基于科學思維能力培養的高中物理教學設計
——以“安培力的方向”教學片斷為例

顏少芬 付麗萍

(閩南師范大學物理與信息工程學院,福建 漳州 363000)

1 問題的提出

科學思維是物理核心素養的核心內容,[1]是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式,主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.[2]教育的一個重要目的是要教會學生如何正確地去思考問題,培養學生的思維能力.科學思維能力的培養有助于學生建構個人的思維體系,形成一套解決問題的方法和策略,在面對復雜的科學問題時能有效地提取關鍵信息,對不同的觀點能提出質疑和創造性的見解.

“安培力的方向”是司南版選修3-1第6章第1節“探究磁場對電流的作用”的主要內容.普通高中物理課程標準(2017年版)對本片斷教學的要求:通過實驗,認識安培力;能判斷安培力的方向.[2]司南版教材的呈現方式是:① 以鋁箔“天橋”實驗(如圖1所示)引出通電導線在磁場中受到力的作用.在實際教學過程中發現,教材中鋁箔紙高度不夠,很難同時觀察到拱起和下凹現象,且實驗過程中如要改變電流方向操作繁瑣,不易實現;② 通過實驗(如圖2所示)定性探究影響安培力的因素(大小、方向同時探究),然后直接給出左手定則.教材缺少對左手定則建構過程的思維揭示,不利于學生形成科學思維.在學習過程中,學生對安培力的方向與哪些因素有關及3者的空間位置關系缺少感性認識,且學生在科學抽象思維、空間想象等方面的能力還較為薄弱,對左手定則的建立過程存在思維障礙.

圖1 鋁箔“天橋”

圖2 觀察安培力與哪些因素有關實驗裝置

2 以培養科學思維能力為目標的教學設計

基于以上分析,筆者以 “安培力的方向”教學片斷為載體,圍繞如何培養學生的科學思維能力設計了如圖3所示的教學思路.

圖3 “安培力的方向”教學設計思路

結合普通高中物理課程標準(2017年版)中物理學科核心素養的水平劃分,筆者制定了各教學環節中科學思維要素的學習目標(如表1所示).

表1 科學思維要素學習目標細化表

2.1 環節1:實驗觀察,科學推理

圖4 自制鋁箔“天橋”演示儀

恰當的情景讓學生圍繞問題進行探索,既能作為課堂教學實施的有力保障,又能調動、啟發學生積極思考、發現問題,促進教學的有效性.[3]為此,筆者利用自制鋁箔“天橋”演示儀如圖4所示(將鋁箔紙、發光二極管、雙刀雙擲開關以及干電池連接,讓蹄形磁鐵跨過“天橋”.通過發光二極管的發光情況可以明顯判斷電流方向,雙刀雙擲開關可以快速改變電流方向)創設真實情境,讓學生動手實驗,觀察開關閉合、斷開時的實驗現象.通過實驗觀察,科學推理,提出問題.

設計意圖:科學推理是根據一個判斷得出另一個判斷的思維形式.[4]通過有趣的鋁箔“天橋”實驗現象巧設問題情境,激發學生學習興趣,產生認知需要,引導學生對實驗現象進行分析推理,進而提出合理猜想,為學生搭建“觀察—思考—質疑”的思維橋梁.

教學過程如下.

師:通電鋁箔紙在磁場中為什么會動起來?

生:鋁箔紙的運動狀態發生變化.

師:鋁箔紙的運動狀態為什么會發生變化?

生:受到了力的作用——安培力.

師:為什么鋁箔紙會拱起或下凹呢?

生:安培力的方向是不同的.

提出問題:安培力的方向與哪些因素有關?

2.2 環節2:自主探究,分析論證

圖5 自制安培力方向演示儀

在探究“安培力的方向與哪些因素有關”的教學環節,我們巧用了自制安培力方向演示儀如圖5所示(主要由導體棒、導軌、蹄形磁鐵、接線柱以及開關構成.其中,導體棒可穩定地置于導軌上,使現象更加直觀明顯;用船型開關代替傳統的單刀單擲開關,更易操作且美觀;用接線柱可簡便更換電流方向)引導學生進行自主探究.分別觀察在初始情況、改變電流方向和改變磁場方向時,磁場、電流、安培力方向的改變情況,并把實驗結果記錄于圖表2中.在實驗證據的基礎上,通過對比分析,歸納得出:安培力方向與電流方向和磁場方向有關.

表2 探究安培力方向實驗分析

設計意圖:通過實驗獲取證據,以圖表的方式呈現收集到的數據.引導學生基于證據運用控制變量的思想分析論證、歸納推理得出結論,使學生經歷“探究—分析論證—歸納”的思維活動.

2.3 環節3:模型建構,“思維”可視化

物理模型可以劃分為兩類,一類是模擬式物理模型,另一類是理想化物理模型.[5]通過模型建構過程引導學生經歷物理概念和規律的形成過程,是發展科學思維的重要途徑.[2]為了突破本片斷教學的難點問題:找到安培力方向與通電導線電流方向、磁場方向的空間位置關系,我們隨手取材,借助生活中的橡皮泥、小木棒和顏料搭建空間立體物理模型,實現“思維”可視化.

情境1:問題驅動: ① 安培力的方向與電流方向和磁場方向有關,那么3者是否具有內在的聯系呢?② 3者是在同一條直線上嗎?③ 3者是在同一個平面內嗎?④ 3者具有怎樣的空間位置關系呢?

情境2:模型建構:引導學生利用橡皮泥和3根顏色不同的小木棒動手搭建初始情況3者的空間模型[如圖6(a)所示].通過觀察可以發現安培力方向垂直于電流方向,也垂直于磁場方向,3者的空間位置關系是兩兩垂直的.

情境3:質疑推理:改變電流方向、磁場方向是否也滿足兩兩垂直的空間位置關系呢?教學中通過讓學生分組搭建不同情況下的模型,生生互動產生質疑,動手實踐的過程中同學們發現通過旋轉第一個模型可以得到另外兩種情況的模型(如圖6所示).進而分析推理得出:安培力方向、電流方向、磁場方向三者的空間位置關系是固定不變的.

圖6

設計意圖:在中學物理教學中,模型思維是一種重要的科學思維,模型建構是一種主要的思維方式.通過模型建構過程,實現思維可視化,以此加深學生對3者空間位置關系的理解,突破左手定則建立過程中的思維障礙.

2.4 環節4：類比推理,“思維”具象化

左手定則可以幫助我們快速判斷安培力的方向,類似這樣的定則教師們大多是利用教材中的插圖,用對比分析的方式來講解,學生的任務則是學會運用左手定則來判斷安培力的方向.很少有人會疑問:為什么要用左手來判斷?它又是如何發展而來的?筆者引導學生從生活中的垂直關系入手,通過左右手類比分析、追根溯源,幫助學生構建左手定則.

圖7 左右手均滿足垂直關系

情境1:提出問題:生活中哪些地方也存在兩兩垂直的關系?(如墻角、桌角,再過渡到雙手)伸出雙手,如果讓大拇指與四指垂直并與手掌在同一平面內,會與垂直于手掌的方向形成兩兩垂直的關系,左右手都能滿足垂直關系(如圖7所示),那么用哪只手來表示安培力的方向呢?

情境2:類比分析:以圖9的實驗模型為例,引導學生進行類比分析,若讓磁感線垂直穿過手心(掌心向上),四指指向電流的方向(四指指向紙面),用大拇指來表示安培力的方向,此時左手的掌心、四指、大拇指恰好與實驗中的磁場、電流、安培力的方向相對應(如圖8、9所示).由此再進一步地引導學生總結歸納得出:判斷3者空間位置關系的一般方法—左手定則(如圖10所示).

圖10 左手定則圖示

情境3:史學滲透:為什么用左手來判斷安培力的方向呢?物理學家們起初傾向于用實驗儀器來將方向可視化,但儀器不便攜帶,便思考用生活用品(如手表)來幫助記憶,為了便于教學,物理學家們在前人的基礎上不斷思考如何用每個人基本都有的物體作為判斷工具,于是總結并約定一個個簡潔的記憶方法.[6]

設計意圖:類比使人們富于聯想,觸類旁通,是獲得創造性的啟發或靈感的一種有效思維方法.[7]在左手定則的學習過程中,雙手的幾何特征都滿足兩兩垂直的空間位置關系,為什么要用左手而不用右手,卻常常被教師們忽視.通過類比分析及揭示物理學家們建立定則的思維過程的教學活動,加強學生認知的完整性和邏輯性,提高學生的形象思維能力.

2.5 環節5:解釋交流、應用遷移

情境1:解釋現象:以圖11的實驗現象為例,引導學生討論分析此時的磁場和電流方向,并運用左手定則判斷安培力的方向,再通過操作檢驗實驗結果.

圖11 運用左手定則分析鋁箔“天橋”實驗

情境2:拓展應用:引導學生了解生活中安培力的應用.拓展延伸提出問題:我們通過學習知道了改變安培力的方向,可以使直流電動機反轉(如圖12、圖13所示),那么如何提高電動機的轉速呢?這其中蘊含了哪些物理原理呢?

圖12 直流電動機實物圖

圖13 通電線圈在安培力作用下發生轉動

設計意圖:物理課程應注重與生產生活、現代社會及科技發展的聯系.引導學生運用左手定則解釋課前的鋁箔“天橋”實驗和生活中安培力方向的應用,在分析論證的過程中提升學生的科學思維能力.

3 結語

物理學家馮·勞厄說過:教育給予人們的無非是當一切學過的東西都忘記后所剩下來的東西,而“剩下的東西”就是研究和解決問題的方法,這屬于科學思維的范疇.[8]觀察、實驗與科學思維相結合,是物理學科的基本特征.物理教學不是培養只會解題的考試能手,而是培養具有個體思維結構的有用人才.在物理教學中,我們應創設有利于學生提出問題的情境,幫助學生理解物理知識中所體現的科學思維方法,鼓勵學生不滿足于教材中的結論和教師的講解,勇于質疑,培養學生的科學思維能力.