構建創新思維課堂培養學科核心素養

劉冬梅 焦健生

[摘 ? 要]物理作為一門邏輯思維很強的學科，特別有利于培養學生的創新思維能力和學科核心素養。課堂是培養學生“創新思維”的主陣地，教師在課堂教學中應為學生創設出具有“創新思維”特點的情境，設計出具有“創新思維”導向的素材，并引導學生體驗具有“創新思維”元素的過程，從而構建創新思維課堂，培養學生的學科核心素養。

[關鍵詞]創新思維;學科核心素養;模型構建

[中圖分類號] ? ?G633.7 ? ? ? ?[文獻標識碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號] ? ?1674-6058（2020）32-0042-03

我們知道，“科學思維”和“實驗探究”是物理學科核心素養的兩個要素，其中“科學思維”包含了四個方面，即模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新，其中“模型建構”是科學思維最基礎的活動，“科學推理”和“實驗探究”則是科學思維中的方法和行為，而“質疑創新”是對不同觀點或結論的質疑、批判?？梢?，科學思維和科學探究是培養學生創新思維的必備方式和行為，更是學生形成物理學科核心素養的重要途徑。

物理作為一門邏輯思維很強的學科，特別有利于培養學生的創新思維和學科素養。課堂是培養學生“創新思維”的主陣地，教師應在課堂教學中為學生創設出具有“創新思維”特點的情境，設計出具有“創新思維”導向的素材，引導學生體驗具有“創新思維”元素的過程，給學生以充分的發展和創造的空間，不失時機地培養學生的創新思維能力。下面以“交變電流的產生”拓展課為例，談談如何構建創新思維課堂，培養學生的學科核心素養。

這節拓展課是作者對人教版教材中“交變電流”一節內容的拓展延伸，課堂教學的主要方式是“同中求異，異中求同，拓展遷移，融會貫通”，通過對物理情境的改造或變形，激活學生的創新思維，培養學生的物理學科核心素養。

一、基于教材中的物理模型，構建新模型，培養學生的創新思維意識

學生要有一定的創新思維能力，首先要有扎實的物理知識、分析和解決問題的基本能力。其次要有一定的物理模型建構能力，再就是要有運用數學知識解決物理問題的能力。沒有一定量的相關知識、方法和能力，創新思維就猶如無源之水，創新就難以進行。

“交變電流”這節內容是上一章“電磁感應”知識的具體應用。學生在上一章已經學過了電磁感應中楞次定律和法拉第電磁感應定律等相關知識，能夠判斷和計算交變電流的方向和大小，并且對感生電動勢和動生電動勢的生成本質進行過區分，這為本節課的學習打下了一定的理論基礎。

教師在學生掌握了傳統發電方式的基礎上，大膽“創設”出“新的”發電方式，讓學生思考、探究和領悟創新思維的方法。

【教學片段1】

教師創設問題情境，要求學生回憶一下正弦式交流電是怎樣產生的，學生能夠從裝置和操作等方面回答這個問題，即將一個平面線圈置于勻強磁場中，并使其繞垂直于磁場方向的轉軸勻速轉動，這樣就能產生隨時間呈正弦規律變化的感應電流，如圖1所示。

設置問題1.這種電流的產生，本質上是對哪個物理規律的應用？

生：是對法拉第電磁感應定律的應用。

設置問題2.為什么會產生這種方向不斷變化的正弦式變化的電流？

生：是因為線圈的轉動，導體框的兩邊切割磁感線的方向發生變化，導致產生的感應電流方向發生變化。

其實這樣的回答是只看到了現象，還沒有抓到現象的本質。教師引導學生進一步思考。

設置問題3.產生電磁感應現象的條件是通過線圈的磁通量發生變化，那么產生正弦式交流電的線圈的磁通量隨時間又有怎樣的變化規律呢？學生分組討論。

學生通過討論能夠得出通過線圈的磁通量的變化規律（如圖2所示）。

此處學生在數學上如果有一定的微積分基礎，分析起來就更為方便。如果學生沒有微積分基礎，教師也可以通過引導學生聯想[Δφ-t]的圖像規律與[e-t]的圖像規律相一致，從而得出對應的[φ-t] 圖像。再通過比對圖1進行驗證，加深對[φ-t] 圖像（因）與[e-t]圖像（果）之間的聯系，讓學生抽象出一般規律。

二、運用分析綜合、推理論證等方法，點燃創新性思維的火花

羅杰·馮·伊莊（美國）認為：“知識本身不會使一個人具有創造力。創造力的真正關鍵在于如何活用知識?；钣弥R和經驗來尋找新點子、新創意，就是培養創造性思考所需的態度。”這個觀點告訴我們，要培養一個人的創新思維，活學活用知識非常重要，活用的重要方式就是聯想和發散思維。

【教學片段2】

師：如果從正弦變化這個角度，你能用其他方法產生這樣的電流嗎？

這是個具有開放性的問題，問題既要求學生發散思維，又要求學生收斂思維，聚焦問題。問題提出后，可要求學生先自主設計，再小組討論。通過討論，形成如下方案。

方案一：若線圈大小不變，而垂直它的磁場磁感應強度按正弦規律變化，[Bt=B0sin ωt]，則[ΔBΔt=B0ωcosωt]，穿過它的磁通量的變化率就按余弦規律變化，由法拉第電磁感應定律可知，產生的就是正弦式交流電。

原理如圖3所示，A、B為兩個相同的環形線圈，共軸并靠近放置。A環中通有圖3中A所示的交流電i，A環產生正弦式變化磁場，B環處在A環的磁場中不動，有效面積不變，則B環中的磁通量也按照正弦規律變化，那么，B環中就會產生圖3中B形式的交流電。

方案二：在勻強磁場中，由[E=BLv]可知，若切割速度按正弦規律變化，[v=v0sin ωt]，則[e=BLv0sin ωt]，產生的就是正弦式交流電?？梢詣撛O如圖4所示的情境，水平固定放置的間距為L的兩根光滑平行的金屬導軌，導軌一端接阻值為R的電阻，整個裝置放在豎直向下的勻強磁場中，磁感應強度為B，一電阻是r、質量為m的導體棒放在導軌上，棒在外力F作用下開始運動，其速度隨時間的變化規律是[v=v0sin ωt]，流經電阻的也是正弦式交流電。

方案三：在勻強磁場中，由[E=BLv]可知，若導體棒的切割速度不變，切割的有效長度按正弦規律變化，則產生的也是正弦式交流電。

原理如圖5所示， x、y為兩相互垂直的光滑直導軌，水平放置在桌面上， MN為一正弦曲線型導軌，且與x、y軸導軌絕緣（足夠長），如果以x、y為坐標軸，則正弦曲線的函數關系為[y=y0sin 2πx] ，導軌處于垂直于桌面的勻強磁場中（圖中是向下），磁感應強度為B，一直導體棒從原點O開始在拉力的作用下以速度v向右勻速運動，且直導體棒與x軸導軌及曲線導軌接觸良好，在MN曲線導軌的左端a處接一電阻R和一理想電流表A，產生的也是正弦式交流電。

方案四：利用相對運動的思想，將圖1中的線圈固定不動，讓磁場繞著原來線圈的轉動軸做勻速轉動，也可產生正弦式交流電。

三、對不同觀點和結論進行評估和判斷，強化學生創新思維的成果

上述四種方案，通過思維發散，學生能得出四種產生正弦式交流電的方案，幾乎涵蓋了引起磁通量變化的各種方式。教師可以引導學生對這四種方案進行評估和判斷，從而強化創新思維的成果。

【教學片段3】

設置問題1.請大家對這4種方案進行評估和判斷，是否都能產生正弦式交流電。

生（研究和思考后）：可以。

學生對上述4種方案的評估和判斷過程，也是對同學提出的不同觀點和見解的再次思考和檢驗的過程，提升了思維的準確性和批判性，這也為創新思維的培養打下基礎。

設置問題2.這幾種方案之間又有什么共性和區別？你們能否再進行歸類整理成兩種類型？

生：方案二、方案三，是在勻強磁場中（即保持磁場的磁感應強度恒定），通過改變線圈垂直于磁場方向的投影面積（即產生磁通量的有效面積），從而改變閉合回路中的磁通量，產生正弦式交流電。方案一和方案四是保持線圈垂直于磁場方向的投影面積（即產生磁通量的有效面積）不變，使磁感應強度按時間做正弦規律變化，使得閉合回路中的磁通量也按照正弦規律變化，也產生了正弦式交流電。

四、回歸生活升華創造性思維的成果，培養學生提出創造性見解的能力

【教學片段4】

創造性思維的成果應用于生產生活將其轉化成創造行為，才能將方案變為現實。

問題設置1.你對哪一種發電方案感興趣？談談你將如何實現這種方案。

生1：我對方案二感興趣，可以通過電腦的編程實現對速度的自動化控制。

生2：我對方案一感興趣，只要有兩個比較靠近的線圈，就可以實現電流從一個線圈到另一個線圈的感應。

生3：我對方案四感興趣，如果轉動磁場，就不需要讓線圈轉動，不會在滑環和電刷之間產生摩擦，損耗電能了。

……

發現在這個問題上，學生討論得最激烈，而且思考的角度也與我們實際生活中的案例逐漸貼近，例如生2提到的就是互感現象的應用，也是變壓器工作原理的雛形。生3提到的旋轉磁場減少摩擦耗能就是旋轉磁極式交流發電機的優勢。雖然學生不能很完備、很細致地考量，但通過設問的形式激發學生主動思維的熱情，將所學的知識情景化、實例化，回歸生活，升華創造性思維的成果。

問題設置2.請大家課后查閱相關資料，看一看實際的交流發電機采用的是什么方案，為什么選擇這個方案。如果你要實現你感興趣的發電方案，在哪些方面還可以進一步完善？

在“交變電流的產生”拓展課的教學實踐中，作者感悟到通過構建創新思維課堂提升學生的科學思維能力，是行之有效的。這需要教師合理整合可以構建創新思維課堂的素材，采取合理有效的教學方法，順應學生思維發展的特點，充分調動學生的主觀能動性，將科學思維的幾個要素落實到課堂教學中，進而真正培養學生的物理學科核心素養。

[ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ]

[1] ?中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] ?陳琦，劉儒德.當代教育心理學[M].2版.北京：北京師范大學出版社，2000.

[3] ? 封小超，王力邦.物理課程與教學論[M].北京：科學出版社，2005.

（責任編輯 易志毅）