基于學生科學思維培養的物理規律教學探索
——以“交變電流”一課為例

谷海躍 耿宜宏 吳 欽

(1. 常州市第一中學，江蘇 常州 213003； 2. 江蘇省前黃高級中學，江蘇 常州 213161)

1 問題的提出

物理概念與物理規律教學側重點并不相同,而在實際的教學中不少教師卻將其混為一談．物理概念是對物理事實高度抽象出的知識點,教學重點是概念建立的過程以及建立的原因．而物理規律則是反映了物理概念之間的關系．其中的教學重點是科學思維的培養與科學探究能力的養成．每個物理規律得出都隱藏與之相關聯的多個科學方法．本文以“交變電流”為例,深入分析規律課教學中的實際難點,并初步提出解決的路徑．以培養學生的科學思維為目的,挖掘并顯化規律得出的科學方法,以期能讓規律形成之路更加一目了然．[1]

2 基于學生科學思維培養的物理規律課教學難點

福建師范大學陳祖標教授提出,以認知心理學的觀點來看,“物理”其實可以理解為“物+理”(圖1)．[2]以本節課為例,手搖發電機、發電廠等可以視為實物化、模像化后的物,而正弦交變電流的規律及圖像可以認為是抽象化、符號化后的理．從物到理即是生活走向物理,由理到物則是物理知識在生活中的應用．

圖1 “物”+“理”模型圖

從學生的視角出發,學習的難點是具于形象思維的物(實際物體)與基于邏輯思維的理(物理規律)之間仿佛隔著一個“鴻溝”,從“具物化”的元認知階段直接躍遷到“抽象化”的高階思維,缺乏一定的過渡．所以尋找物與理之間的橋梁就變得至關重要．

3 基于學生科學思維培養的物理規律課教學策略

3.1 培養學生建構模型的意識與能力

在追尋物與理之間的關系的規律課中,實際物體用于進行規律探究過于復雜．由于次要因素過多不足以充當規律探究的載體．為了凸顯主要因素,科學家們提出了建構模型的科學思維方法．模型是物與理之間的“有效橋梁”,它可以有效降低學習規律的難度．我們既可以通過對物理模型進行分析得出物理規律,我們又可以將物理規律用于模型而解決生活中的實際問題．所以說,建構模型是進行規律探尋的前提條件．在課程標準中明確的提出,學生通過高中物理的學習,基本具有構建模型的意識和能力．

3.2 教學過程中重視顯化科學方法

建立模型只是讓我們明確了研究對象,如果沒有科學方法的指導,規律的探尋就沒有辦法繼續進行．課程標準中指出科學思維是從科學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律以及相關關系的認識,是分析綜合、抽象概括、推理論證等科學思維方法的內化．[3]科學探究的過程中往往蘊藏著很多的科學方法,如控制變量、從一般到特殊、定性到定量的邏輯推理等．在教學過程中顯化科學方法,有利于學生建構整個方法體系,有助于學生用科學視角解決新的問題．

3.3 重視以學生為主體的課堂

課堂角色進行轉換,從教師講授學生被動接受的知識積累型課堂轉變為重視學生探究體驗素養積累型課堂．通過教學活動培養學生實證的意識和評價證據的能力,能使用證據對研究問題進行定性的邏輯推理、定量的科學運算推演和實驗．具有批判性思維意識,能夠基于證據與推理進行大膽的質疑．讓學生進入深度學習,素養在潛移默化中提高．

4 基于學生科學思維培養的“交變電流”規律課教學片段

4.1 片段1：模型建立過程(圖2)

圖2 模型建立過程

師:通過實驗我們發現手搖發電機能夠產生交變電流,那么下面我們就來探尋交變電流是如何發出的．

問題1:對于實際的發電機我們如何去研究它?

生:建立模型．

問題2:模型由哪些部分組成呢?

生:磁鐵與線圈．

問題3:我們研究問題都是從簡單到復雜,那么我們如何簡化模型呢?

生:線圈:單匝;磁場:勻強;轉動:勻速.

問題4:三維模型圖不利于我們觀察,有什么降低難度的方法?

生:降低維度．

問題5:大家畫出的二維圖有圖3兩種,選哪一種呢?

圖3 降低維度過程

生:右邊那種,因為既可以看到切割邊又能夠看到速度方向．

點評:在本段教學中利用問題鏈引導學生由表及里,深入研究發電機內部構造,由整體到局部聚焦研究問題的重點．可以讓學生自然地從動作思維為主的現實場景轉化為形象思維(物理模型)的物理場景．在建模的過程中引導學生研究問題從簡單到復雜的意識,利用降維的思想進一步降低問題的難度,為下一步探究規律做好伏筆．

4.2 片段2：定性推理過程

師:線圈不停地在磁場中旋轉，我們需要找出一些特殊位置進行研究．

問題1:同學們選擇哪些特殊位置進行研究?你選擇的依據是什么?

生:既要滿足速度與磁場垂直,又要滿足速度與磁場平行．那么共4個位置．

師:請同學們利用已經學過的知識完成表1中的表格．

表1 發電機參量關系表

問題2:圖中(b)與(d)有什么共同點?

生:電流為0,B與v垂直,B與S平行．

師:我們發現這樣的面很特殊,我們稱為中性面,一般我們會作為研究線圈轉動的參考平面．

師:請大家將剛剛(a)—(b)—(c)—(d)—(e)5個位置的電流定性的畫到i-t圖像中去(圖4)．

圖4 部分學生猜測的i-t圖像

問題3:大家能夠通過這5個點猜測圖線的形狀嗎?

生:有可能是三角形的,也有可能是正弦類的圖像．

問題4:那么如何驗證呢?

生:我們可以從理論和實驗兩個角度去分析．

點評:對運動的物體進行研究往往是要確定具體位置．從一般到特殊的研究路徑不僅能夠化繁為簡而且還包含了整體到局部的思想．能夠讓學生從繁雜的情形中理清楚頭緒來．而根據有效的局部信息大膽的猜測整體的趨勢,能夠讓學生掙脫束縛大膽猜想,體會科學推理的強大與樂趣．大膽猜想,小心驗證形成一個嚴密的科學探究過程．

4.3 片段3：定量驗證過程

師:下面我們找出一個一般位置進行研究．勻強磁場的磁場強度為B,矩形線圈以角速度ω逆時針轉動．線圈AB邊長為L1,線圈AD邊長為L2．線圈從中性面轉動開始計時,如圖5,試推導t時刻線圈中的感應電動勢為多大?

圖5 理論推導正弦變化規律

問題1:哪些邊在切割,產生的電動勢相加還是相減?

生:AB、CD產生電動勢應該相加,總電動勢應該為單條邊的2倍．

問題2:那么一條邊的電動勢如何求?用什么公式?

師:真棒,大家的猜想得到了驗證．

問題3:理論的結果還需要我們實驗的契合,我們如何驗證手搖發電機發出的電是按照正弦規律變化的呢?

生:我們可以將手搖發電機輸出的電壓輸入到電壓傳感器中觀察(如圖6)．

圖6 手搖發電機輸出電壓-時間圖像

師:很好,輸入傳感器可以方便我們直觀的觀察到電壓隨著電流的變化關系．

問題4:大家看到的圖線滿足正弦變化關系嗎?

生:這個很難回答,說是也不是,說不是也有點像．

問題5:可能是因為什么問題導致的?(教師搖動手搖發電機,讓學生再次觀察實驗,讓學生仔細觀察,猜測原因．)

生:磁場不是勻強磁場,搖動也不能做到勻速．

問題6:那么如何解決這兩個問題呢?

生:改換磁鐵,尋找裝置能夠產生勻強磁場．用電機帶動線圈,使得轉動更加平穩．

師:大家請看改進后的裝置,如圖7，亥姆霍茲線圈提供磁場,可近似獲得勻強磁場．用直流電機帶動線圈使其轉動接近勻速．請大家再觀察輸出的電壓.

圖7 改良實驗裝置及輸出結果

生:哇!我們的猜想得到了驗證．(學生自發激烈鼓掌)

點評:本段教學過程著重培養了學生的證據意識,較為完整展示了理論與實驗兩個方面證據對之前邏輯推理的驗證．理論推導過程利用問題鏈對學生進行引導,從研究對象的確定到所用公式的梳理,一步步降低學生理論推導的難度．在實驗驗證的環節,并不是一味求“快”,而是尊重學生認知發展規律,基于學生對電動機的了解,一步步引導學生對現有的裝置進行改良．重視學生整個過程中的探究體驗與素養養成,促使學生深度學習．

5 總結與反思

物理規律學習活動的設計必須讓學生主動建構知識,而這是需要注重體驗的過程．[4]后續教學中引導學生運用規律解決問題,加深對物理規律的理解．學生經過了模型建構、化繁為簡的物理方法后認知能力得到了提高．經過了由定性到定量、理論與實驗的契合思維加工,學生科學思維得到了進一步的加強．教師應該好好利用好規律教學,借此讓學生核心素養的達成、立德樹人的育人目標能夠真正實現．