基于物理學科關鍵能力培養的“啟發+探究”式教學
——以“磁感應強度”教學為例

江 山

(吳江汾湖高級中學，江蘇 蘇州 215211)

關于物理學科能力，大致包括觀察能力、實驗能力、思維能力、分析和解決問題能力、創造性思維能力等.結合《普通高中物理課程標準》對“物理學科核心素養”的要素及內涵的闡釋，綜合相關學者的研究，筆者認為，物理學科關鍵能力包括：物理概念理解與推理能力，綜合分析與物理模型建構能力，物理觀察與實驗探究能力，同伴合作與物理創新能力.

啟發式教學主要以“以教促學”教學思想指導，更多強調教師的主導作用，側重啟發學生對知識本身的理解,在啟發學生學科思維、探究方法、數據分析、抽象概括等方面有所不足.探究式教學則側重于學生在學習過程中學習科學研究的過程和方法.隨著我國基礎教育改革的持續推進，探究式教學在理論研究中越來越受到重視，但是在實踐應用中卻進展緩慢，存在著形式化、走過場的問題，也有以簡單的活動代替深入的探究.

基于此，筆者以建構主義理論、人本主義理論和問題教學理論為指導，以培養物理學科關鍵能力為指向，提出具有高中物理學科特質的“啟發+探究”式教學樣態.筆者認為，高中物理“啟發+探究”式教學是指：物理教師以培養學生物理學科關鍵能力為根本指向，從學生的認知基礎和認知規律出發，在提煉物理學科大觀念的基礎上，創設真實的問題情境，形成弱結構的問題空間.通過師生、生生、生本等多元化的相互啟發和協作互動，開展以真實的物理實驗探究為主要形式的學科教學實踐，并在問題解決的過程中獲得物理學科知識、形成物理學科觀念、提升物理學科思維、培養批判創新能力的一種課堂教學樣態.

1 深入分析教材，梳理物理觀念，生成教學主題

物理觀念決定我們研究問題的切入角度，它是對解決一類或幾類問題所用的物理思想、物理方法概括提煉而成的.而往往很多學生缺乏對物理知識背后蘊含的學科觀念的領悟，不能把握物理知識間的內在聯系，其學習表現為對物理事實、概念、原理的碎片化記憶，對事物本質的認識浮于表面，缺乏用物理觀念解決實際問題的思路與方法.

因此，在實際教學中教師需要首先深入分析教材，把教材中超越具體物理知識的物理觀念梳理出來，將這個物理觀念的建立作為教學的認識論目標(最高層次的目標)，以此確定教學主題.教學主題是學生在一堂課上所探究的物理學科中最核心、最關鍵的問題.教學設計的明線是物理核心知識與結構的探究與理解，教學設計的暗線是物理思想、物理方法的運用能力的培養.

例如，“場”是一種客觀存在的物質，如重力場、電場、磁場等，他們的共性就是對放入其中的一些物體會有相互作用，科學家就利用這一性質來認識和研究這些”場”.

在“磁感應強度”的教學中，通過對教材的梳理，就可以以“場”的這一性質為切入點，設計一組問題逐步生成教學主題.

問題1：我國古代的四大發明之一指南針，它是靠什么工作的？

問題2：丹麥物理學家奧斯特通過觀察到什么現象發現了電流周圍有磁場的？

磁極間、磁極與電流間的相互作用是通過磁場發生的，電荷間的相互作用是通過電場發生的，兩者相似，在教材中，也是指導學生通過類比的方法找出表示磁場強弱的物理量，有意將學生的思維往“場”觀念的方向引導.因此，在教學中，可以以跟電場類比為主線進行教學設計，增強學生對“場”觀念的認識.

問題3：兩個點電荷之間的庫侖力靠什么產生的？兩個磁極間的作用力靠什么產生的？

問題4：電場看不見、摸不著，可以通過怎樣的方法感知它？

問題5：在研究電場時引入檢驗電荷來研究，在研究磁場時引入什么物體來研究？

反思：對物質的認識，從實物粒子到“場”，是學生認識的一次飛躍，而且以“場”為出發點來分析和解決問題，對學生的思維來講是一次轉折，也是一次挑戰.基于物體間的相互作用(物與物)這個前認識，通過磁場與磁極間相互作用(場與物)的啟發，加深了學生“場”的物質觀的理解，又通過磁場與電場的類比，將學習電場時初步建立的“場”的觀念遷移應用到磁場的學習中來，使學生的思維得到了拓展.這樣，就以“磁場”的教學為載體，幫助學生構建“場”的觀念.

2 創設真實情境，提出探究問題，鋪設探究路徑

一個教學主題中必須形成兩個關鍵內容： (1) 學科“大觀念”，即探究此主題所需要的觀念； (2) 真實問題情境：包括真實的現實生活情境和學科情境.

學生面對真實的問題情境運用怎樣的思維方式去分析，然后提出需要科學探究的物理問題呢？這就需要教師通過一連串有啟發性的問題引導學生思考、選擇；根據觀察或大量實驗數據采用歸納推理還是演繹推理得出結論；運用類比還是轉化方法研究；從論據中對論點提出質疑等等.這些模仿科學家當時研究問題時的情境并不斷地啟發還能讓學生親歷、體驗科學家的研究過程，不僅有利于學生對物理知識本身的理解，對形成物理科學思維也有較大的意義.

在“磁感應強度”教學中確定了教學主題后，接下來就要為學生創設真實情境，為探究做準備.

學生體驗1：用條形磁鐵1的N極靠近條形磁鐵2的N極，感覺到兩磁極相互排斥；用條形磁鐵1的N極靠近條形磁鐵2的S極，感覺到兩磁極相互吸引.

問題1：在電場中的同一位置放置正電荷和負電荷時，正、負電荷受到的靜電力方向不同，說明了什么？

問題2：實驗桌上都有一根條形磁鐵和幾個小磁針，將小磁針放在磁鐵的周圍，觀察小磁針的指向，發現了什么？

問題3：通過初中對磁場的學習，應該對條形磁鐵周圍的磁場有所認識，能否擺放這些小磁針來驗證一下？

通過這樣的啟發，在提出了有價值的探究問題的同時，也使學生驗證了已有概念.學生可以擺出條形磁鐵周圍的小磁針如圖1.

學生體驗2：兩塊體型較大的馬蹄型磁鐵吸在一起后，很輕松地就能將它們分開，而兩塊體型比較小的釹鐵硼磁鐵吸在一起后，兩個男學生一起拉都很難將它們分開.

問題4：可以看出不同的磁體在它周圍產生的磁場強弱是不同的，磁場的強弱跟磁體的大小也沒有關系，那么，可以通過什么來反映磁場的強弱呢？

問題5：在學習電場強度時，通過放入電場的檢驗電荷的受力情況來研究電場中各處電場的強弱的，并從檢驗電荷的受力來反映電場強弱的.類似電場強度的定義，能否通過測量小磁針在磁場中的受力來反映磁場強弱呢？

問題6：因為不存在只有一個磁極的磁體，難以通過測量小磁針的受力來研究磁場的強弱.那磁場還對什么會有力的作用？

初步確定了探究方向：探究通電直導線在磁場受到的力.

反思：一個新概念的形成，需要將學生之前的一些“碎片化”的知識、感性的認識收攏起來.通過演繹推理、類比等思維方式進行優化整合，以達到知識的重構，形成正確的穩定的物理概念.可以通過設置一個問題串，以此作為臺階，使學生的思維一直處于活躍狀態，激發學生的求知欲望.在此過程中，學生在完成了知識目標的同時，思維品質也不斷得到了提升，在這樣的問題串引領下，所要探究的物理問題逐漸浮現在學生眼前，學生將很樂意接下來的探究過程.

3 師生合作探究，啟發探究方法，親歷物理實踐

在探究過程中，設計合適的探究方法是難點，它考驗學生應用已經掌握的物理知識來解決實際問題的能力，運用怎樣的物理規律把一些無法直接測量的物理量轉化為可以觀察和測量的物理量，選擇哪些合適的測量儀器，哪一個實驗方案更合適，當在實驗中又生成了新的需要探究的問題時如何繼續探究等等.假如教師完全放手，只能導致學生的忙亂，一堂課下來，收獲很少，還可能增加了學生的負擔，對物理的學習產生畏懼.所以，筆者認為，在這一過程中，教師的啟發引導作用要充分體現，教師重點在探究方法選擇及實驗方案優化上進行啟發，在探究過程遇到困難時啟發學生創新改進實驗方案.在師生合作探究中讓學生親歷學科實踐，提高學生的科學探究能力.

在“磁感應強度”教學中，明確了從研究通電導線在磁場中受到的力來探究反映磁場強弱的物理量之后，就可以在學生已有知識的前提下，根據學校實驗室具備的實驗器材啟發引導學生制定合理的探究方案.

圖2

問題1：在如圖2所示的實驗中，通電導線受到的作用力是沿水平方向的，怎么去測？怎樣用一個電子臺秤來測出通電導線受到的磁場力？可將圖中的實驗裝置怎么改進？

初步形成探究方案：

每個實驗組桌上放有實驗器材：3組馬蹄形磁鐵(每組兩塊磁鐵)、2個鐵架臺(用1根金屬橫桿跨接)、電子秤、細銅棒、導線若干、滑動變阻器、電源、電鍵等.

圖3

設計實驗：如圖3，將兩鐵架臺放在實驗桌上，蹄型磁鐵開口向下倒掛在兩鐵架臺間的金屬橫桿上，使蹄型磁鐵的磁極離細銅棒的距離在3 cm左右，磁極正下方放置電子臺秤，臺秤上放細銅棒，并將臺秤示數清零(消除細銅棒重力影響)，將細銅棒接入電路，為保護電路，在電路中串入滑動變阻器，細銅棒通電后，可通過臺秤的示數反映細銅棒受到的磁場力.

問題2：只測一次細銅棒受到的磁場力能反映磁場的強弱嗎？

同一地方測出多個細銅棒受的磁場力，做出比較后才能找出規律.

問題3：細銅棒的要素有兩個(自重已清零)：一個是棒中電流的大小，另一個是棒的長度，這兩個要素不一樣的棒在磁場同一個地方受到的磁場力會一樣嗎？怎么改變棒中的電流大小和棒的長度？

圖4

修改實驗方案：如圖4，在電路中串入滑動變阻器，滑動滑片來改變棒中的電流.磁鐵可改變組數，以此來改變棒在磁場中的長度.

實驗數據如表1，其中細銅棒通電長度L由磁鐵的塊數決定，1組(2塊磁鐵)長度L記為2，2組(4塊磁鐵)記為4，3組(6塊磁鐵)記為6.(因只需得出比例關系，故磁場力大小用電子秤示數表示即可)

表1 測量數據

反思：實驗能力是科學探究中的重要能力，利用實驗室現有的器材，設計出實驗方案，是科學探究重要環節.此時，就要充分發揮教師的主導作用，在學生原有的基礎上，以問題為引領，逐步的啟發，鋪設探究路徑，逐漸完善探究方案.而培養探究能力更重要的途徑是學生的直接參與，充分發揮學生的主體作用，讓他們親身經歷實驗探究這種學習活動，在“做中學”.由他們自己收集實驗數據，制作記錄數據的表格.在實驗的過程中，遇到了困難，發現了與自己的認知相沖突的問題，既能讓學生體會科學家在發現物理規律時的艱辛，又能激發學生的思維，在不斷的生疑，解惑中，在師生的共同參與下，逐步提高學生的探究能力.

4 交流探究結果，啟發形成概念，注重真實評價

在經歷了師生合作探究過程后，要將探究的結果“物化”，以此表現學生科學思維、科學探究能力的提高.如何“物化”？

科學探究中得到大量的實驗數據，通過對數據的分析論證會得到實驗結論.這個過程中需要各個探究小組、同一小組中的每個成員把各自的實驗數據和結論匯總交流，只有在對大量數據分析的基礎上得出的實驗結論進行概括抽象才能上升為概念和規律.

在這一環節中學生面臨的難點在于：如何從一條條實驗結論中概括抽象形成概念規律？所以，教師啟發的重點在于如何分析實驗結論并上升為概念規律.

在上述第3個環節的實驗得出測量數據后，如何引導學生交流討論實驗數據呢？

問題1：實驗數據的一般處理方法有觀察法、比值法、作圖法等方法，對實驗中得到的測量數據可以用什么方法來處理？

問題2：物理學中還有個類似于點電荷的物理量——電流元，把很短一段通電導線中的電流I和導線長度dL的乘積Idl叫做電流元.那么，是否可以去研究一段電流元受到的磁場力？

真正的電流元難以實現，但根據蹄型磁鐵產生磁場的特點，細銅棒所處位置的各處磁場強弱接近相等的，所以，在實驗中可以用一段通電直導線替代.這樣表1中的數據只要研究電子秤示數所反映的磁場力F與IL即可，如表2.

表2

圖5

問題3：假如某個物理量是一個常量，它很有可能反映一種物質的某種性質，或者反映一種物體的某個屬性.那么這個比例系數k能反映磁場的強弱嗎？怎樣通過實驗來驗證？

進一步實驗：減小磁鐵與細銅棒的距離至1 cm左右，再次實驗.得到的實驗數據如表3.

表3

通過作圖法，作出通電導線受的磁場力F與IL的關系圖線如圖6，發現仍是一條過原點的直線，但直線的斜率比第一次作出直線的斜率大.

圖6

反思：實驗結果不等同于實驗結論，結果是在實際的物理過程中得出的，具有客觀性，需要經過比較、類比、歸納、演繹等科學思維不斷的試探，在試探中質疑，質疑后再推理，逐步找到科學規律，最后“物化”為結論的.在這一過程中，教師從比較法、比值法、圖像法等數據處理的常用方法進行啟發，引導學生對自認的結論進行質疑，啟發他們再次設計實驗方案，尋找證據，依據證據進行論證、交流、評價，從而得出結論，而這樣得出的結論才能應用到解決實際的物理問題中去.