構建實施多元創新教學模式 培養學生質疑創新核心素養*

黃國龍

(寧波市鎮海中學 浙江 寧波 315200)

質疑創新是物理科學思維核心素養中最高層次的核心素養.高中物理教學中不僅要重視質疑創新核心素養培養，而且要積極探索有效的培養途徑和策略.筆者認為，根據高中學生認知水平和高中物理教學特點，高中物理創新內容具有多元性，既有知識創新，又有方法創新和實驗創新.根據高中物理創新內容的多元性，在探究教學和創新教學理論指導下，構建由具體質疑創新教學情景、策略方法和教學環節組成的多元創新教學模式，是培養質疑創新核心素養的一個有效策略.本文就如何構建實施物理多元創新教學模式來培養學生質疑創新核心素養做一探索.

1 構建實施知識創新教學模式 培養學生質疑創新核心素養

物理知識是在拓展應用過程中通過不斷的質疑和創新得到深化發展，對原有物理知識的質疑有利于發現原有知識的局限性，發現和提出新的探究問題，運用科學探究和創新思維是實施知識創新的有效策略.模擬物理知識創新過程，構建實施知識創新教學模式，能有效地培養學生質疑創新核心素養.

1.1 知識創新教學模式構建

知識創新教學模式教學流程如圖1所示，特點是：在科學探究教學理論指導下，以類科學探究為主線，根據學生原有知識基礎，創設知識拓展應用情境，學生探究解答拓展問題，運用質疑方法導致悖論發現、提出問題，然后進行理性分析和科學猜想，運用實驗(理論)驗證(論證)猜想，實現物理知識創新.運用質疑方法導致悖論發現、提出問題，培養學生質疑核心素養；運用創新思維和創新方法，提出猜想、驗證(論證)猜想，培養學生創新核心素養.

圖1 知識創新教學流程

1.2 知識創新教學模式重要實施策略分析

運用質疑方法導致悖論，發現、提出問題.把握運用質疑方法發現、提出問題是培養質疑核心素養的關鍵.常用質疑方法有：運用特殊化方法(從特殊情形下進行推理)導致悖論發現問題；運用推廣方法(把原有知識應用到更一般情形)導致悖論發現問題；運用對稱思維(選擇不同參考系)導致悖論發現問題；運用實踐方法(推理結果與實驗或實際比較)導致悖論發現問題；運用多角度思維(運用不同解法)導致悖論發現問題.

創設猜想情境，運用猜想方法提出猜想.猜想過程也是一個創新過程，是培養創新核心素養的重要途徑.創設知識性、方法性、實踐性、哲理性猜想情境，分析悖論原因，運用常用的猜想方法(一般化方法、類比方法等)提出猜想是提高猜想正確性、培養學生創新核心素養的有效策略.

運用實驗驗證猜想，運用理論論證猜想.針對提

出的猜想，引導學生設計實驗方案、實施實驗驗證猜想.制訂論證方案，運用原有物理理論和創新思維方法論證猜想.驗證(論證)猜想過程中培養學生能從多個視角審視檢驗結論的創新核心素養.

1.3 知識創新教學模式實施案例分析

案例分析1：動生電動勢規律的質疑創新教學.

原有知識:學生把握了導體棒垂直切割磁感應線產生動生電動勢公式

ε=Blv

拓展問題: 如圖2所示，水平金屬導軌間距為l，導軌左端接有阻值為R的電阻，質量為m的導體棒垂直跨接在導軌上，導軌和導體棒的電阻均不計.矩形區域內勻強磁場磁感應強度為B.當磁場以速度v勻速向右移動時，導體棒始終在磁場區域內，導體棒受到大小為f的恒定阻力.試求導體棒運動的最大速度.

圖2 拓展問題題圖

探究解答:部分學生探究解答為

由

得導體棒的最大速度

導致悖論，提出問題:學生運用特殊化方法導致悖論：當f=0時，vm=0.但事實上，當磁場運動時，通過閉合回路的磁通量發生變化，導體棒上有感應電流受磁場力作用而運動，vm≠0，從而導致“最大速度”悖論.這個悖論表明ε=Blv的局限性，教師再引導學生提出新的探究問題：“磁場運動情形下ε=Blv中v的含義是什么？”

提出猜想:教師運用特殊化思維創設猜想情境：當棒的運動速度與磁場運動速度相同時，相對速度為零，沒有切割磁感應線，動生電動勢為零.在此基礎上學生提出一般化猜想：磁場運動情形下，切割磁感應線產生的動生電動勢公式為ε=Blvr,vr為導體棒相對磁場切割速度.

論證猜想:學生運用法拉第電磁感應定律論證猜想：導體棒在導軌上以v′速度也水平向右運動.探究t時間導體棒產生的感應電動勢為

(vr為相對磁場的切割速度).

知識創新:探究創新適用范圍更一般的切割運動磁場產生動生電動勢規律ε=Blvr，揭示了新舊動生電動勢公式之間一般與特殊關系.

學生運用特殊化質疑方法導致悖論發現問題，揭示原有動生電動勢公式局限性，培養質疑核心素養.運用特殊化和一般化方法提出切割運動磁場產生動生電動勢猜想，通過理論分析論證猜想，把握科學探究方法，培養創新核心素養.

2 構建實施方法創新教學模式 培養學生質疑創新核心素養

物理方法對于探究物理知識、解決物理問題起著十分重要的作用.傳統教學中，缺乏引導學生進行方法產生和創新的探究過程，往往把方法當作知識進行傳授，從而使方法知識化，不利于學生創新素養培養.

在物理教學中，應模擬方法產生、創新過程，構建實施方法創新教學模式來有效培養學生質疑創新核心素養.

2.1 方法創新教學模式構建

方法創新教學模式教學流程如圖3所示，特點是：在學生原有方法基礎上，創設問題情境，展示學生探究解答過程，運用質疑方法發現探究解答存在問題，揭示原有方法局限性，運用創新思維方法探究新的方法解決問題，從而實現培養學生質疑創新核心素養目標.

圖3 方法創新教學模式教學流程

2.2 方法創新教學模式重要實施策略分析

創設問題情境:教師根據學生認知中原有方法(探究方法、思維方法、具體解題方法等)，創設新的問題情境.新的問題應揭示原有方法的局限性，同時隱含了新的方法.

學生探究解答:學生運用原有物理知識和方法探究解答新的問題，充分暴露思維過程，為后繼質疑創新打下基礎.

質疑發現問題:引導學生運用特殊化、多角度思維、逆向思維、對稱思維等質疑方法發現探究解答中存在問題，質疑原有方法的正確性和適用性，激發學生探究普適、簡潔新方法的動機，培養質疑核心素養.

創新解決問題:分析探究解答錯誤、失敗的原因，運用創新思維方法(類比方法、數學方法、等效方法、微元累加方法、對稱方法等)創新解答新的問題，構建新的方法結構，培養創新核心素養.

2.3 方法創新教學模式實施案例分析

案例分析2：“帶電粒子在磁場中運動最大速度”的質疑創新教學.

問題情景: 如圖4所示，一個質量為m，帶+q電荷量的帶電小球，從磁感應強度為B的勻強磁場中A點由靜止開始下落，不計阻力.試求：帶電小球下落的最大高度h和最大速度vm.

圖4 問題情景題圖

探究解答:部分學生認為小球軌跡如圖5所示,到達最低點后沿水平方向做勻速直線運動.

圖5 小球運動軌跡

小球運動最大速度滿足

解之

質疑發現問題:學生運用多角度思維和逆向思維方法來質疑上述解答，發現原有解答存在問題.

質疑1：假若上述解答正確，則按曲線運動考慮,小球在兩個運動軌跡的交接處所受的合力不為零；按直線運動考慮，所受的合力應為零.事實上，在兩個軌跡交接處，速度不變，受到洛倫茲力不變，所受的合力不變.這個矛盾表明上述構建的小球運動軌跡是錯誤的.

質疑2：根據運動可逆性，如果磁場方向相反，帶電小球在勻強磁場中向左做勻速直線運動，由于受力情況不變，不會出現某一位置做如圖5所示的曲線運動.這個矛盾表明上述構建的小球運動軌跡是錯誤的.

創新探究解答:學生協作交流，參考相關資料探究如下3種創新方法.

方法1(微元方法)：小球到達最低點時豎直方向速度為零，水平方向分速度為最大vm，水平方向受到沖量為

Ix=∑qvyBΔt=qB∑vyΔt=qBSy

列出qBSy=mvm.小球下落到最低點過程中滿足

解得小球下落最大高度

最大速度為

方法2(數學方法)：令小球到達最低點時速度為v，軌跡曲率半徑為ρ，滿足

化簡得

要使v為最大，則必須滿足

解得最大速度為

再結合

通過查詢移動閱讀共詞網絡聚類圖譜中各關鍵詞的文獻列表（citation history功能），并結合聚類詳細結果（見表4）中的代表性關鍵詞、高頻關鍵詞、突發性關鍵詞，可綜合分析出6個聚類分別代表的熱點研究內容。

解得下落最大高度為

方法3(等效方法)：虛構小球有兩個大小相等、方向相反的水平初速度v01，v02，現使小球分運動v01產生的洛倫茲力與所受的重力平衡，即

因而小球的運動可視為水平方向以v01勻速直線運動和在豎直平面內以另一v02沿逆時針方向的勻速圓周運動組成的復合運動.勻速圓周運動的半徑為

豎直方向下落最大高度為圓周直徑

最大速度為兩個分運動速度之和，即為

上述方法質疑創新教學過程中，學生經歷了從錯誤解答→質疑發現問題→方法1(微元方法)→方法2(數學方法)→方法3(等效方法)的質疑與創新過程，從錯誤到正確，從常規到創新，不僅把握了解答帶電體在復合場中運動的多種方法，而且也培養了學生的質疑創新核心素養.

3 構建實施實驗創新教學模式 培養學生質疑創新核心素養

物理實驗設計實施過程中滲透了較多的質疑和創新因素，很多重要實驗的成功設計與實施不僅驗證了科學猜想、測量重要的物理量，而且展示了物理學家的質疑批判和實驗理論、實驗方法、實驗技法的創新過程.物理實驗教學是培養學生質疑創新素養的重要領域，構建實施實驗創新教學模式是培養學生質疑創新核心素養的有效策略.

3.1 實驗創新教學模式的構建

圖6 實驗創新教學模式教學流程

3.2 實驗創新教學模式重要實施策略分析

拓展質疑原有實驗，提出新的實驗課題.根據原有實驗及學生實驗認知，要求學生樹立追求卓越和臻美創新意識，運用列舉缺點技法質疑原有實驗，揭示原有實驗理論、方法和技法的局限性和存在問題，進行新的實驗探究.通過改變實驗目的、要求、條件、儀器來拓展原有實驗，提出新的實驗設計課題，培養學生質疑核心素養.

創新設計實驗方案，培養創新核心素養.教師向學生提供有關實驗創新的材料和信息(實驗儀器、理論、方法、技法等)，引導學生運用間接測量、等效替代、圖像處理、線性化等創新實驗方法，運用轉化放大、逆向分析、功能組合、分析補償、移植創新等創新技法設計新的實驗方案，培養學生創新核心素養.

實施實驗方案評價實驗結果，培養質疑和創新核心素養.針對實驗設計方案，若實驗實施結果失敗，則揭示原有實驗認知的局限性，分析失敗原因，進行新的探索創新.通過評價實驗結果和分析原因，運用質疑方法和新的實驗理論、方法和技法培養學生質疑和創新核心素養.

3.3 實驗創新教學模式實施案例分析

案例3：“探究做功與速度關系”實驗的質疑創新教學.

原有實驗:物理必修2教材中“探究做功與速度關系”實驗.

評價質疑實驗:學生評價質疑原有實驗，揭示存在如下問題.

(1)圖7實驗中平衡小車受到阻力比較困難，操作繁復；

(2)圖7(a)實驗需要滿足m?M，存在系統誤差；

(3)圖7(b)實驗中不同橡皮筋做功不同，拉伸時不對稱，產生較大誤差.

在此基礎上提出“如何優化實驗方案？”新的實驗課題.

(a)

(b)

創新設計實驗:學生通過分析討論，運用實驗創新技法設計出如下兩種實驗方案.

創新實驗方案1：運用功能組合創新技法進行創新設計.綜合運用如圖7(b)所示的“倍增法”和如圖7(a)中實驗裝置(作用力比較穩定).圖7(a)中作用在小車上合外力為F=T+Mgsinθ-f不變，合外力對小車做功為W=Fx，可以通過改變小車位移x(“倍增”)的方法來改變合外力對小車所做的功，探究W-v2關系.

創新實驗方案2：學生運用逆向分析技法提出探究摩擦力做功和速度關系實驗方案，移植運用光電門技術測量小車的速度，設計出如圖8所示的實驗方案.

圖8 運用光電門技術測量小車速度

圖線也為近似通過原點的一條直線.

分析評價，發現問題:新的實驗方案雖然能探究W與v2成正比，但由于沒有具體測量出合外力做功的數值，沒有完全從定量角度探究W與v2的關系.

優化設計實驗方案:學生進行深入交流討論，設計出如圖9所示的新實驗方案.探究自由落體運動過程中，物體受到合外力(近似等于重力，阻力可以忽略不計)與速度變化關系.物體質量可以用天平測量，合力做功為W=mgh，運用打點計時器和刻度尺間接測量速度v和下落高度h，從而可定量探究W與v2的關系.(由于文章篇幅關系，具體實驗操作和數據及處理從略).

圖9 優化后實驗設計

上述實驗質疑創新過程中，學生樹立臻美創新意識，運用列舉缺點方法揭示原有實驗存在的問題，培養質疑創新核心素養.再運用功能組合、逆向分析、移植應用等創新技法創新設計實驗，學生創新核心素養得到有效的培養.