例析課堂教學中學生科學思維的培養
——以“示波器原理”一課為例

郭燕平 賴起邦

(廈門集美中學 福建 廈門 361000)(廈門市云頂學校 福建 廈門 361000)

學科核心素養是學生通過學科學習逐漸形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力，物理學科的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[1].本文認為物理觀念是科學思維的產物，同時為科學思維服務.在科學探究過程中，形成物理觀念，培養科學思維，但科學探究的能力本質上是思維的能力加上實踐的能力.科學態度與責任要素滲透在核心素養培養的各個環節，而且是指導和約束各個環節的邊界.所以，就前三個要素而言，科學思維能力的培養是核心任務.

核心素養的培養是一個漫長的過程，學生物理核心素養是在每一節物理課的潛移默化中得到提高，因此教師應當清楚每一節課的培養目標.誠然，教師力圖在每一節課中都做到4個要素的滲透教育，但不同類型的課程，側重點應當有所不同.

“示波器原理”這一課內容，屬于“帶電粒子在電場中偏轉”的知識應用課，而且屬于提高創新的內容.一般的帶電粒子偏轉問題，只在二維平面發生，而示波器中的帶電粒子，其偏轉發生于三維空間.加上周期性問題，示波器原理涉及的內容屬于四維時空問題，難度很大.許多一線教師遇到本課，要么直接將其處理為二維電場偏轉習題課，要么一兩句話帶過本課內容，這樣的處理方式使學生對示波器原理一知半解，更不用說能從中得到素養的培養，造成了教學資源的浪費.本文認為，“示波器原理”這一課存在著巨大的科學思維培養資源，教師如果深入挖掘，學生必然受益良多.

科學思維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，主要包括提出問題、建立模型、推理論證、質疑創新等4個要素[2].本文以“示波器原理”一課為例，談一談物理課堂上學生科學思維的培養.

1 提出問題 激發思維興趣

設置適當的問題情景，引起學生的認知沖突，激發學生的思維興趣，是思維培養課的一個重要環節[3].一個好的問題能夠激發起學生探索的興趣，則課堂效果將大大提升.

在“示波器原理”這一課中，教師先讓學生畫出干電池兩端電壓隨時間變化的圖像，再讓學生畫出家用電源插座的電壓隨時間變化的圖像.第一個問題學生很容易解決，但第二個問題學生遇到了困難.至此教師展示示波器，并利用示波器顯示干電池的U-t圖像和家用電壓的U-t圖像.

鑒于示波器展示出來的功能，學生對示波器產生了濃厚的興趣.

2 明確知識 奠定思維基礎

知識要素作為物理觀念的一個組成部分，是思維運行不可或缺的媒介.所謂巧婦難為無米之炊，脫離了知識這個載體，思維也就寸步難行.

課堂上，教師組織學生閱讀課本，了解示波器結構，明確電子槍、偏轉電極、熒光屏等器件的構造、位置和作用，為接下來的思維活動做好準備.

3 化繁為簡 培養建模能力

模型構建是科學思維的要素之一.中學物理模型一般可分3類：物質模型、狀態模型、過程模型.抽象化與理想化是構建模型的重要方法.

如在本課中，教師首先引導學生對示波器部件進行抽象化處理，篩選出對分析問題有用的部件，并進行理想化處理，如忽略部件本身的尺寸、粒子體積、重力及邊緣效應等因素，最終建立起學生熟悉的帶電粒子在電場中的偏轉模型,如圖1所示.

圖1 帶電粒子在電場中的偏轉模型

在模型構建完畢之后，設定具體的參數，學生自行推導出電子打在熒光屏上的偏移量(即電子與熒光屏中點O的距離)為

(1)

這既是對已學知識的鞏固，也是為后續突破難點問題做充分的準備.

4 過程探究 培養綜合思維

大腦思維的工作過程，一般由表及里、由淺入深，問題解決的過程是一個推理、論證、質疑不斷循環的思維過程.教師在課堂上應引導學生的思維方向，留給學生充分的時間去推理論證，并創設民主的氛圍鼓勵學生質疑.

為此,教師設置一系列的子問題推動學生的思維往前發展[3].

問題1：由式(1)可知，偏移量y與偏轉電壓Uy成正比.如果僅在y方向加如圖2(a)所示偏轉電壓，熒光屏上的偏移量隨時間如何變化？熒光屏上將看到什么？

結合學生回答呈現圖2(b)，并當堂操作示波器，驗證學生的推理結果，得到圖2(c)，之后推出第二個問題.

圖2 問題1圖

問題2：如果僅在y方向加圖3(a)所示偏轉電壓，熒光屏上的偏移量隨時間如何變化？熒光屏上將看到什么？

圖3 問題2圖

學生畫出偏移量隨時間變化圖像如圖3(b)所示，會認為熒光屏上將看到一個亮斑從原點開始沿豎直方向做往復運動.

學生回答之后，再次驗證學生的回答，結果示波器上顯示的并不是一個點在運動，而是一條豎線.由于實驗結果與答案不同，此時要注意學生質疑情緒的釋放.最終明確熒光屏上看到的圖像是不同電子先后打在上面由于視覺暫留形成的.為驗證這個答案，可調節電壓變化的頻率，則可以看到一個光點在做變速移動.

問題3：同理僅在x方向加如圖4(a)所示偏轉電壓，熒光屏上的偏移量隨時間如何變化？熒光屏上將看到什么現象？

在前面問題的基礎上，學生可以畫出偏移量隨時間的變化圖像如圖4(b)所示，經驗證，熒光屏上確實顯示一條水平亮線.

圖4 問題3圖

問題4：通過前面的分析，我們發現不管偏轉電壓隨時間如何變化，示波器顯示的圖像都與電壓隨時間變化的圖像不一樣，如何讓示波器顯示電壓隨時間變化的圖像呢？

這個問題是本節課的一大難點，教師通過借鑒“思維可視化”方法[4]，利用板畫結合理論推導以及實驗驗證兩種手段加以突破.板書內容如圖5所示.

圖5 板書內容

理論推導過程：由式(1)可知，y與Uy成正比，所以Uy-t圖像與y-t圖像變化規律一致，如圖5(a)、(b)所示.但熒光屏上看到的圖像[圖5(c)]其實是y-x圖像，只要y-x圖像[圖5(e)]與y-t圖像[圖5(b)]變化規律一致，則Uy-t圖像[圖5(a)]就與y-x圖像[圖5(e)]變化規律一致，熒光屏上看到的圖像將反映待研究信號Uy隨時間變化的規律.

問題5：y-x圖像什么情況下與y-t圖像變化規律一致？為此x方向應加怎樣的偏轉電壓？

在前面分析的基礎上，學生可以推理得出：當x與t成正比[圖5(d)]時，光點沿x方向做勻速移動.圖5(e)將與圖5(b)一樣，由式(1)可知，x與Ux也成正比，所以x方向只要施加如圖5(c)的電壓，示波器就可以顯示電壓隨時間變化的圖像.

問題6：如果施加這樣的電壓，實際上可行嗎？

學生論證后得出圖6(a)所示電壓，即掃描電壓.教師再結合圖6(b)的偏轉電壓信號，經示波器實驗驗證，得到了圖6(c)的圖像.問題4的難點被突破了.

圖6 問題6圖

5 質疑論證 培養質疑意識

從提出問題到解決問題，質疑論證充斥科學思維的每一個環節.教學的效果是看學生懂了多少，而不是教師教了多少.課堂上生成的質疑是良好的資源，教師在把控教學進程的前提下，一定要充分利用學生的質疑來達到教學目標.這既可以活躍學生的思維，也能夠有效提升教學效果.

在本節課中，各個環節都存在著質疑的身影，如電子重力的影響為什么可以忽略？示波器顯示的電壓圖像為什么是一條豎線？變化的電壓對粒子的偏轉到底有什么影響？有些問題甚至至關重要，如“帶電粒子在時刻變化的偏轉電場中是否依然做類平拋運動”？如果不做類平拋運動，則前文的很多工作都失去了意義.

教師面對課堂質疑，首先要肯定學生的質疑精神，然后要確實有效地解決疑問.如通過計算帶電粒子在偏轉電場中的時間與電壓變化周期相比，來說明電壓變化可忽略.

6 探究想象 培養抽象思維

從形象思維到抽象思維，想象力起到了重要的作用，高中物理的很多情境和模型肉眼都不可見，這時候想象力的重要性就凸顯出來.

本節課的一大難點是明確掃描電壓與偏轉電壓的周期關系.教師可以讓學生在腦海中搭建一個三維模型，想象著電子在偏轉電壓和掃描電壓共同作用下的軌跡，并布置學生思考幾種周期關系下的圖形，最后利用示波器加以驗證.

想象，既是一種思考的方法，也是培養學生思維能力的重要手段.

7 思維復盤 內化思維素養

核心素養的培養是一個漫長的過程，也可以說是一項工程.學生當下掌握的，往往偏向于結論性的知識，真正要內化為自己的素養，需要不斷地在教學過程中進行滲透活動.教師可以讓學生回顧一節課的整個流程，以此體會思維是如何展開工作并解決問題的.如本節課中，從現象出發，歷經了解、建模、推理、質疑、論證、想象等過程，最終深刻理解了示波器的成像原理.

8 結束語

物理核心素養的提升是一個長效過程，需要教師有正確的理念去指導教學實踐.教師不僅需要制定基于核心素養的教學目標，還需要有效地達成目標，從而使學生逐步形成適應個人終身發展和社會發展的必備品格和關鍵能力.教師若能了解學生已有儲備，明確學生最近發展區，根據教學目標，確定在提升學生物理核心素養各個環節中教師的地位、作用，充分發揮學生主體性，必將有利于物理核心素養的有效提升.