如何培養高中生的創新思維能力
——以安培力和洛倫茲力教學為例

劉 暢

(北京市廣渠門中學 北京 100062)

物理學科核心素養包括4個維度：物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度與責任．新版高中物理課程標準明確指出：能夠基于經驗事實建構理想模型，能運用科學思維方法，從定性和定量兩個方面對相關問題進行科學推理，找出規律，形成結論，具有批判性思維意識，能從不同角度思考問題，追求科技創新．

創新思維能力是科學思維能力的根本要求和集中體現，是創造性地思考問題和解決問題的能力，在物理教學過程中實施創造性思維能力的培養很有必要．中學生創新思維，要求學生具有創新意識：敢想、敢問、敢做，有不同尋常的解決問題的態度和意愿；具有創新思路：能提出新問題，設計新的物理實驗，做出新的物理解釋；具有創新做法：能多角度、多層次思考問題，對問題給出合理的解釋或解決．

在安培力和洛倫茲力教學設計中，可以通過激發創新、感染創新、訓練創新和實踐創新來培養學生的創新思維能力．

激發創新：進行有新意、有強度、有對比的興趣觸發和好奇心、求知欲的激發．

感染創新：通過介紹物理學史和科技創新成果熏陶、感染學生進行科學探索和創新．

訓練創新：引導學生設計實驗，自行探究，訓練學生思維的廣闊性、靈活性、懷疑性和批判性；采取自學生疑，教師設疑的手段，訓練問題意識和創新意識．

實踐創新：開展課內制作活動，培養發散思維；引導學生思考，進行知識遷移．

1 激發創新

興趣是思維的觸發劑，激發好奇心和求知欲是培養創新意識，提高創新思維能力的推動力，盡可能滿足3個特點:

第一，有新意，創設認知沖突，設置思維的障礙，激發探究新知的好奇心．

第二，有強度，心理學表明，作用于感官的刺激物必須達到一定的程度，才能被客體感知．在不引起學生消極情緒的情況下，現象越強，感知越深刻．

第三，有對比，把兩種對應的事物對照比較，更能啟發人由現象進入本質的思考．

案例1：在安培力教學中，用小女孩蕩秋千魔術引入安培力的概念，如圖1所示．

圖1 “蕩秋千”引入安培力

師：線圈上有個小孩想要蕩秋千，老師能隔空讓她蕩起來，你們信不信？

生：不信．

師：我要發功了．(用手掌隔空推小孩)

師：沒蕩起來，合上開關，再觀察．

師：對比兩次蕩秋千的區別是什么？

生：第一次沒通電，第二次通電了．

師：怎么判斷第二次通電了？

生：與線圈并聯的小燈泡發光了．

師：小燈泡發光說明有電流通過，有電流通過線圈秋千就一定能蕩起來嗎？

生：不能，老師手里有一塊磁鐵．

師：觀察能力非常強，老師并不是武林高手，這是知識的力量，這就是這節課要學習的內容——磁場對通電導線的作用力，這個力最初是法國物理學家安培發現的，我們把它命名為安培力．

在此教學過程中，學生表現出極大的興趣和好奇心，目不轉睛得觀察，聚精會神得思考，注意力被最大程度吸引過來，學習的積極性被激發，在一步一步的追問下，思維被啟發，最后成功得到了安培力的概念．

案例2：在“洛倫茲力的應用”教學環節中，引導學生解釋“移動的小球”的原理，如圖2和圖3所示，進而介紹科技創新成果磁流體推進器，如圖4所示．教學過程中，學生帶著強烈的好奇心觀察巧妙的實驗，分析解釋原理，學以致用．通過了解前沿科技信息，萌生了遠大志向，學生學習物理知識的熱情和從事科技創新工作的愿望被激發．

圖2 “移動的小球”實驗a

圖3 “移動的小球”實驗b

圖4 磁流體推進器

用自制教具介紹、演示電視機顯像管成像原理，如圖5所示，引導學生思考電視機顯像管為什么要用磁偏轉，不用電偏轉．

圖5 顯像管成像原理演示儀

學生眼前一亮，帶著好奇心分析儀器設計原理，思考問題，學習興趣被激發，積極性得到提升，創新思維得到升華．

2 感染創新

通過介紹奧斯特發現電流磁效應的歷史背景，學生了解到自然界各種運動形式之間存在著必然的相互聯系的思想在哲學界和科學界逐步形成，尋找電和磁的聯系，正是在這種哲學信念支配下的有意識的探索活動；通過介紹人類的科技創新成果，分析其工作原理，介紹其地位和價值．例如電磁軌道炮、東方超環、磁流體推進器，不僅體現物理教育的文化功能，更熏陶和感染了學生進行科學探索和創新，激勵學生從事科學創新研究．

3 訓練創新

(1)設計實驗，自行探究是學生自我創造的過程，教學過程中充分發揮學生的主體作用，調動學生的主觀能動性，引導學生自主設計實驗步驟、探究實驗結論、發表討論意見、完善實驗結論，逐步訓練學生思維的廣闊性、靈活性、懷疑性和批判性．

案例3：引導學生用錫箔紙天橋實驗探究安培力的方向，如圖6所示．

圖6 “錫箔紙天橋”實驗器材

師：力可以改變物體的運動狀態，也可以使物體發生形變，如何讓錫箔紙做的天橋發生形變呢？

生：連接電路，通電之后加磁場．

師：如果天橋向上凸起，說明受安培力向上，如果讓它受向下的安培力，應該怎么辦呢？

生：改變電流方向或者改變磁場方向．

師：也就是說，學生認為安培力的方向與電流方向和磁場方向有關，具體成什么樣的關系呢？我們不妨來做實驗探究一下．一共需要探究幾種情況呢？分別是哪幾種？

生：4種(如圖7所示)．

圖7 安培力方向探究實驗的4種情況

引導學生用3根不同顏色的吸管和1塊泡沫記錄方向，之后請每組派一名代表到黑板前來展示模型，試著通過旋轉擺放成第一個模型的方向，如圖8所示．通過模型的一致性得到三者關系的確定性，從模型的不方便隨身攜帶，引出普遍使用的方法：左手定則．

圖8 模型的一致性

學生在教師的引導下，成功得到影響安培力方向的相關因素，并連接電路進行4種情況下的實驗探究，得到安培力的方向．通過制作模型使三者的空間關系呈現得更加形象，學生順利突破了思維障礙，學生的空間思維能力得到了鍛煉．

案例4：在探究安培力大小時，纏繞線圈時每纏20匝引出一個抽頭．

師：如何利用數字測力計，帶抽頭的線圈，正對的磁鐵等器材探究在B與I垂直時，F的大小與I的關系呢？

生：將帶抽頭的線圈與電源、開關、滑動變阻器、電流表串聯，線圈固定在數字測力計下，線圈放在磁場中，如圖9所示，探究F與I的關系，不改變磁場和所接線圈的抽頭，改變電源電壓或移動滑動變阻器的滑片來改變電路中的電流．

圖9 帶抽頭的線圈

師：需要記錄哪些數據呢？

生:記錄6組因變量F和自變量I的大小．

師：如何探究F與L的關系呢？

生：將線圈的不同抽頭接入電路，同時移動滑動變阻器的滑片使電流表示數不變．

師：需要記錄哪些數據呢？

生:記錄6組因變量F和自變量L的大小，可將L分別記錄成L，2L，3L，4L，5L，6L．

學生記錄數據并在坐標紙上畫出F-I和F-L圖線，得到正比關系：F=KIL，進一步得到F=BIL．

以上教學過程中，學生經歷了小組實驗和探究過程，培養了探究能力，感悟到物理學的研究方法，促進其科學觀念的形成和科學素養的提高，同時，通過科學體驗培養了學生尊重事實、嚴謹的科學態度和做事認真的良好習慣．

(2)教育心理學家認為，敢于提問、善于提問是創新的起點，敢于質疑、敢于探索是創新的關鍵，鼓勵學生求新求異，采取自學生疑，教師設疑的手段(提問或追問)，巧妙設疑，調動學生的思維，訓練了問題意識和創新意識，有助于學生創造性思維能力的培養．

案例5：用電子束演示器和蹄形磁鐵探究洛倫茲力的方向時，進行提問，“用左手定則判斷洛倫茲力方向，有沒有存在什么問題？”進而引導學生從安培力的方向判定方法(左手定則)進行知識遷移，完善左手定則，引導學生完善左手定則．

師：探究洛倫茲力方向實驗過程中存在什么問題？

生：不能保證電子運動方向與磁場方向垂直，不能保證磁場是勻強磁場．

師：我們可以對實驗器材進行改進，將電子束演示儀放入亥姆霍茲線圈(可產生近似勻強的磁場)中，如圖10所示，轉動線圈，由B,v垂直轉到平行，觀察偏轉角度發生的變化，你能分析得到f大小的特點和f方向的判斷方法嗎？

圖10 電子束演示儀在亥姆霍茲線圈中

生：B與v平行時，f=0；B與v垂直時，f最大；方向用左手定則判斷，f與B，v都垂直．

在此教學過程中，構建有助于學生發生知識遷移的情境，學生自主探究發現了規律．通過線圈的轉動，學生直觀、清晰地觀察到了在B與v所成任何角度下，f的特點．通過質疑、思考問題和實驗創新，提高了創新思維能力．

案例6：從安培力出發，發現并研究了洛倫茲力的方向和大小后，提出問題.

師：有沒有需要完善的地方？

生:洛倫茲力大小的推理，需要實驗驗證．

師:如何驗證呢？

生:f洛=qvB涉及的兩個量都是微觀量，比較難直接驗證，用洛倫茲力演示儀來間接驗證．

師：電子只受洛倫茲力，如果我們關于洛倫茲力的方向(總是與速度方向垂直)是正確的，電子將做什么運動？

生:帶電粒子做圓周運動．

師：如果我們關于洛倫茲力的大小推理也正確，你能知道電子做圓周運動的半徑跟哪些因素有關？

師：你能設計一個可行方案驗證上述兩個推論嗎？設計間接驗證的結論是什么？

生：當B,q,m一定，v越大，r越大．

此教學過程中，學生的思維被充分調動起來，學會了實驗探究與理論推導相結合，敢于探索多種探究方法，提高了問題意識和創新意識．

(3)高中階段的學生思維活躍，想象能力豐富，對很多新奇事物都充滿了探究欲望，在教學過程中，引導學生聯想洛倫茲力和安培力的關系、磁場和電場的關系、電荷與電場磁場間的關系、洛倫茲力和電場力的關系．學生進行了知識間的聯想和遷移，提高了想象能力，激發了對新奇事物的探究欲望，主動創新思維能力的發展得到刺激．

4 實踐創新

培養發散思維是發展創造性思維能力的重要方面，通過布置作業的形式開展課內制作活動，鼓勵學生用磁鐵、漆包線、電池、導線制成多種簡易電動機，鼓勵學生不依常規，尋求變異，探索多種答案，學生的發散思維得到培養；通過引導學生思考洛倫茲力方向的判斷方法，進行左手定則的知識遷移，通過思考安培力和洛倫茲力的關系，建立知識間的聯系，學生的發散思維和知識遷移能力得到提高．

總之，培養學生的創新意識、創新精神，訓練學生的創新思維，開發學生的創新能力是每一位物理教師的責任，而能力的形成不是一蹴而就的，能力的培養更要循序漸進，教師在教學中要不斷實踐，深入探索，精心設計教學過程，堅持不懈地培養學生創新思維，提高學生的創新能力．