指向深度教學的思維型課堂實踐與反思
——以“磁場對運動電荷的作用力”教學為例

任虎虎

(江蘇省太倉高級中學,江蘇 太倉 215411)

1 深度教學與思維型課堂的關系

深度教學是以發展學生的高階思維為目標,以靈活遷移解決實際問題為特征,以整合的知識為內容,讓學生深度參與教學過程、深刻把握學習內容的教學．在深度教學中,學生圍繞具有思維空間和挑戰性的學習任務,積極主動地、批判性地學習新的知識和思想．通過探究、體驗、批判、反思等學習活動,把握知識背后的思想方法、邏輯、情感、意義、價值及運用知識進行創造,增強學習的意義感、自我感和獲得感．

思維型課堂是以發展學生的高階思維能力為核心的課堂教學形式．它強調以誘發認知沖突為特征的教學引入、以自主建構為特征的教學過程、以思維監控為特征的教學反思和以靈活運用為特征的教學遷移．

不難發現:思維型課堂教學注重發展高階思維能力、批判反思和靈活遷移,這些與深度教學的理念不謀而合．下面以“磁場對運動電荷的作用力”教學為例談談如何基于思維型課堂實施深度教學、引發深度學習．

2 指向深度教學的思維型課堂實踐

2.1 兩個基本分析

教材分析和學情分析是實施深度教學的基礎和保證,每一節課前都要深入分析,并不是公開課才有的“專利”．通過教材分析深刻把握知識背后的邏輯,即教材邏輯——學科邏輯——教學邏輯的轉化．通過學情分析把握學生的前概念和認知結構,更好地激發認知沖突和意義建構．

(1) 教材分析.“磁場對運動電荷的作用力”這一節是對安培力知識的延續和深化,又是學習帶電粒子在磁場中運動的基礎;同時本節內容是電磁學與力學結合的切入點,是研究與微觀帶電粒子運動有關的宏觀物理現象的基礎,在知識結構和發展學生認知領域上都起著承上啟下的作用．內容安排上,讓學生由實驗猜想,探尋研究微觀粒子途徑和方法,經歷實驗探究和理論推導過程,感悟科學探究的思想,學會探究的方法;深入理解安培力的微觀本質,自主建構洛倫茲力的計算公式．

圖1 液體旋轉實驗

(2) 學情分析.學生已有的知識、觀念和生活經驗是學習新知識的基礎和前理解．在學習洛倫茲力前,學生已掌握了用左手定則熟練地判定安培力的方向,安培力大小的計算和電流的微觀表達式等基本知識．在思維方法方面,學生已經有一定的觀察、分析、抽象、邏輯思維和數學推算等能力,但學生缺少對洛倫茲力的生活經驗和直觀認識．

2.2 5個進階策略

(1) 創設出有思維空間和挑戰性的學習任務.

在一個鋁制圓盤中間固定一個碳棒,組成如圖1所示的電路,碳棒連接電源正極,鋁制圓盤邊沿連接電源負極,電路中接入一小燈泡．首先,在圓盤中加入水,閉合開關,燈泡不發光,說明此時水中沒有大量電荷定向運動;其次,向圓盤中加入高濃度的NaCl溶液,閉合開關,發現燈泡亮起來了,說明此時溶液中有大量定向移動的電荷;最后,在圓盤底部放入一強磁鐵,發現液體神奇地旋轉起來了(為了便于觀察,可以在液面上放一些黑色紙片)．提出問題: ① 液體為什么會運動起來?② 這個力是怎么產生的?③ 這個力的方向如何判定?大小如何表示?

設計意圖:通過上面的實驗情境及其問題,一方面生成對洛倫茲力的意義認識,讓學生切身體驗和認識到運動的電荷在磁場中會受到力的作用;另一方面創設出有思維空間和挑戰性的學習任務,促進學生深度學習．

(2) 激發認知沖突引發積極情感和深度思考.

在鋁制圓盤實驗的基礎上,讓學生仔細觀察并總結出磁場方向、運動電荷方向和洛倫茲力方向之間的關系．為了實現思維可視化:給每組學生一大塊橡皮泥,3個不同顏色的鉛筆分別代表上述3個物理量的方向,讓小組討論洛倫茲力方向的判斷方法并形象化地表示出來．

學生經過自主和小組討論,歸納出判斷洛倫茲力方向判定的左手定則:磁場穿過手心,四指指向電荷運動的方向,大拇指就指向運動電荷受力的方向．注意:此時學生沒有認識到電荷的電性對洛倫茲力方向的影響．

設置兩難問題情景:在剛才的實驗中，溶液中負電荷會向什么方向運動?試判斷運動的負電荷受到的洛倫茲力方向向哪里?此時對負電荷運用上述結論時發現與正電荷受力方向相反．溶液應該靜止不動才對,這與觀察到的實驗現象矛盾,有效地激發了學生的認知沖突．

接下來借助陰極射線管引導學生完成學習進階:首先介紹陰極射線管的結構和工作原理,接通電源后,觀察到一條綠線,即電子的運動徑跡．用N極在外、S極在里的U型磁鐵從上向下靠近陰極射線,觀察陰極射線的偏轉方向;N極在里、S極在外從上向下靠近陰極射線,再次觀察陰極射線的偏轉方向．讓學生歸納運動的負電荷受到的洛倫茲力的判斷方法,并判斷鋁制圓盤溶液中負電荷的受力方向．

設計意圖:創設認知沖突能有效激發學生的求知欲,促進學生主動參與、積極思考,讓學生經歷動手操作和析疑、釋疑的思維過程,豐富體驗,挖掘知識的內涵,邏輯及意義．

(3) 通過自主建構把握問題本質和意義建構.

創設生活情景:班長發動大家進行愛心捐款,班級一共捐助500元,假設每人捐款相同,每人捐助多少?

搭橋問題:每個定向運動的電荷所受的洛倫茲力與宏觀上電流所受安培力的大小上有什么關系?請根據安培力的大小計算公式和電流的微觀表達式,自己建立模型,計算每個定向運動的電荷所受的洛倫茲力的大小．

在學生得出結果后,再討論速度方向與磁場方向平行和成一般角度時的計算公式是什么?這些都讓學生自主完成,引導多角度把握問題本質．

設計意圖:通過這一開放性問題,有助于培養學生類比、歸納、建模以及運用數學解決物理問題的能力,并且與生活情境聯結,實施意義建構,豐富學生的意義系統．

(4) 借助思維監控批判地吸收新知識和思想.

在歸納出洛倫茲力方向的判斷方法和洛倫茲力的大小計算規律后，師生共同討論.

師:洛倫茲力和安培力在本質上有什么異同?

生1:洛倫茲力是安培力的微觀形式,計算的是單個電荷所受洛倫茲力的大小,安培力是大量運動電荷在磁場中的受到的合力的宏觀表現．

師:剛才在歸納出左手定則的過程中,大家回顧一下都用到了哪些科學思想方法?

生2:觀察猜想、類比和控制變量．

師:很好,還有補充的嗎?

生3:實驗探究,從宏觀到微觀．

師:還有科學建模的思想方法．

設計意圖:通過對學習對象及過程進行對比、反思提煉,有助于觸及學科思想方法這一本質,思想方法是知識轉化為能力的橋梁和紐帶．通過反思,批判地吸收新知識和思想發展高階思維,促進公共知識的個人意義達成．

(5) 引導靈活遷移用整合知識解決實際問題.

在應用環節,通過創設待解決的真實問題情境,將所學知識和思想方法靈活遷移和應用,提升運用整合知識解決實際問題的能力．

圖2 電視機工作圖

筆者在課堂上直接給學生展示老式電視機,把電視機的后蓋打開,讓學生觀察內部結構．電視機的工作原理涉及到電荷在電場中的加速、在磁場中的偏轉、光電轉換、視覺暫留等整合知識．首先,將產生豎直和水平方向磁場的電路斷開．此時接通電源,在顯示屏上中間觀察到一個光斑,如圖2所示．

師:用什么方法可以讓光斑移到A點?

生1:加豎直向下的磁場?

師:現在來體驗一下．

師:用什么方法可以讓光斑移到B點呢?

生2:加水平向右的磁場.

師:用什么方法可以讓光斑移到C點呢?

生3:加斜向左上方的磁場.

師:還有別的方法嗎?

生4:根據矢量合成,可以同時加向左和向上的磁場．

設計意圖:通過創設待解決的真實問題情境,將物理知識、思維方法從課堂遷移到生產、生活中,培養學生運用所學知識和方法解決實際問題的習慣和能力．學生從被動的信息加工者變為主動的實際問題解決者;教師從知識的擁有者與傳遞者變為知識創生和多維意義實現的引領者與合作者．

3 指向深度教學的思維型課堂反思

實施深度教學促進深度學習是落實學科核心素養的必然路徑．深度教學理念下須重構知識觀、學習觀、教學觀和評價觀,轉變教學、學習方式,讓深度學習真實發生．

本堂課以深度教學理念為指導,以發展學生的高階思維為目標,以思維型課堂教學為路徑．首先采用了導電液體在磁場中旋轉的實驗來激發學生的思考,讓學生從身邊的可操作的現象來體驗洛倫茲力．運用類比法得出的左手定則在判斷運動的負電荷受力方向時激發了認知沖突,通過陰極射線管實驗探究解決矛盾．推導洛倫茲力的大小時,設置開放問題、創生具有思維空間的實際問題,把情景抽象和推導過程大膽地交給學生．通過學生小組合作自主探究等方式,實現知識的遷移．再通過學生反饋推導過程,使學生得到啟發,受到激勵．

物理來源于生活,回歸服務于生活,引導學生用所學知識解電視機顯像管工作原理,培養學生運用所學知識解決實際問題的能力,使學生得到成功的體驗和感悟,深入到知識的邏輯、意義和價值層次,增強學習的意義感、自我感和獲得感．本節課很多環節還不夠開放,很多問題和環節都可以大膽地交給學生完成．