基于科學思維培養的支架式教學模式研究
——以新教材“楞次定律”為例

鄧浩儀 張軍朋 李德安

（華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006）

《普通高中物理課程標準（2017年版）》（2020年修訂）提出物理學科核心素養，其中科學思維處于核心地位.科學思維是從物理視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相關關系的認識方式；是基于經驗事實構建理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用；是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出疑問和批判，進行修正和檢驗，進而提出創造性見解的能力和品格.［1］但是眾多的科學思維元素散落在物理教學內容當中，在實際教學時不容易準確把握，［2］因此，需要理論的指導來對科學思維進行系統性的培養.

1 基于科學思維培養的支架式教學模式設計

教育學家們在建構主義教學理論基礎之上，融合維果斯基最近發展區理論，發展出了支架式教學模式.支架式教學具有5 個基本環節——創設情境、搭建支架、協作學習、獨立探索、協作學習和效果評價.［3］在這5個環節中“搭建支架”為核心環節，作用于其他4個操作環節.支架式教學模式對學習者在學習效率、歸納方法、工具選擇、問題分析等方面能力的提升有顯著作用.［4］除此之外，文獻［5］中作者強調借助于教學支架，能夠有效提高青少年的高階思維.對此，本文設計了如圖1所示的基于科學思維培養的支架式教學模式.

圖1 基于科學思維培養的支架式教學模式

該模式在“創設情境”“獨立探究”“協作學習”和“效果評價”4個操作環節中均在學生的最近發展區中搭建支架，利用支架對思維的培養貫穿于教學過程始終，促進科學思維的培養.首先創設情境，引起學生思維失衡，提高學生的學習動機；接著，教師可以提供“跳起來夠得著”的各類支架，指導與協助學生開展探究，促使學生沿著支架不斷向上攀升，讓學生在探究中形成歸納推理的能力；隨后，開展小組協作與學習，鼓勵學生暢所欲言，相互爭辯、質疑與交流.最后通過設置實際問題，讓學生將新學的知識作為新的支架，嘗試把實際問題轉化為物理模型，解決問題，進而從側面檢驗學生將新知識內化的程度，培養學生模型建構的能力.

2 基于科學思維培養的支架式教學模式實踐案例——楞次定律的教學

下面，以楞次定律為實例，闡述如何開展基于科學思維培養的支架式教學模式實踐.由于教材中的探究實驗是利用磁鐵插入和拔出線圈的實驗方法，通過觀察感應電流的方向判斷出感應電流的磁場方向，從而總結出楞次定律.這樣的實驗設計讓學生觀察感應電流的方向去判斷感應磁場方向，而又總結出由感應磁場方向去判斷感應電流方向的規律，其邏輯關系容易使學生產生困惑，并不能很好地讓學生體會到感應電流的磁場對閉合回路中原磁通量變化的阻礙作用.故本案例將先讓學生找出感應磁場方向和原磁場方向之間的關系，再得到感應電流方向的規律.

2.1 創設情境

實驗支架：將磁性球和非磁性球分別從鋁管上方同時自由釋放（如圖2 所示）.由于鋁不具有磁性，所以不會跟磁性球吸引，學生會認為兩個小球應該做近似自由落體運動，然后讓學生觀察現象，提出問題：磁性球下落時有什么現象？是什么阻礙了磁性球的下落呢？接著利用“落磁法”實驗創設物理情景，激發學生學習興趣，引發學生認知沖突，讓學生帶著問題進入課堂.

圖2 落磁法

2.2 獨立探究

在學生開展獨立探究之前，教師應該先讓學生明白“為什么開展探究”和“如何開展探究”.學生在學習本課之前，已學習過靜電場、靜磁場相關知識，知道了感應電流產生的條件并能判斷磁通量的變化.因此，可以嘗試使用支架來激活學生的原有認知，進而引導學生提出探究的問題.

實驗支架：重做“探究感應電流產生的條件”實驗（如圖3 所示將靈敏電流計和線圈進行串聯），讓學生在回憶舊知“原磁場發生變化會產生感應電流”，同時將注意力聚焦在電流的方向發生了轉變，為后面引出探究問題做好鋪墊.

圖3 探究感應電流產生條件的實驗

思維導圖支架：由于楞次定律涉及到的物理量較多，關系復雜，因此在回顧舊知的時候，使用思維導圖支架［如圖4（a）所示］可以使邏輯網絡、思維過程可視化.授課片段如下.

圖4 楞次定律的思維導圖支架

師：在探究感應電流產生條件的實驗中可以發現感應電流的方向是不同的，這是什么因素影響的呢？

生：原磁通量變化.

師：又是什么導致原磁通量變化呢？

生：原磁場發生變化.

師：所以是原磁場變化影響了感應電流，那感應電流也可以產生磁場嗎？

生：可以.

師：我們把感應電流產生的磁場稱為感應磁場.感應電流方向不同，感應磁場方向也會不同，它們之間滿足右手螺旋定則的關系，因此我們可以將探究感應電流的方向轉化為探究感應磁場方向，那么今天我們就先來研究，感應磁場方向和原磁場之間是什么關系呢？

通過思維導圖支架，將探究感應電流方向轉化為探究感應磁場方向，降低學生認知困難的同時可以讓學生清晰了解楞次定律中多個物理量之間的關系.

問題支架：通過提問的方式，讓學生思考與嘗試設計實驗探究：感應磁場的方向和原磁場之間的聯系是怎樣的.授課片段如下.

師：我們知道這兩個磁場，像兩個條形磁鐵一樣，滿足同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引的規律.怎么才能把感應磁場和原磁場之間相互作用的效果直觀地呈現出來呢？

生：老師將線圈放在簡易小車上面，通過小車的移動將這種相互作用的效果直觀地呈現出來（如圖5所示）.

圖5 學生獨立探究實驗

圖表支架：借助表格（如表1 所示）梳理探究得到的實驗結果，發現實驗結果中蘊含的物理規律.在學生獨立探究完成后，教師可以在此過程中引導學生觀察表格中的實驗結果，得出楞次定律.在此過程中，學生的概括、表達、探究等能力相互促進，從而培養學生歸納推理的能力，最終學生頭腦中會形成圖4（b）所示的圖式.

師：請同學利用桌面上的材料實驗一下.

（學生獨立探究實驗）

師：N 極和S極靠近時有什么現象？

生：線圈和磁鐵相互排斥.

師：那N 極和S極遠離的時候呢？

生：線圈和磁鐵相互吸引.

師：那大家可以把現象概括一下嗎？

生：可以把現象概括為來拒去留.

師：在我們得到這些數據之后，請同學們分析一下，當磁通量增加的時候，兩個磁場方向有怎樣的關系？而當磁通量減少的時候呢？

生：當磁通量增加的時候，兩個磁場方向是相反的；而當磁通量減少的時候，兩個磁場方向是相同的.

師：同學們可以把這個規律概括成4個字嗎？

生：我們可以將它歸納為增反減同.

師：接下來，我們繼續分析，當原磁通量增加時，兩個磁場方向相反，表明此時感應磁場想不想讓它增加？而當原磁通量想要減少，但是感應磁場的方向卻和它相同，表明此時感應磁場想不想讓它減少？

生：不想.

師：所以其實增反減同的本質其實是什么？

生：增反減同的本質是無論磁通量怎么變化，感應磁場都要阻礙它的變化.

獨立探究不是學生單獨一人進行探究，需要教師在旁提供輔助支架作為協助.學生在支架的提示下，自主提出探究的問題，最后以自我解釋的方式參與到支架支持的知識建構過程中，從表格中歸納推理出結論.

2.3 協作學習

同伴支架：協作學習是以小組為單位組織學生開展學習.在小組討論的氛圍中，容易激發小組成員內思維的碰撞，從而產生疑問與創新.教師可以通過問題的引導，鼓勵學習小組對“感應磁場是由線圈中感應電流導致”質疑，對其有探究的欲望，嘗試從實驗支架中證實該結果.

師：為什么小車會有“來拒去留”的現象，能否用實驗對其原因進行驗證呢？請小組開始討論.

生1：應該是磁鐵的插入與拔出導致了磁通量發生變化，導致是線圈中的感應電流發生變化，從而產生不同方向的磁場.

生2：也有可能是磁鐵與繞線圈的模具發生相互作用而導致的.

生3：我們剛剛已經知道“增反減同”，可以由原磁場的方向，判斷出感應磁場的方向，再用右手螺旋定則就判斷出感應電流的方向了.

生4：那我們可以利用發光二極管的單向導電性來進行驗證是否和我們想的一樣.

實驗支架：在小組討論結束后，教師出示自制演示感應電流方向演示器（如圖6 所示），利用展示平臺把引導學生觀察磁鐵插入和拔出線圈時發光二極管的亮滅情況，對猜想進行驗證.

圖6 自制演示感應電流方向演示器

2.4 效果評價

在學生學習楞次定律結束后，需要對學生的學習效果進行評價和檢測.通過聯系生活，讓學生學以致用，借用問題支架，進一步檢測學生的學習成果，并培養學生將楞次定律的物理模型，遷移到生活當中，解釋生活現象.

問題支架：

（1）線圈炮中的炮彈是如何發射出去的？

（2）磁懸浮列車如何實現懸浮與前進？

（3）分析天平是一個可以準確測量質量的天平，為什么它在擺動的時候，可以很快地停止下來呢？

3 結語

該教學片段運用支架式教學模式開展對學生科學思維的培養，充分利用實驗支架、問題支架、思維導圖支架和同伴支架等動態性的支架，將楞次定律的教學層層推進，滲透“歸納推理”“質疑創新”和“模型建構”等科學思維要素.后續可以在物理概念課、習題教學中繼續深入研究.