在物理問題解決中培養學生的批判性思維*

徐地虎

美國批判性思維專家羅伯特·恩尼斯指出，批判性思維是合理的、反思性的思維，其目的在于決定我們的信念和決策。清華大學錢穎一教授將批判性思維分為兩個層次：第一，它是一種能力，有別于知識；第二，它是一種心態，是一種心智模式，是一種價值取向。第一層次的批判性思維是可教、可測的，第二層次則難以直接教學，但學生可以從周圍的環境中學習和感悟。為了培養學生的批判性思維能力，應在高中物理教學中充分利用課堂教學的優勢，在真實情境中創造批判性思維氛圍，在問題解決中提升學生的批判性思維能力，進而培養學生的創新思維能力，促進學生物理學科核心素養提升，助力學生的終身學習與發展。這里舉例筆者所經歷的學生的兩次質疑，試作說明。

一、關于“等量同種電荷中的電場線”的質疑

圖1 等量同種電荷的電場線分布

所畫，教材中未畫出），與之前版本的教材沒有大的改變。課堂上為了讓學生對等量同種電荷的電場線分布有一個更好的了解，通常會計算一些特殊位置處的電場強度，分析諸如連線與中垂線上電場分布特點等問題。

一次課后，學生提問：老師你計算了中垂線上的電場強度，那么中垂線上有電場線么？

筆者回答說有的，根據電場的計算結果可知，中垂線上的電場線是沿著中垂線向外的直線，如圖1中的豎直虛線所示。

學生繼續提問：向上和向下的電場線交于兩點電荷的中點，如圖1 中O點，可是根據電場線的特點可知，電場線從正電荷或無限遠出發，終止于無限遠或負電荷，可是該處并沒有正電荷，也不是無限遠，這個怎么理解呢？

這個問題是一個典型的可用于培養批判性思維的問題，同時也是一個不仔細琢磨就不好回答的問題?；陔妶鼍€的分布特點，結合對等量同種電荷的電場線的分析結果，學生得出一個相互矛盾的結論，造成了認知沖突。此時，批判性思維教學的質疑階段已經形成，接下來是判斷和評價的階段，要設計具體的研究方法或方案，進行全面的對比、分析與綜合，最后得出結論或做出評價。筆者同學生一起進行分析，過程如下。

按照電場線的特點，電場線應該從正電荷或無限遠出發，顯然O點處沒有正電荷，那么該點能否看作等效無限遠呢？根據電場線的特點，沿電場線的方向電勢降低，假定無限遠處的電勢為零，那么O點的電勢高于零，不能等效為無限遠。那么是否認為O點處有電場線發出的結論是不正確的呢？這需要進一步研究是否有電場線流入O點。分析可知，兩點電荷的連線上應該有電場線，如圖1 中的水平虛線所示。但依然存在一個問題，電場線在空間不能相交，而水平電場線與豎直電場線在O點似乎發生了“直角轉彎”，這與空間中某點的場強只有一個方向，電場線不能相交又相矛盾了，這需要進一步的分析。事實上，O點處的場強為零且無電場線，而O點左右和上下的電場強度均不為零，但越靠近O點越趨于零，即O點是一個極限點，因此可以從極限角度進行理解。假設從正電荷出發的電場線非?？拷鼉牲c電荷的連線，則該電場線通過一個曲率半徑很小的弧轉向豎直方向，如圖2（a）中帶箭頭的弧線所示；且電場線越接近兩點電荷連線，弧的曲率半徑就越小，轉向豎直方向的電場線越接近于中垂線，極限情況下當電場線沿兩電荷連線方向，則弧的曲率半徑為0，進而轉向沿中垂線方向，如圖2（a）中帶箭頭的直線所示，順利地實現了電場線從水平方向轉向豎直方向的“直角轉彎”。當然，圖中僅展示了平面的電場線分布，可以通過旋轉對稱性可得到三維立體的電場線分布。

（圖2）

根據以上的分析可以看出，電場線從正電荷或無限遠處出發與本題的電場線分布并沒有矛盾。要解釋中垂線上有電場線分布，既需要分析O點附近處的電場分布特點，又要利用極限思想進行分析理解，對學生的數學要求較高，同時思維難度較大，這也可能是教材中沒有畫出中垂線上電場線的原因。

為了更為直觀地理解電場線從水平方向轉向豎直方向，可以對O點處做一些創造性的探索。由于O點處的電場強度為零，而在金屬內部的電場強度也為零，那么是否可以相當于在O點有一個金屬球？答案是肯定的，假定O點處有一半徑極小的不帶電金屬球，在電場中金屬球各處產生感應的電荷如圖2（b）所示，O處電場強度為零，且順利地實現了從水平方向轉向豎直方向，并且O處所帶凈電荷為零，這與真實情形下O點電場強度分布類似，這雖然與真實的電場線分布有出入，但隨著金屬球的半徑越來越小，電場線分布將趨于完全相同，不失為一種促進理解的手段，也可以為解決靜電場問題提供一種思路。

鑒于學生已經對電場線有了比較深入的理解，筆者又在課堂上拋出了3 個問題讓他們討論：①電場線的特點是從正電荷或無窮遠出發，終止于無限遠或負電荷，為什么要這樣設計電場線？②可不可以有不同于這種特點的電場線呢，比如電場線是首尾相連的閉合曲線，這種電場線又會有怎樣的性質呢？③教材中利用頭發碎屑懸浮在蓖麻油里，加上電場，碎屑就按電場強度的方向排列起來，顯示電場線的分布情況，這種方法為什么可以模擬電場線呢？能用其他方法來模擬電場線么？

后兩個問題明顯讓學生有所觸動。他們此前既沒有質疑過教材內容的合理性，也沒有思考過如果條件不同將會帶來怎樣的影響以及其背后所蘊含的物理本質。筆者提問的目的不在于得到正確答案，而是借此啟發學生的批判性思維。

上文中利用批判性思維分析了等量同種電荷中垂線上的電場線，在分析的過程中不僅加深了學生對電場線特點的理解，也進一步加深了他們對真實情境下的電場分布特點及對應的分析方法的理解。因此，在課堂中利用批判性思維研究真實問題，對培養學生的學科核心素養、培養學生的關鍵能力和必備品格方面將大有裨益。

二、關于“電磁感應中磁通量如何變化”的質疑

例題：如圖3 所示，用一段橫截面半徑為r、電阻率為ρ、密度為d的均勻導體材料做成一個半徑為R(r?R)的圓環。圓環豎直向下落入如圖所示的徑向磁場中，圓環的圓心始終在N 極的軸線上，圓環所在位置的磁感應強度大小均為B。圓環在加速下落過程中某一時刻的速度為v，忽略電感的影響，則（）

（圖3）

A.此時在圓環中產生了順時針(俯視)的感應電流

B.圓環因受到了向下的安培力而加速下落

C.此時圓環的加速度a=

D.如果徑向磁場足夠長，則圓環的最大速度Vm=

課上學生提出疑問：用右手定則可以判定圓環的電動勢和電流方向，說明A選項是對的。但是從產生感應電流的條件分析，產生感應電流的條件是閉合導體回路的磁通量發生變化，閉合回路就是圓環，可是圓環平面與磁感線平行，磁通量在下落的過程中始終為零，從這個角度上看，圓環上不應該有感應電流的，兩種方法是矛盾的，這在物理上如何理解。

筆者在一開始也確實有些費解，利用右手定則分析，圓環切割磁感線產生了感應電動勢；不過從磁通量的角度看，“似乎”沒有磁感線穿過圓環圍成的面積，感應電流確實為零。但筆者始終堅信兩種方法肯定不矛盾，既然用右手定則能夠判定有電流，那么圓環平面內肯定有磁通量的變化，因為產生感應電流的條件就是閉合導體回路的磁通量發生變化，肯定有哪個地方被忽略了。對質疑的鼓勵不能替代對質疑的回答。只有利用好這一契機，才能呵護學生的質疑精神，促進學生的批判性思維的培育。基于這樣的考慮，筆者同學生一起逐步推導分析。

首先，圓環有感應電流，圓環平面肯定有磁通量變化，那么圓環平面的磁通量肯定不能始終為零；其次，分析圓環處的磁通量是否為零；最后，圓柱形N 極在圓環平面的磁通量是否為零，如果為零，則說明產生感應電流的條件是有特例的。進一步分析N 極在圓環平面的磁通量，發現問題就出在沒有畫出完整的磁體內部的磁感線上。為了說明圓環在下落的過程中磁通量的變化，非常有必要將磁體的磁感線分布圖畫出來，如果要滿足題中圓環所在位置的磁感應強度大小均為B的要求，那么在側視圖中磁感線應該間隔均勻，同時根據磁感線的特點，就可畫出磁感線一種可能的分布圖，如圖4 所示。將磁感線分布畫出來以后，問題就迎刃而解了。圓環在下落的過程中，磁感線從下向上穿過圓環，N 極的磁感線下端密上端疏，磁通量增加產生感應電動勢和感應電流，利用右手定則與法拉第電磁感應定律判斷結果一致，不存在矛盾，并且更加直觀易理解。

從以上的問題可以看出，如果不把完整的磁感線畫出來，就很難解答學生的困惑，也容易讓學生對產生感應電流的條件產生懷疑；與此同時，充分利用學生的疑惑進行深入的研究，不僅能夠使學生對物理原理有更加深入的認識，同時也可以讓學生在分析問題的過程中培養批判性思維。

圖4 磁感線分布示意側視圖

綜上，在高中物理教學中，教師應充分利用課堂教學的組織性優勢，在課堂中創造批判性思維學習氛圍，讓學生在問題解決中提升批判性思維能力，進而提升科學思維與科學探究能力，最終形成正確的物理觀念，真正讓學生的物理學科核心素養在課堂教學中得到提升。