以“幾種常見的磁場”教學為例淺談科學思維的培養

(浙江省慈溪中學,浙江 寧波 315300)

新一輪課改明確提出要培養學生的核心素養,物理核心素養主要包括“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態度與責任”4個方面．相較于三維目標,物理核心素養直接將科學思維提了出來．從某種意義上說,聚焦物理核心素養的實質,就是在知識建構和方法習得的基礎上,注重學生科學思維的培養．從學科內容來看,物理作為一門以研究物質及其運動為基礎的學科,對于學生核心素養的發展最重要的貢獻也正是樹立科學意識和掌握科學思維的方法．筆者以“幾種常見的磁場”教學為例,就物理核心素養中科學思維的培養方法展開討論．

1 課堂和生活相聯系的科學思維

生活是物理課堂的源泉,也是物理教學的根基和落腳點．物理知識的學習過程是學生從經驗到理論的轉化、從生活到科學的上升過程．新課程標準強調要加強物理知識與實際生活的聯系,把滲透物理知識的實際應用作為當前物理改革的方向,也體現了從生活走向物理、從物理走向生活的理念．

因此,在課堂教學中應當充分挖掘物理學科聯系實際生活的素材,用生動、豐富的生活事例或實驗來豐富教學內容,優化教學過程,這是活化物理教學,提高學生物理知識建構的有效途徑．

教學環節:用生活中的一個趣味小實驗——磁懸浮列車模型作為引入,把地球周圍的磁場、核磁共振儀的應用作為補充,充分激發學生的學習興趣,調動課堂氣氛,使知識的認知變得形象化、趣味化、生動化和生活化,這是物理來源于生活,取材于生活最好的詮釋．在知識應用的環節,拋出問題留給學生課后思考:銀行卡磁條周圍的磁場分布是怎么樣的?這一教學環節滲透了物理知識回歸生活,反饋生活的教學理念(見圖1)．

2 局部和整體相協調的科學思維

作為教師,應該引導學生理順知識的內部結構和關系,用高屋建瓴的視角看待整節課的知識

5 結語

內容;以整體的眼光組織、設計和處理各知識點的關系,培養學生在整體中、聯系中、比較中學習的能力,從而幫助學生將知識由點及面,形成立體、開放、整體的知識結構．

教學環節:在探究幾種常見的磁場分布特點時,由條形磁鐵著手,進一步研究電流周圍的磁場分布特點．教學內容結構化的處理,教學方式遞進式的安排,充分考慮了各個環節內在的邏輯關系,既符合知識內容本身的邏輯,也符合學生認知和建構的邏輯．從條形磁鐵——直線電流——環形電流——通電螺線管4種模型,彼此看似無關且獨立,實為層層遞進,最終由安培分子環流假說把幾個模型進行了統一．這一教學環節中,通過為學生搭建合理的思維階梯,從而達到科學思維培養的效果(見圖2)．

圖2

3 抽象和具象相統一的科學思維

抽象和具象相統一的原則,是指人類在認識客觀事物的過程中,從具體到抽象,再從抽象到具象的統一,是學生獲得正確認知并不斷深化的過程．一般來說,學生知識的形成和掌握過程,往往需要經歷從抽象到具象,再從具象到抽象的過程．有時甚至需要經過多次反復結合,學生對概念的認知、對規律的理解才會完整而深入,不然只會是干巴巴的結論．從抽象到具象的過程,可以使學生獲得生動的、感性的認識,但是這種感性認識往往是淺顯的、表面化的,并沒有揭露知識的本質．而真正的理解和認知,必須在此基礎上再進行科學的抽象,通過科學分析和概括,得到知識的本質規律．這就是所謂的從具象回到抽象,由理性認知回到感性認知．

在本節課的教學中,充分利用演示實驗、學生分組實驗、板書、模型展示、Flash動畫等直觀的教學手段,使學生獲得豐富具體的感性認識和體驗．

教學環節:在探究條形磁鐵周圍的磁場分布特點時,筆者在布滿小磁針的塑料板槽口位置,放上條形磁鐵．學生通過觀察,發現塑料板上小磁針的排布和指向呈現出對稱性．條形磁鐵不動,以軸線為中心轉動塑料板,發現在空間各平面上小磁針的指向和分布仍然保持不變．在這一教學環節中,從磁感線平面分布模型慢慢過渡到立體分布模型．把抽象知識還原到具體的實物情境中,化單一枯燥的學習為形象直觀的體驗,增強學生的感受力和理解力．同時通過播放條形磁鐵磁感線3D動畫,展示條形磁鐵的空間磁場分布特點,加深學生的感性認識．教學中獲得具象的“感性認識”并不是目的,而只是一種手段,有助于學生更好地掌握規律,形成概念(見圖3)．

圖3 條形磁鐵周圍磁感線分布模型

教學環節:在探究直線電流周圍的磁場分布特點時,為加深學生對于安培定則的理解,設置了學生自制教具的教學環節．用白紙卷成細長的圓柱體表示直線電流的模型,標上箭頭表示電流方向．通過觀察鐵屑模擬直線電流周圍磁感線的演示實驗,在另一張白紙上畫出磁感線分布形狀．同桌合作,把直線電流模型插到磁感線圓心處,便得到了磁感線分布形狀的立體模型．進一步展示筆者自制的多平面磁感線分布模型,加深學生對于直線電流周圍空間磁場分布模型的感性體驗和認知(見圖4)．

圖4

在這一教學環節中,采用自制教具進行輔助教學,有助于學生親自觀察、親身體會,有助于調動學生課堂的參與度,激活學生形象思維,從而突破難點,強化理解．

教學環節:在探究環形電流周圍的磁場分布特點時,筆者用帶箭頭的呼啦圈來模擬環形電流．呼啦圈代表環形導線,箭頭方向表示電流方向．首先,采用微元的思想,從理論的角度分析了環形電流周圍的磁場分布特點．請學生上臺,用判斷直線電流周圍磁場方向的安培定則,演示環形電流上每一個電流元周圍的磁場方向．最終得到判斷環形電流周圍磁場方向的安培定則(見圖5)．

圖5

學生上臺演示的教學活動,用教學情景刺激學生的身體感知,調動學生多方位的感受,用口動、手動、身動的結合來激發學生的學習興趣,提高學習質量,加深感性認知．同時,通過建立直線電流、環形電流兩類模型之間的聯系,幫助學生更好地構建環形電流的磁場分布立體模型．

物理課程標準指出:“通過科學想象和科學推理方法的結合,發展學生的想象力和分析概括能力,使學生形成良好的思維習慣”．抽象概括思維是科學思維的一種重要形式,是發展創造性思維的前提和基礎,對科學思維的培養具有至關重要的作用．要在具體的感性認知的基礎上,培養學生分析歸納、抽象概括的能力,從而掌握事物的本質和規律．這是物理學習過程中從具象回到抽象的過程．引導學生通過比較、總結和歸納的方法,得出3種模型中電流方向和磁場方向關系的安培定則,是必不可少的教學環節．

4 定性和定量相結合的科學思維

定性分析和定量探究是物理教學中常用的兩種方法．定性分析是通過對物理問題的分析、解構,重新構建理想化的物理模型,再用物理知識定性地解釋物理現象,描述物理規律的過程．定量研究是在定性分析的基礎上,將物理模型清晰化,用適當的數學方法求出精確解的過程．定性分析更多側重于對于問題的整體把握和理解,而定量分析則更利于抓住問題的本質．

教學環節:在探究條形磁鐵、直線電流、環形電流、通電螺線管等基本模型的磁場分布特點時,均采用了定性分析的方法．用鐵屑模擬法,模擬了周圍磁感線分布形狀,解決了“看不見、摸不著的磁感線如何描述”的問題．同時引導學生回顧了描述磁場方向的方法:小磁針靜止時N極所指的方向是某一點的磁場方向(見圖6)．

圖6 定性分析：鐵屑模擬法

在空間某一位置具體的磁感應強度大小是多少?如果想要得到更直觀、更有說服力的實驗結論,則必須要由定性分析上升到定量探究．從定性到定量的探究,也符合科學探究的基本思路．筆者以通電螺線管為例,用磁傳感器定量探究了通電螺線管內部磁感應強度的大小,并做出磁感應強度的大小隨位置變化的圖像．實驗發現,通電螺線管內部的磁感應強度大小,在一定范圍內保持不變(見圖7)．

圖7 定量探究：磁傳感器測量法

綜上,以“幾種常見的磁場”教學為例,闡述了科學思維培養的4種基本方法:課堂和生活相聯系、局部和整體相協調、抽象和具象相統一、定性和定量相結合,力求在物理課堂教學過程中使學生形成科學思維、樹立科學意識、提升核心素養．