基于高階思維培養的初中物理拓展教學
——以電磁繼電器為例

沈偉云

（嵊州市教育體育局教研室，浙江 紹興 312400）

高階思維是指發生在較高認知水平層次的心智活動或較高層次的認知能力.［1］高階思維在初中物理學習中具體表現為分析、評價和創造.初中物理拓展性教學既是實施深度學習的需要，也是發展學生高階思維的重要途徑.教師可基于初中科學課程標準，結合學生認知特點，通過圍繞某個主題增補或延伸與教材相關的資料素材開展拓展性教學.

電磁繼電器是利用電磁鐵來控制工作電路的一種自動開關，是初中物理的重點學習內容，在日常生活和科技方面有著廣泛的應用.在初中科學教材中，僅介紹了電磁繼電器的基本原理和簡單應用.為此，拓展延伸電磁繼電器的教學，不僅有助于加強物理與生活的聯系，培養學生科技創新意識，而且也有利于學生高階思維的發展.

1 分析表達，培養學生邏輯性思維

分析就是將研究對象分離成幾個部分，找出這些部分的本質屬性和彼此之間的關系.［2］推理是從一個或幾個已知判斷得出另一個新判斷的思維過程.［3］教師可以電磁繼電器的實際應用創設問題情境，先讓學生實地體驗或通過視頻觀看其工作過程，然后引導學生遷移應用物理知識分析表達其工作過程，進而培養學生的說理能力，發展學生科學推理思維.

如電梯設置的超載自動報警系統工作原理（如圖1 所示）.先用視頻形式呈現“當電梯超載時，自動報警系統鈴聲響起”情境，許多學生都有豐富的生活經驗，但很少去究其所以然.一旦把該情境與學生的物理學習相聯系，就會激發學生的學習興趣，學生也很愿意進行分析推理：當電梯超載時，電梯底架的壓敏電阻由于受到的壓力增大，導致電阻減小，致使控制電路中的電流變大，電磁鐵磁性增強，銜鐵被吸引，繼電器的動觸頭K與B靜觸點接觸，此時電動機的電路斷開，電鈴工作，發出鈴聲.同樣也可引導學生分析電梯載重正常時的情況，即此時壓敏電阻較大，使得控制電路電流較小，電磁鐵磁性較弱，無法吸引銜鐵，繼電器的動觸頭K與A靜觸點接觸，電動機M 正常工作.

圖1 超載自動報警系統

又如分析小區控制車輛出入的自動控制閘，如圖2所示，該自動控制閘現在小區、單位都較為普遍，控制著車輛進出.教師可在學生交流討論的基礎上引導學生作出如下推理：當車牌被識別后，開關S閉合，綠燈亮，電磁鐵產生磁性，把鐵柱向下吸引，杠桿AB繞著支點O轉動，欄桿被抬起來，車輛通行.而車輛若識別不成功則相當于開關S斷開，電磁鐵不能產生磁性.

圖2 控制車輛出入的自動控制閘

電磁繼電器的應用在實際生活中很普遍，如家用燃氣報警器、恒溫箱電路，電子秤等等.教師可鼓勵學生積極挖掘生活素材，增進實踐體驗，以此來創設真實的問題情境，踐行“讓物理走進生活”的課程理念，組織學生交流與討論，引導學生分析說理，培養學生科學推理思維.

2 交流評價，培養學生批判性思維

思維的批判性是指思維過程中善于嚴格地估計思維材料和精細檢查思維過程的良好品質.［4］在開展課外拓展性實踐活動中，教師可組織學生設計、制作“電磁繼電器”科技作品，對于設計的方案、作品質量，可組織學生交流評價，以及在此基礎上改進完善，發展學生的批判性思維.

如疫情期間為了確保體溫正常的師生進入學校，研究性學習小組嘗試制作“智能門禁”的科技作品.為此，在學生交流討論的基礎上，制定了評價標準：①體溫正常、人臉識別成功，門打開；②體溫異常，人臉識別成功，門不打開，警示燈亮；③不管體溫正常與否，人臉識別失敗，門不打開、燈不亮.若以開關S1表示體溫，S2表示人臉識別.以此對學生設計的3個方案進行評價.如圖3 方案所示，若體溫正常，開關S1閉合，磁鐵產生磁性，吸住銜鐵，由于人臉識別成功，開關S2閉合，電動機工作，門打開，符合標準①.同理分析標準②也符合.若體溫異常則表示S1斷開，人臉識別失敗表示S2斷開，分析可知電動機不工作，警示燈亮，不符合③要求.如圖4符合要求.如圖5 當體溫正常S1閉合，不管人臉識別成功或失敗，此時門都打開，開關S2不起作用.在方案設計的基礎上，教師要及時提供幫助和指導，鼓勵學生把方案轉化為有形的科技產品，也即“智能門禁”.對于智能門禁，教師也可組織學生進行自評、他評，圍繞“實用、美觀、創意”等內涵開展多元評價.

圖3 “智能門禁”設計方案1

圖4 “智能門禁”設計方案2

圖5 “智能門禁”設計方案3

又如以圖1所示的“電梯超載自動報警系統”為例，也可組織學生進行交流評價，鼓勵學生提出質疑，如有學生提出，若該報警系統只在電梯超載嚴重時才響起鈴聲，這該如何改進？ 減小電源電壓.同樣也可組織學生對圖2“小區控制車輛出入的自動控制閘”進行評價，提出問題，如有學生提出若欄桿無法抬起怎么辦？ 更換電池，或滑動變阻器滑片向上移動.

在交流評價過程中，既要肯定學生的正向評價，指出其優點，也要引導學生敢于質疑，善于提出問題，鼓勵學生不斷完善設計方案，培養學生解決問題能力，提高學生的實踐創新素養，發展學生批判性思維品質.

3 設計方案，培養學生創造性思維

創造性思維是以新穎、開創性的方法去解決問題的一種思維過程，有助于培養學生遷移運用知識去解決問題的能力.［5］教師可通過設計實踐目標，提供材料元件，提出操作要求，引導學生按要求連接電路設計方案，以此培養學生創造性思維品質.

如設計利用太陽能電池板給LED 路燈供電的自動控制電路.教師可提供給學生相應的電學元件，提供資料讓學生大致了解相關元件的性能，如光敏電阻R的阻值是隨著光照的增強而減小.在此基礎上提出設計要求：白天時太陽能電池板與蓄電池構成閉合電路，將太陽能轉化為化學能儲存在蓄電池中.傍晚時蓄電池與LED 路燈構成閉合電路，路燈發光.通過學生交流與討論，設計如圖6所示的電路圖.

圖6 自動化智能控制的街道路燈

又如設計消防應急燈電路，教師可先提出要求：平時應急燈是熄滅的，一旦發生停電，消防應急燈就會正常發光.引導學生遷移運用電磁繼電器知識設計如圖7所示電路.

圖7 消防應急燈電路

方案設計好之后，教師不應停留在“紙上談兵”狀態，而是要鼓勵學生在課后積極開展實踐活動，小組合作，動手操作，把方案物化成具體的實際電路，解決真實問題，以此來培養學生實踐創新素養，發展學生創造性思維品質.

在物理拓展性教學中，對于分析、評價、創造等高階思維的培養，不是截然分開的，而是緊密聯系在一起的.如在制作一項電磁繼電器作品時，首先要對其工作原理進行分析，然后設計方案、動手操作，再對其作品開展評價，不斷完善改進，整個過程都融合著分析、評價、創造思維.為此，基于電磁繼電器的拓展教學，不僅能豐富初中物理課程教學資源，加深學生對物理概念的理解，開展深度學習，而且有助于學生解決問題的高階思維能力的發展.