凸顯學(xué)習(xí)進(jìn)階的物理習(xí)題教學(xué)設(shè)計策略

摘要：培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，關(guān)鍵在于促進(jìn)學(xué)生的思維進(jìn)階，其本質(zhì)是落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。在物理習(xí)題教學(xué)中，教師應(yīng)在夯實學(xué)生基礎(chǔ)知識的前提下，設(shè)計層層遞進(jìn)的問題情境，重視方法遷移，突出思維訓(xùn)練，并針對學(xué)生的疑問進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)問，引導(dǎo)學(xué)生深度思考。采用這樣的教學(xué)設(shè)計策略，可以有效提升學(xué)生的思維品質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生由識記、領(lǐng)會、應(yīng)用的低階思維向分析、綜合、評價的高階思維進(jìn)階。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進(jìn)階；物理習(xí)題；安培力；科學(xué)思維

1物理教學(xué)中學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的價值

美國國家研究理事會（NRC）將學(xué)習(xí)進(jìn)階定義為“是對學(xué)生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述。在一個適當(dāng)?shù)臅r間跨度下，學(xué)生學(xué)習(xí)和探究某一重要知識或?qū)嵺`領(lǐng)域時，思維方式逐漸進(jìn)階”。［1］學(xué)習(xí)進(jìn)階是學(xué)生從具有初始理解水平的“低錨點(diǎn)”跨越學(xué)習(xí)理解凌亂區(qū)到達(dá)更高理解水平的“高錨點(diǎn)”，即進(jìn)階和跨越并非學(xué)生知道了更多知識，而是學(xué)生思考問題的方式發(fā)生了變化，學(xué)生的思維品質(zhì)從低階水平升級為高階水平。美國教育家、心理學(xué)家本杰明·布魯姆（BenjaminBloom）將學(xué)生的思維層次分為六個級別：記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價、創(chuàng)造。這六個級別層次逐漸提高，前三者屬于低階思維能力，后三者屬于高階思維能力。［2］按照布魯姆的認(rèn)知目標(biāo)分類思想，高階思維在教學(xué)目標(biāo)分類中表現(xiàn)為分析、評價和創(chuàng)造，如表1所示。［3］

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出了包括科學(xué)思維在內(nèi)的學(xué)科核心素養(yǎng)。其中，“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出疑問和批判，進(jìn)行檢驗和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格。［4］實現(xiàn)學(xué)生思維進(jìn)階與科學(xué)思維核心素養(yǎng)的培養(yǎng)在本質(zhì)上是相同的，目標(biāo)也是一致的。思維嚴(yán)謹(jǐn)者能運(yùn)用科學(xué)思維方法，從定性和定量兩個方面對相關(guān)問題進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律并形成結(jié)論；思維敏捷者具有使用科學(xué)證據(jù)的意識和評估科學(xué)證據(jù)的能力，能利用證據(jù)對研究的問題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測；思維深刻者具有批判性思維的意識，能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑，從不同角度思考問題，追求科技創(chuàng)新。然而，學(xué)生的成長是一個持續(xù)的“進(jìn)階”過程，不能單純靜待學(xué)生自發(fā)頓悟。這就要求物理教學(xué)全過程設(shè)計，明確學(xué)生的思維起點(diǎn)，精心設(shè)計符合學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”的課堂，明確教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計“進(jìn)階點(diǎn)”，找對課堂設(shè)計策略。

2物理習(xí)題教學(xué)中促進(jìn)思維進(jìn)階的必要性

思維進(jìn)階不僅是為了提高學(xué)生的物理學(xué)業(yè)水平，更是為了提升學(xué)生的思維品質(zhì)，服務(wù)于學(xué)生的終身發(fā)展。物理習(xí)題教學(xué)是以解決問題為主線，促進(jìn)知識內(nèi)化的過程，是啟迪學(xué)生智慧、提升學(xué)生思維的重要課程，是學(xué)生思維發(fā)展的“最后一公里”。在習(xí)題教學(xué)中促進(jìn)思維進(jìn)階，凸顯科學(xué)思維的培養(yǎng)，是貫徹新課標(biāo)理念，落實物理課程目標(biāo)的具體實踐。物理習(xí)題教學(xué)設(shè)計要準(zhǔn)確把握學(xué)生學(xué)習(xí)的起點(diǎn)，預(yù)設(shè)學(xué)生學(xué)習(xí)的增長點(diǎn)，為學(xué)生鋪設(shè)好臺階，創(chuàng)設(shè)循序漸進(jìn)的物理情境，重視方法遷移，設(shè)計好引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考的好問題，這樣才能促進(jìn)學(xué)生的知識內(nèi)化和思維進(jìn)階。

3物理習(xí)題教學(xué)中促進(jìn)思維進(jìn)階的策略

3.1夯實基礎(chǔ)，融通知識——思維進(jìn)階的基礎(chǔ)

知識是學(xué)生學(xué)習(xí)的載體，通過知識的傳授、內(nèi)化，學(xué)生可以掌握方法、領(lǐng)悟物理思想。如果學(xué)生不具備扎實的基礎(chǔ)知識，就無法處理復(fù)雜的習(xí)題情境，更不用說掌握思想方法、提升思維水平和促進(jìn)思維進(jìn)階了。要在物理習(xí)題教學(xué)中對學(xué)生進(jìn)行思維訓(xùn)練，實現(xiàn)思維進(jìn)階，要求學(xué)生必須先掌握基礎(chǔ)知識和基本方法。因此，習(xí)題教學(xué)的起點(diǎn)要低，要從夯實學(xué)生知識基礎(chǔ)、使學(xué)生領(lǐng)悟基本方法開始。例如“安培力”的復(fù)習(xí)，需要從以下兩個方面夯實學(xué)生的知識基礎(chǔ)。

第一，安培力的大小。①通電導(dǎo)線與磁場垂直時，安培力大小為F＝BIL；②通電導(dǎo)線與磁場平行時，安培力大小為F＝0；③通電導(dǎo)線與磁場夾角為θ時，安培力大小為F＝BILsinθ。具體處理方法如圖1所示，將磁感應(yīng)強(qiáng)度沿平行和垂直于電流方向進(jìn)行分解。

第二，安培力的方向。讓學(xué)生復(fù)述左手定則并動手比畫。不熟練定則的內(nèi)容就好比玩游戲時不清楚規(guī)則，結(jié)果是無法參與到游戲中。

3.2創(chuàng)設(shè)情境，循序漸進(jìn)——思維進(jìn)階的保障

為了確保學(xué)生能夠有所收獲，尤其是讓基礎(chǔ)知識較差的學(xué)生也能夠有獲得感，進(jìn)而建立起學(xué)好物理的信心和持續(xù)學(xué)習(xí)物理的動力，教師呈現(xiàn)的習(xí)題情境，應(yīng)從基礎(chǔ)情境開始，做到循序漸進(jìn)，逐步深入。通過基礎(chǔ)情境的設(shè)置，可以鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識，讓基礎(chǔ)知識較差的學(xué)生有可以學(xué)習(xí)的內(nèi)容，而基礎(chǔ)知識較好的學(xué)生在增加難度的情境中深化對知識的理解。學(xué)生只有在逐步理解這些循序漸進(jìn)的問題后，才能處理各種復(fù)雜多變情境下的物理問題，進(jìn)而在解決問題的過程中實現(xiàn)思維水平的提升。可見，創(chuàng)設(shè)循序漸進(jìn)的情境，促進(jìn)學(xué)生解決問題的能力由簡單應(yīng)用向綜合分析躍升，是促進(jìn)學(xué)生思維進(jìn)階的保障。

“安培力”的復(fù)習(xí)中，可以將常見的問題情境分為“勻強(qiáng)磁場＋直導(dǎo)線”“勻強(qiáng)磁場＋彎導(dǎo)線”“非勻強(qiáng)磁場＋直導(dǎo)線”“非勻強(qiáng)磁場＋彎導(dǎo)線”這四類，如表2所示。

這四類問題情境逐漸復(fù)雜，難度遞增，知識的關(guān)聯(lián)度、信息的綜合度都越來越高，對學(xué)生思維能力的要求也越來越高。

在“勻強(qiáng)磁場＋直導(dǎo)線”的情境中，學(xué)生判斷磁場方向與電流方向是否垂直時，要注意題中給定一個角度后，容易出錯的問題，尤其是對于C情境中電流與磁場方向異面垂直的情況下，學(xué)生容易產(chǎn)生誤判的情況。此外，利用A情境還可糾正學(xué)生死套公式的不良習(xí)慣。在A情境中，題目給出電流方向與水平方向成θ角，但是該角度不是公式F＝BILsinθ中的θ角，二者剛好互余。在“勻強(qiáng)磁場＋彎導(dǎo)線”的情境問題中，學(xué)生需要將解決“勻強(qiáng)磁場＋直導(dǎo)線”問題中的知識、方法等遷移過來。將彎導(dǎo)線所受安培力等效成直導(dǎo)線所受安培力，最終將彎導(dǎo)線等效成相應(yīng)有效長度的直導(dǎo)線。在“非勻強(qiáng)磁場＋直導(dǎo)線”的情境中，需要學(xué)生將非勻強(qiáng)磁場轉(zhuǎn)化為勻強(qiáng)磁場。在“非勻強(qiáng)磁場＋彎導(dǎo)線”的情境中，需要學(xué)生將非勻強(qiáng)磁場轉(zhuǎn)化為勻強(qiáng)磁場，將彎導(dǎo)線轉(zhuǎn)化為直導(dǎo)線。這四個情境問題難度依次遞增，對學(xué)生的要求越來越高，需要學(xué)生具備化曲為直的思想，利用微元法將非勻強(qiáng)磁場轉(zhuǎn)化為勻強(qiáng)磁場，將彎導(dǎo)線轉(zhuǎn)化為直導(dǎo)線分析問題。

3.3遷移方法，凸顯思維——思維進(jìn)階的抓手

學(xué)生只有將方法遷移到新問題的解決中，才算是真正學(xué)懂了物理，真正掌握了物理知識。在進(jìn)行方法的遷移時，學(xué)生需要思考新情境與舊情境之間的區(qū)別與聯(lián)系，判斷處理舊情境的方法是否適用新情境，當(dāng)新情境的處理面臨多種方法的選擇時，學(xué)生還要考慮何種方法最簡單，即學(xué)生在進(jìn)行方法的遷移時，需要進(jìn)行一系列復(fù)雜的思維活動。在設(shè)計、甄選問題解決方案時，學(xué)生需要進(jìn)行獨(dú)立思考，形成方案后需要再進(jìn)行綜合分析、對比評價，這樣思維才能從識記、領(lǐng)會、應(yīng)用的低階水平向分析、綜合、評價的高階水平進(jìn)階?？梢?，習(xí)題教學(xué)突出方法的遷移可以起到訓(xùn)練學(xué)生思維、提升學(xué)生思維品質(zhì)、促進(jìn)思維進(jìn)階的作用。

3.3.1從直導(dǎo)線到彎導(dǎo)線

在“安培力”的習(xí)題教學(xué)中，學(xué)生已經(jīng)掌握了勻強(qiáng)磁場中的通電直導(dǎo)線所受安培力大小的計算和方向的判斷，但遇到的情境未必都是直導(dǎo)線，有時會是通電彎導(dǎo)線。為此，可以引導(dǎo)學(xué)生將研究直導(dǎo)線的方法遷移過來，具體如下。

教師給學(xué)生呈現(xiàn)情境（見圖2），磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，導(dǎo)線中通以電流I，AB⊥BC，AB長為a，BC長為b。讓學(xué)生思考如何才能求出彎導(dǎo)線ABC所受安培力的大小和方向，引導(dǎo)學(xué)生化曲為直，將彎曲導(dǎo)線轉(zhuǎn)化為直導(dǎo)線求解。學(xué)生沒有接觸過等效長度的方法，他們會提出分別求出AB、BC所受的安培力，然后再求合力這樣的方法，如圖3所示，F(xiàn)＝F21＋F22＝BIa2＋b2，tanθ＝ab。

通過上述轉(zhuǎn)化，問題似乎得到了解決，但是如果通電導(dǎo)線彎曲得更復(fù)雜，有多段折線，每次都用求出每一段受到的安培力然后合成的方法過于復(fù)雜，教師提問：有沒有其他辦法呢？由幾何關(guān)系，可得LAC＝a2＋b2，即有F＝BIa2＋b2＝BILAC，則計算安培力的大小時，可以將導(dǎo)線首尾相連的線段長度等效為通電彎導(dǎo)線的有效長度（見圖4），再利用安培力的公式計算即可。設(shè)F與水平方向的夾角為θ′，則有tanθ′＝ab，θ＝θ′。綜上可得，求導(dǎo)線ABC所受安培力可以等效為求直導(dǎo)線AC所受安培力，解題時可將線段AC的長度視為“有效長度”。

為了將上述“等效長度”的方法推廣到一般情況，本文創(chuàng)設(shè)如圖5所示的情境。勻強(qiáng)磁場中有一段任意形狀的導(dǎo)線，導(dǎo)線中通有電流I，引導(dǎo)學(xué)生猜想并證明該導(dǎo)線所受安培力。首先，引導(dǎo)學(xué)生將前面處理彎導(dǎo)線所受安培力時化曲為直的方法遷移過來；接著，讓學(xué)生思考將曲線轉(zhuǎn)化成直線，引導(dǎo)學(xué)生分析后得出：將曲線分成若干段，每一段曲線都可近似看成直線，每一段直線又可以等效成折線。在水平方向有ΔF1＝BIΔL1，ΔF2＝BIΔL2，…，在豎直方向有ΔF1′＝BIΔL1′，ΔF2′＝BIΔL2′，…，然后分別求和，等效成等長向上的線段ab、等長向下的線段ba，向右的線段ca和ad，ab和ba互相抵消，最終等效成向右的線段cd受力，即cd為有效長度。

3.3.2從勻強(qiáng)磁場到非勻強(qiáng)磁場

引導(dǎo)學(xué)生處理了勻強(qiáng)磁場的情境之后，還應(yīng)教會學(xué)生如何處理非勻強(qiáng)磁場的情境，即學(xué)會將非勻強(qiáng)磁場轉(zhuǎn)化為勻強(qiáng)磁場。在表1中“非勻強(qiáng)磁場＋直導(dǎo)線”的情境，利用微元法將直導(dǎo)線分成若干小段，每一小段所處位置的磁場變化幾乎可以忽略，可看成勻強(qiáng)磁場。

3.3.3從時間元到空間元

學(xué)生在處理“非勻強(qiáng)磁場＋直導(dǎo)線”情境時，很難想到使用微元法，教師可以引導(dǎo)學(xué)生類比“勻變速直線運(yùn)動位移公式的推導(dǎo)”中將時間分成若干“時間元”的方法。在非勻強(qiáng)磁場的情境中，將導(dǎo)線所處位置分成若干小段，即若干“空間元”。這樣，采用類比的方法，將微元法從學(xué)生熟悉的“時間元”遷移到“空間元”。

3.4精確設(shè)問，發(fā)展思維——思維進(jìn)階的關(guān)鍵

教師應(yīng)精準(zhǔn)地設(shè)問，針對學(xué)生學(xué)習(xí)的“痛點(diǎn)”，將學(xué)習(xí)難度有效分解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，調(diào)動學(xué)生積極主動思考、探索未知，刺激學(xué)生為學(xué)習(xí)付出努力。學(xué)習(xí)越主動，思維就越活躍，這有利于學(xué)生思維的發(fā)展，也有助于他們更好地掌握知識。教師可以通過精確設(shè)問，促進(jìn)學(xué)生深入思考，將學(xué)生的思維引入到分析、評價、創(chuàng)造的高階層次，實現(xiàn)學(xué)生思維進(jìn)階。

3.4.1什么時候可以取有效長度？

在學(xué)習(xí)了處理折線、彎導(dǎo)線“等效長度”的方法后，學(xué)生未必清楚取有效長度的條件。不清楚這一點(diǎn)，學(xué)生在后續(xù)學(xué)習(xí)中可能會誤用等效長度的處理方法。為此教師可以設(shè)問：什么時候才能取有效長度？在處理折線所受安培力時磁場有何特點(diǎn)？在處理任意曲線所受安培力時磁場有何特點(diǎn)？通過上述問題，引導(dǎo)學(xué)生知道采用“等效長度”的方法需要滿足勻強(qiáng)磁場的條件。

3.4.2為何只能轉(zhuǎn)到中間？

在處理“非勻強(qiáng)磁場＋直導(dǎo)線”情境時，分析蹄形磁體上方的通電直導(dǎo)線受力情況，得出其會沿順時針（從上往下看）方向轉(zhuǎn)動后，教學(xué)中一般會默認(rèn)其轉(zhuǎn)到中間位置。但對于為何導(dǎo)線只能轉(zhuǎn)到中間位置，以及其能否繼續(xù)沿順時針（從上往下看）方向轉(zhuǎn)動，卻少有分析。學(xué)生對此也會有疑問——導(dǎo)線轉(zhuǎn)起來后為何不能一直轉(zhuǎn)下去？教學(xué)中如果有學(xué)生提出該問題，教師應(yīng)順勢引導(dǎo)學(xué)生分析。如果沒有學(xué)生提出疑問，則教師應(yīng)主動提問：“導(dǎo)線能一直轉(zhuǎn)下去嗎？”并指導(dǎo)學(xué)生使用微元法，分析導(dǎo)線受力情況及作出判斷。通過受力分析，學(xué)生知道，當(dāng)導(dǎo)線偏離中間位置斜向左側(cè)時，紙面外側(cè)的導(dǎo)線受安培力向右，紙面內(nèi)側(cè)的導(dǎo)線受安培力向左，即使越過中間位置也會在安培力的作用下回到中間位置，最終停在中間位置。

3.4.3微元法為何取四個“空間元”？

在處理非勻強(qiáng)磁場問題的時候，采用微元法將非勻強(qiáng)磁場轉(zhuǎn)化為勻強(qiáng)磁場，在這個問題的分析中一般教師會帶領(lǐng)學(xué)生取四個“空間元”。以表1中研究蹄形磁體上方通電直導(dǎo)線運(yùn)動情況為例，在中點(diǎn)左側(cè)取兩個“空間元”，在中點(diǎn)右側(cè)取兩個“空間元”。為何要取四個“空間元”，而不是更少或更多？將這一個問題拋給學(xué)生思考，有利于學(xué)生更加透徹地理解微元法。如果取更少的“空間元”，由于“取樣”不充分，可能導(dǎo)致錯誤的結(jié)論，或結(jié)論正確但說服力不夠；如果取的“空間元”太多，則不太必要。所以，在研究問題時，取四個分散的“空間元”相對比較合適。通過這一設(shè)問的引導(dǎo)，不僅有利于學(xué)生掌握運(yùn)用微元法的具體操作策略，還有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S品質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生思維進(jìn)階。

4結(jié)語

教學(xué)的最終目標(biāo)是幫助學(xué)生的發(fā)展。通過促進(jìn)學(xué)生思維進(jìn)階，讓學(xué)生具有高階思維能力，才能為學(xué)生未來能夠更好地立足社會做準(zhǔn)備。

學(xué)生如果具備高階思維能力，就能夠在遇到問題時看得更遠(yuǎn)、思考得更深入，能夠更高效地從根本上解決問題，并且能夠創(chuàng)造性地找到解決方案。習(xí)題教學(xué)以教會學(xué)生應(yīng)用知識為主，習(xí)題的問題情境千變?nèi)f化，學(xué)生只有掌握了方法，提高思維水平，才能從容應(yīng)對不同的問題。教師在進(jìn)行習(xí)題教學(xué)時，除了夯實必備知識，促進(jìn)學(xué)生知識內(nèi)化，更要設(shè)計好學(xué)生學(xué)習(xí)的“階梯”，促進(jìn)學(xué)生的思維進(jìn)階。

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**基金項目：本文系江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究第十四期重點(diǎn)課題“基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的初高中物理實驗教學(xué)銜接的研究”（課題編號：2021JY14－ZB05）階段性研究成果。

教學(xué)研究2024年第6期