xué)生分析、識別、推理、概述、應(yīng)用及執(zhí)行能力.學(xué)生認(rèn)知層次處于由低階思維向高階思維過渡階段,其中,辨別、預(yù)測、分析和概述均屬于高階思維層次.第三階段,教師并未立即演示撒鐵屑的實驗,而是讓學(xué)生根據(jù)磁場方向發(fā)現(xiàn)規(guī)律,進(jìn)行想象,再結(jié)合鐵屑在條形磁體周圍的分布最終創(chuàng)造出描述磁場的具體方法,從而建構(gòu)出磁感線這一物理模型,學(xué)生認(rèn)知層次處于高階思維.以上3個階段階梯式提升學(xué)生的認(rèn)知層次,其目的是讓學(xué)生經(jīng)歷模型建構(gòu)的過程,深刻領(lǐng)悟建構(gòu)模型的方法,從而真正達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生高階思維的目的.

其實物理建模在中學(xué)物理中是一種非常重要的科學(xué)方法,在解決實際問題和認(rèn)識客觀世界中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用.借助“模型”概念尋找客觀世界的真實規(guī)律是一個必經(jīng)的過程.當(dāng)遇到實際問題時,首先可以引導(dǎo)學(xué)生通過直觀的實驗現(xiàn)象感知它的存在,為了進(jìn)一步研究其性質(zhì),可以找到或者構(gòu)建一些適合的模型來形象地描述它,之后再利用所構(gòu)建的模型去研究更加抽象、復(fù)雜的問題.從簡單模型到復(fù)雜模型,從理想模型到實際問題是一個循序漸進(jìn)逐步認(rèn)識客觀世界的過程.當(dāng)然物理模型也不是一成不變的,它經(jīng)常會隨真實情境條件變化而變化.所以模型建構(gòu)的過程就是從實際問題到現(xiàn)象感知到建構(gòu)模型再到模型檢驗,最后是模型應(yīng)用,這便是物理模型建構(gòu)的一般思路,如圖5所示.因此,創(chuàng)設(shè)基于模型建構(gòu)的科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境,有助于學(xué)生建模思維的發(fā)展和解決問題的能力.

圖5 模型建構(gòu)的一般思路(以“磁感線”模型建構(gòu)為例)

5 結(jié)束語

真實的物理教學(xué),應(yīng)該關(guān)注對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng).合理地設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生從低階思維邁向高階思維的有效途徑,是提高學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的基礎(chǔ).只有在教學(xué)中注重對學(xué)生科學(xué)研究方法的培養(yǎng),同時關(guān)注學(xué)生高階思維的發(fā)展,才能使學(xué)生將科學(xué)探究與科學(xué)思維相融合,進(jìn)而增強其創(chuàng)新意識和實踐能力,以更好地落實物理學(xué)科核心素養(yǎng),真正將立德樹人的根本任務(wù)落到實處,為國家科技進(jìn)步培養(yǎng)更多優(yōu)秀人才.