科學(xué)思維融入電磁學(xué)教學(xué)的探討
——以電場線、疊加原理為例

李忠文，王延宗，劉 昊

(淮陰工學(xué)院 1.數(shù)理學(xué)院； 2.應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

在新時代中國特色社會主義思想的引領(lǐng)下，中國高等教育事業(yè)加速發(fā)展，迎來了蓬勃發(fā)展的新高潮。我國高度重視高校大學(xué)生的科學(xué)思維培養(yǎng)工作，強(qiáng)調(diào)要用科學(xué)思維去觀察、思考、分析問題。高校哲學(xué)社會科學(xué)有重要的育人功能，要面向全體學(xué)生，幫助學(xué)生形成正確的世界觀、人生觀、價值觀，提高道德修養(yǎng)和精神境界，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣[1]。學(xué)習(xí)運(yùn)用科學(xué)思維去分析問題，有利于增強(qiáng)工作的科學(xué)性、預(yù)見性和創(chuàng)造性。

1 科學(xué)思維中的認(rèn)知理解概述

1.1 科學(xué)思維的發(fā)展歷史

科學(xué)思維理論最初是為兒童學(xué)習(xí)而開發(fā)的，因?yàn)槠淦鹪从谧匀豢茖W(xué)，所以主要涉及物理學(xué)等自然科學(xué)的學(xué)習(xí)。Kuhn等人指出“思維技能的教學(xué)已成為被廣泛關(guān)注的話題”，并且“科學(xué)教育的主要目標(biāo)應(yīng)該是培養(yǎng)科學(xué)思維的技能”，這些技能包括科學(xué)過程技能、程序技能、實(shí)驗(yàn)和調(diào)查科學(xué)、心智習(xí)慣、科學(xué)探究能力、科學(xué)推理能力以及批判性思維技能等[2]?，F(xiàn)代科學(xué)思維的概念是建立在自然科學(xué)的科學(xué)思維發(fā)展理論、高等教育的批判性思維發(fā)展理論、推理理論以及認(rèn)識論發(fā)展理論之上的?？茖W(xué)思維很好地描述了各個學(xué)科中重要且共同的特征。

1.2 高等教育中的科學(xué)思維

高校的自然科學(xué)課程要求學(xué)生具備更加廣泛的技能，而不僅僅是根據(jù)上下文進(jìn)行推理的能力。此外，高等教育應(yīng)幫助學(xué)生為未來的職業(yè)生涯做好準(zhǔn)備，而不是局限于某一門學(xué)科。學(xué)生對大學(xué)的研究缺乏認(rèn)識，其表現(xiàn)如：學(xué)生與學(xué)者對本科生研究的定義不同，導(dǎo)致學(xué)生的需求與學(xué)者研究經(jīng)驗(yàn)的可行性之間存在巨大差距。對于學(xué)生來說“從不知道自己不知道到知道自己不知道”是一個過渡，學(xué)生在此過程中努力很多而進(jìn)步很少，因此常常想退出學(xué)習(xí)，可見幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維具有一定的挑戰(zhàn)性。Murtonen和Salmento分析了大學(xué)教師對科學(xué)思維是什么的問題的回答，認(rèn)為科學(xué)思維由五部分組成：A.科學(xué)的批判性和基礎(chǔ)知識。B.認(rèn)知理解(Epistemic understanding)。C.研究技能。D.循證推理(Evidence-based reasoning)。E.上下文理解[3]。

1.3 科學(xué)思維中的認(rèn)知理解

在科學(xué)思維中認(rèn)知理解與教學(xué)的許多方面有關(guān)，例如動機(jī)、元認(rèn)知和自我調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)。認(rèn)知理解是指學(xué)生認(rèn)識到知識是不確定的、是人類創(chuàng)造的。比如，學(xué)生在學(xué)習(xí)之初希望畢業(yè)時掌握所需的所有知識，并希望教師具備所有的知識，能夠給出問題的“正確”答案；當(dāng)學(xué)生面對不同且矛盾的答案，開始理解知識的不確定性時，認(rèn)知理解就開始發(fā)展；學(xué)生開始質(zhì)疑知識的簡單性，并意識到連教師和書本所具有的知識也是有限且不確定的；最后學(xué)生會根據(jù)自己的理解對某些知識做出判斷。認(rèn)知理解的發(fā)展很緩慢，應(yīng)在大學(xué)低年級時得到更多關(guān)注。

2 科學(xué)思維融入電磁學(xué)教學(xué)的探討

2.1 學(xué)生在認(rèn)知理解方面存在的困難

大學(xué)物理中的電磁學(xué)課程一般在低年級學(xué)生中開設(shè)，學(xué)生處于從中學(xué)到大學(xué)的過渡階段，存在認(rèn)知理解方面的困難，影響了實(shí)際授課中對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。以電場線和電場疊加原理為例，對不熟悉矢量場的學(xué)生來說，除了要面對電場的抽象性質(zhì)，還要面對數(shù)學(xué)的復(fù)雜性，學(xué)習(xí)電場概念存在難度。法拉第第一次提出用電場線形象描述電場，建立場模型，他認(rèn)為電相互作用是電荷和介質(zhì)之間的交互作用。在此模型中，介質(zhì)由于電荷的存在而產(chǎn)生電場，電場又對電荷施加力，其中電場作用不僅限于測試電荷的位置，而是空間中每個位置的屬性。該模型取代了遠(yuǎn)距離的牛頓作用模型，許多物理學(xué)教科書在電場主題的開頭就引入了這種表示形式，忽視了學(xué)生在認(rèn)知理解方面的困難。比如，學(xué)生將電場線當(dāng)作真實(shí)信號對待，影響了學(xué)生對電場的理解；學(xué)生傾向于將場線視為傳輸電荷的實(shí)體，并將其與軌跡混淆；學(xué)生通常難以解釋電場線的密度，因?yàn)榛煜藞龅南鄬Υ笮∨c電場的曲率；場線具有電場的方向，并難以應(yīng)用疊加原理。

2.2 幫助學(xué)生理解的方案設(shè)計(jì)

很多學(xué)生解題還在使用中學(xué)的物理知識，說明學(xué)生對電場線的解釋不明確，可能干擾疊加原理的應(yīng)用。通過設(shè)計(jì)方案，測試學(xué)生是否理解了電場線的表示，是否在相關(guān)問題中使用了電場疊加原理，旨在掌握學(xué)生對電場線的解釋如何影響疊加原理的使用。

第一，對于正電荷，要求學(xué)生描述在電荷右邊距離d處的電場，不需要進(jìn)行計(jì)算。然后在原始電荷左側(cè)的距離d處添加另一個正電荷，要求學(xué)生確定電場是增加、減少還是保持不變，目的是讓學(xué)生使用疊加原理來回答問題。學(xué)生認(rèn)為根據(jù)疊加原理，必須像對待孤立電荷一樣將每個電荷疊加電場，因?yàn)檫@兩個電荷都是正電荷，并且產(chǎn)生的電場方向相同，因此電場強(qiáng)度將增加。“兩個電荷都影響”的答案并不意味著正確的推理，因?yàn)閷W(xué)生不必考慮該區(qū)域的媒介性質(zhì)，錯誤或不完整的解釋可能會導(dǎo)致學(xué)生得出電場增加的正確結(jié)論。第二，對單電荷系統(tǒng)電場的描述可能影響學(xué)生對兩電荷系統(tǒng)電場的理解。對于一個正電荷的系統(tǒng)，學(xué)生繪制了各種圖表以強(qiáng)調(diào)或支持他們的答案。在原始電荷左側(cè)距離d處添加第二個電荷時的電場。這些結(jié)果使我們推斷電場的矢量表示是學(xué)生可以更好地理解疊加原理的指標(biāo)。第三，電場線圖對學(xué)生的理解會產(chǎn)生阻礙作用。學(xué)生認(rèn)為由于場界線的存在，額外電荷不會影響該區(qū)域；從正電荷開始的電場線改變方向時，電場被“重定向”，它不會與障礙物相互作用。疊加原理是電場的關(guān)鍵特性，對電場線圖的錯誤解釋會導(dǎo)致學(xué)生忽視疊加原理的應(yīng)用。第四，繪制矢量或完全不繪制矢量可以幫助學(xué)生應(yīng)用疊加原理。正確的答案是不僅電場增加，而且增加的方向相同。因?yàn)樵谔囟ㄎ恢脩?yīng)用疊加原理時，電場矢量指向相同的方向，它們相加時電場的大小沿相同方向增加。有的學(xué)生繪圖正確而回答錯誤，有的學(xué)生將電場線理解為對每個電荷都是獨(dú)立的。這些結(jié)果表明對電場線圖含義的誤解可能會使學(xué)生錯誤地理解和應(yīng)用疊加原理。正確繪制矢量或完全不繪制矢量可以幫助學(xué)生應(yīng)用疊加原理，并加深其對電場概念的理解。

上述過程圍繞電場線與疊加原理的學(xué)習(xí)，了解學(xué)生在認(rèn)知理解方面存在的困難。若時間允許，可讓學(xué)生自行查閱文獻(xiàn)資料，鼓勵其積極表達(dá)自己的思考和見解。教師在回答問題的過程中，可與學(xué)生開展討論，還可通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證各自觀點(diǎn)，營造科學(xué)思維訓(xùn)練的氛圍。

3 結(jié)語

以電場線、疊加原理為例，闡述學(xué)生在學(xué)習(xí)時存在的認(rèn)知理解方面的困難，通過設(shè)計(jì)題目，測試學(xué)生是否在相關(guān)問題中使用了電場疊加原理，在教學(xué)過程中營造科學(xué)思維訓(xùn)練的氛圍，為探討電磁學(xué)教學(xué)模式改革提供思路。