提升學生科學思維能力的物理教學探討
——以“楞次定律”教學為例

(江蘇省海安高級中學，江蘇 南通 226600)

“楞次定律”是一節規律探究課，實驗是必不可少的，我們應該關注實驗呈現的現象和與之相關的一系列問題：為什么電流計指針偏轉的方向不同？偏轉方向的不同說明什么？偏轉方向與什么因素有關？為什么與之相關？要回答這些問題就需要深度挖掘學生的思維過程，通過師生互動，疑問會得到逐步解決，問題解決的過程就是利用已有的知識學習新知識的過程。針對本節課的特點，本文重點探討學生科學思維能力的培養策略。

科學思維是基于經驗事實建構理想模型的抽象概括過程，是分析綜合、推理論證等方法的內化，也是基于事實證據和科學推理對不同的觀點和結論提出質疑、批判、檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品質，主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。

1 重視模型建構

模型建構的實質就是將隱藏在復雜物理情境中的研究對象或過程進行簡化、抽象、類比、概括，從而揭示客觀事物的本質與規律。要求學生具有建構理想模型的意識和能力，能夠根據研究問題和情境在一定條件下對客觀事物進行抽象和概括，構建易于研究的、能夠從主要方面反映事物本質特征和共同屬性的理想模型。

在“楞次定律”的引入環節采用視頻與實驗演示相結合的方式，帶有普通減震系統的汽車在過彎時車身會側傾、過減速帶時車身會跳動等現象，而帶有電磁減震系統的汽車在上述情況下車身始終非常穩定，這是為什么呢？用自制實驗器材進行演示(如圖1)，上端固定在支架上的兩個相同的彈簧下端懸掛著相同的磁鐵，磁鐵的正下方分別放置一個木塊和一個鋁塊，磁鐵靜止時對它們均無作用力。把兩磁鐵向下拉離平衡位置相同距離并同時釋放，會看到放置在鋁塊正上方的磁鐵的振動很快停止，而另一塊磁鐵振動時間較長。學生通過觀察能夠聯想到視頻中的電磁減震系統應該與磁鐵、鋁塊相關。查閱相關資料，關注汽車電磁減震系統的主要部件的特寫(如圖2)。通過對比，顯然磁鐵快速停下來是磁鐵與鋁塊之間的相互作用的結果，但是磁鐵并不能吸引鋁塊，這是怎樣的一種作用呢？思維沖突引發了學生的學習動機，通過電磁減震系統的簡化、類比等把較為復雜的研究對象抽象成更為簡單的物理模型，便于學生進一步地研究車身穩定的原因。

圖1

圖2

在實驗探究環節，將演示實驗的減震模型簡化成一個條形磁鐵和一個鋁環之間的相互作用(如圖3)，鋁環又可以簡化成線圈。通過抽象簡化，一個更容易體現問題本質的理想化模型構建完成。

圖3

圖4

如圖4所示，在釋疑環節將這一模型進一步簡化，固定的線圈就相當于減震系統中的圓柱形金屬管，磁鐵在管中正是受到感應電流產生的磁場作用才很快停止振動的，這樣的解釋更具說服力。

教學圍繞建構的物理模型展開討論，并總結出判斷感應電流方向的楞次定律。通過這一節課的學習，學生建構模型的意識得到了強化。

2 注重科學推理

推理是思維的基本形式，推理能力是指結合給定的情境，利用已有的知識和方法，針對問題進行有根據的推斷，得出正確結論的能力，科學推理包括歸納推理、演繹推理和類比推理。

在實驗探究的猜想環節，根據實驗現象推測影響感應電流方向的因素時運用推理方法，例如根據插入的磁極不同，觀察到感應電流的方向不同，推測影響感應電流方向跟原磁場的方向有關；根據同一磁極插入、拔出時電流計指針偏轉方向不同，推測影響感應電流方向跟磁通量的增減有關。

在實驗探究的規律總結環節，“來拒去留”“增反減同”以及最終用“阻礙”二字來概括上述特征的都是科學推理中的歸納推理(如表1)。

表1

楞次定律內容的表述也應用了科學推理，由磁通量增減這個現象來推斷感應電流的磁場方向與原磁場方向的關系，再根據安培定則確定感應電流的方向。

3 強化科學論證，鼓勵質疑創新

科學論證要求學生具有使用科學證據的意識以及評估科學證據的能力，具有運用證據對研究問題進行描述、解釋和預測的能力。而質疑則需要學生具有批判性精神，能基于證據大膽質疑，從不同角度思考問題，追求創新。

根據實驗現象已經總結出磁鐵與鋁環的相互作用是有規律的，而相互作用是因為閉合環中有感應電流，那么環中感應電流方向也必有規律。有什么樣的規律呢？學生一般會從兩個角度去分析，一個是從安培力的角度分析，另一個從等效的角度分析。

從鋁環受到安培力方向來倒推感應電流方向是有一定難度的，首先只知道鋁環和磁鐵是排斥和吸引關系，鋁環受力的方向不好確定；其次鋁環的形狀是圓形、而不是直導線，學生對左手定則的使用有一定的難度。所以從安培力角度的分析思路是清晰的，但是對于學生難度偏大。如果把鋁環等效成小磁針，根據磁極間的作用規律可以很容易找出鋁環的等效磁極，在磁通量變化時感應電流的磁場方向與原磁場方向的“增反減同”規律就得到了，再根據安培定則可得到感應電流方向，不用苦苦尋找原磁場的變化與感應電流方向之間的媒介，避免了學生思維出現斷點，合乎學生的認知規律。

從安培力的角度去分析感應電流的方向也有更好的辦法，因為鋁環中的感應電流方向只有順時針和逆時針兩種情況，因此我們可以采用假設法結合左手定則來判斷鋁環的受力方向，再結合實驗現象即可判斷假設是否成立。利用兩種思路總結的規律異曲同工，從實驗和理論上解決了感應電流方向的判斷問題。

總之，教師在進行教學設計時，應當結合課程內容和特點，層層深入，逐步引導，提升學生的科學思維能力，發展其核心素養。