“雙新”背景下培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的教學策略
——以支架式教學模式在楞次定律的教學為例

四川 彭 偉

一、引言

?普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)?(以下簡稱?課程標準?)指出:高中物理課程通過創(chuàng)設學生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學習情境,培養(yǎng)和發(fā)展學生的自主學習能力;通過多樣化的教學方式,利用現(xiàn)代信息技術,引導學生理解物理學的本質(zhì),整體認識自然界,形成科學思維習慣,強化科學探究能力和解決實際問題的能力。建構(gòu)主義強調(diào)將所學知識和一定的生活化學習情境相聯(lián)系,基于教學中的真實性任務,讓學生通過合作探究來解決情境性問題,以此建構(gòu)靈活的知識經(jīng)驗。隨著“雙新”理念的不斷推進,新教材、新課程對學生的科學探究和科學思維能力提出了更高的要求:“雙新”要求建立以學生為中心的教育觀,強調(diào)立德樹人,強調(diào)素養(yǎng)導向,強調(diào)讓學習真正地發(fā)生。因此,只有在遵循學生認知發(fā)展規(guī)律的前提下,通過情境性問題才能點燃學生的學習熱情,通過創(chuàng)新實驗讓學生參與科學探究過程,才能培養(yǎng)科學思維,滿足新時代的需求。發(fā)展心理學家維果茨基認為,教學的最佳效果產(chǎn)生于“最近發(fā)展區(qū)”,在基于學生已有知識情境的基礎上,通過支架式教學,合理創(chuàng)設知識的“腳手架”,能夠讓學生獲得知識、技能和情感態(tài)度的最佳發(fā)展。

在傳統(tǒng)教學中,楞次定律一般采用分組實驗得到感應電流、磁場方向和磁通量變化的相關數(shù)據(jù),然后通過教師引導,最終得出感應電流的磁場始終阻礙磁通量的變化(如圖1)。由于在引導過程中,需要借助感應電流的磁場這一隱含量,但實驗過程中難以體現(xiàn),往往需要教師直接引出,既達不到合理地引導激發(fā)學生思考,同時思維跨度較大,學生不能真正地參與,學習就沒有真正地發(fā)生。

圖1 傳統(tǒng)教學“楞次定律”的設計思路

本文結(jié)合?課程標準?和六個版本新教材關于楞次定律課程的教學設計進行分析總結(jié),運用認知心理學中支架式教學模式,結(jié)合學生的認知特點和已有知識水平,在學生的最近發(fā)展區(qū)內(nèi),合理搭建“腳手架”,發(fā)揮教師主導、學生主體作用,引導學生參與探究和思考過程,最終促使學生真正地參與學習過程,建構(gòu)個性化的知識體系,使學生的素養(yǎng)能力得到全面發(fā)展。

二、教材分析

教材中的創(chuàng)新點與不足

六個版本的教材都在一定程度上,立足學生已有知識水平,提出新問題,進行猜想假設、實驗探究、分析思考,最終得出科學結(jié)論。其中:

1.探究實驗中,除滬教版外的其他五個版本,通過螺線管和磁鐵進行實驗,現(xiàn)象直觀,但感應電流和磁通量變化沒有直接關系,教材采用直接說明的方式,忽略了對學生啟發(fā)思考和知識建構(gòu)的過程;滬教版中磁鐵和鋁環(huán)實驗,從磁鐵與鋁環(huán)的靠近、遠離的現(xiàn)象,很容易得出“來拒去留”的規(guī)律,但該實驗與最初探究“影響感應電流方向”略顯突兀,學生會陷入“為什么不去探究電流方向而是探究作用力”的困惑。

2.引導過程中,直接得出感應電流磁場這一隱含物理量和磁通量變化關系,沒有邏輯推導過程或?qū)嶒灛F(xiàn)象佐證,學生很難通過實驗本身,思考、發(fā)現(xiàn)其中的物理規(guī)律,而由教材直接“灌輸”,依然沒有充分激發(fā)學生主體意識,沒有讓學習真正地發(fā)生。

三、教學策略

(一)改進思路

基于以上分析,本文做出以下借鑒和改進

1.實驗層面,以電磁式電磁炮引入實驗,結(jié)合時事熱點,使其與生活生產(chǎn)聯(lián)系更加緊密,更好地激發(fā)學生的學習興趣和探究熱情(圖2);探究實驗采用兩個反向并聯(lián)的發(fā)光二極管顯示感應電流的方向,并安放在小車上,通過小車的運動探究磁通量變化過程作用力的關系(圖3),器材更加簡單、直觀、精確,且可以從感應電流方向和作用力兩個維度進行實驗探究。

圖2 電磁式電磁炮

圖3 裝有二極管的線圈和小車

2.課程建構(gòu)上,先探究磁通量變化與感應電流方向的關系,沒有得到直接結(jié)論,而是引導學生從磁通量變化和作用力的角度進行探究,容易得到“來拒去留”的結(jié)論;再通過演示實驗對比引導,發(fā)現(xiàn)磁鐵和線圈的作用與磁鐵和磁鐵的作用是相似的,從而類比遷移得出是感應電流的磁場和磁鐵磁場產(chǎn)生的作用,繼而發(fā)現(xiàn)“感應電流的磁場”這一中間量,最終分析磁通量變化和感應電流磁場的關系,得出“增反減同”的結(jié)論,在此基礎上總結(jié)提煉,進而得出楞次定律。

(二)基于支架式教學模式的教學設計

1.基于以上分析,本文教學流程如圖4

圖4 “楞次定律”教學流程

2.教學思路

圖5 “楞次定律”的教學設計思路

3.根據(jù)?課程標準?中科學思維和科學探究能力水平劃 分,本文制定出各教學環(huán)節(jié)對應的學習目標(如表1所示)

表1 科學思維和科學探究能力水平細目表

4.具體教學過程

環(huán)節(jié)一:創(chuàng)設情境、發(fā)現(xiàn)問題

合理的物理情境可以讓學生圍繞問題進行探究,既是課堂教學順利進行的有力保障,又能充分調(diào)動學生積極性,啟發(fā)學生思考、發(fā)現(xiàn)問題,保證教學的有效推進。采用電磁式電磁炮引入新課,讓學生觀察鋁環(huán)彈出過程,引導學生分析鋁環(huán)中磁通量變化會使得鋁環(huán)飛出的(如圖6所示)。建立模型,簡化實驗,用安裝有反向并聯(lián)紅綠發(fā)光二極管的線圈代替鋁環(huán),觀察磁鐵插入和拔出過程,可發(fā)現(xiàn)二極管交替發(fā)光,說明線圈中磁通量變化產(chǎn)生了感應電流,且感應電流方向發(fā)生變化,從而引出感應電流方向的問題(如圖7所示)。

圖6 電磁式電磁炮原理

圖7 感應電流方向演示器材

【設計意圖】科學推理是根據(jù)一個已知現(xiàn)象推理出另一個未知現(xiàn)象的思維方式。通過視頻、演示實驗,巧妙設置問題情境,激發(fā)學生的學習興趣,調(diào)動學生的認知驅(qū)動力,引導學生對觀察的現(xiàn)象進行分析思考,提出問題。同時兩個演示實驗層層遞進,符合學生認知規(guī)律,并分別體現(xiàn)了磁通量變化過程中作用力和感應電流這兩個物理現(xiàn)象,為后續(xù)探究設計做好鋪墊。

環(huán)節(jié)二:演示觀察,猜想假設

再次演示磁鐵不同磁極插入、拔出線圈實驗,觀察兩個反向二極管的發(fā)光順序,引導學生猜想感應電流方向的影響因素。

【設計意圖】在物理概念的課堂教學中,核心在于創(chuàng)設體現(xiàn)概念本質(zhì)特征的物理情境,使學生的科學思維得到充分發(fā)展。學生基于對現(xiàn)象的觀察,可能有多種猜測,要善于引導學生對猜想進行合理地分析、推理,確立最合適的探究方向(如圖8所示)。

圖8 從觀察現(xiàn)象到概念本質(zhì)的猜想

環(huán)節(jié)三:實驗探究,提出質(zhì)疑

學生通過探究實驗,記錄感應電流方向和磁極方向、磁通量變化數(shù)據(jù),從而發(fā)現(xiàn)感應電流和磁通量變化沒有直接的聯(lián)系(如表2)。

表2 磁場方向、磁通量變化與感應電流方向探究結(jié)果

【設計意圖】引導學生對實驗結(jié)果進行分析,培養(yǎng)學生證據(jù)思維,在沒有充分證據(jù)的情況下要敢于提出“沒有直接聯(lián)系”的結(jié)論,使學生形成“實驗－觀察－思考－結(jié)論”的科學探究范式,并為新的探究方向做鋪墊。

環(huán)節(jié)四:轉(zhuǎn)換思路,再次探究

引導學生轉(zhuǎn)換思路,既然感應電流和磁通量變化沒有直接的聯(lián)系,磁通量變化過程中還有力的現(xiàn)象,那么作用力和磁通量變化有直接的關系嗎? 學生將線圈按放在定制小車上,用磁鐵插入、拔出線圈,通過小車的運動,觀察并記錄磁通量變化與作用力的關系。

【設計思路】學生在探究過程中遇到瓶頸時,引導學生從磁通量變化產(chǎn)生作用力的角度進行探究,體會科學探究的過程就是不斷嘗試的過程,幫助學生樹立不畏困難、勇于創(chuàng)新的科學態(tài)度。

環(huán)節(jié)五:數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)規(guī)律

通過記錄數(shù)據(jù),最終得出“磁通量增大時,線圈和磁鐵相互排斥;磁通量減小時,線圈和磁鐵相互吸引”的結(jié)論(如表3)。

表3 線圈受力與磁通量變化探究結(jié)果

【設計思路】通過實驗數(shù)據(jù),引導學生運用控制變量的思維方法,分析推理、歸納總結(jié)得出結(jié)論,使學生經(jīng)歷“探究受阻—轉(zhuǎn)換思路—再次探究—分析論證—得出結(jié)論”的思維過程。

環(huán)節(jié)六:還原本質(zhì),思維遷移

明確力與磁通量變化的關系后,引導學生思考,為什么磁通量變化會產(chǎn)生力呢? 通過實驗演示,將線圈安放在小車上,磁鐵插入、拔出觀察“來拒去留”的現(xiàn)象,然后將線圈換成磁鐵安放在小車上,分別用同名磁極和異名磁極靠近小車上的磁鐵,也觀察到了排斥和吸引(如圖9、10)。引導學生思考,并得出磁通量變化產(chǎn)生了感應電流、感應電流的磁場和原磁場發(fā)生了“來拒去留”的作用。

圖9 線圈安放在小車上

圖10 磁鐵安放在小車上

【設計思路】類比物理現(xiàn)象間的相似性,通過聯(lián)想,觸類旁通,從而獲得創(chuàng)造性的啟發(fā)或靈感,是一種有效的思維方法。學生在探究出“來拒去留”的規(guī)律后,無法進一步發(fā)現(xiàn)感應磁場的存在,此時需要合理搭建“腳手架”,通過類比推理,向?qū)W生揭示出科學探究過程,通過其他物理現(xiàn)象獲得靈感,從而培養(yǎng)解釋新的物理現(xiàn)象的能力,通過循序漸進、合乎邏輯的思維過程提高學生認知能力。

環(huán)節(jié)七:調(diào)整思路,發(fā)現(xiàn)規(guī)律

引導學生借助“感應電流的磁場這一中間量”,討論其與磁通量變化的關系。學生在記錄磁鐵和線圈作用力的基礎上,畫出線圈中感應電流產(chǎn)生的磁場方向,并討論感應電流磁場和磁通量變化的關系,最終得出“增反減同”的結(jié)論(如表4)。

表4 線圈受力與磁通量變化探究結(jié)果

【設計思路】在中學物理教學中,模型思維是科學思維的一種重要類型,模型建構(gòu)是將抽象的物理關系進行直觀的表述,從而發(fā)現(xiàn)其中隱藏的物理規(guī)律,是一種重要的思維建構(gòu)方式。通過畫出原磁場和感應磁場方向進行模型建構(gòu),實現(xiàn)思維可視化,使學生發(fā)現(xiàn)磁通量變化及感應磁場滿足“增反減同”的規(guī)律。

環(huán)節(jié)八:規(guī)律總結(jié),提煉方法

引導學生進行思路梳理,磁通量變化產(chǎn)生感應電流,感應電流產(chǎn)生感應磁場,感應磁場的方向又始終阻礙磁通量的變化(得出楞次定律),因此可通過磁通量變化得出感應磁場的方向,再通過右手螺旋定則得出感應電流的方向。根據(jù)這一規(guī)律,讓學生應用楞次定律判斷鋁環(huán)中磁通量變化過程中感應電流的方向,解釋電磁炮發(fā)射的原因,并總結(jié)判斷方法(如圖11)。

圖11 感應電流方向關系圖

【設計思路】“物理觀念”是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華;是從物理學視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎。通過實驗探究,學生對現(xiàn)象進行討論分析得出結(jié)論后,教師需要進一步引導學生總結(jié)最普遍的規(guī)律,對物理過程進行分析、歸納,解釋物理現(xiàn)象,建立思維網(wǎng)絡,形成物理觀念。

環(huán)節(jié)九:拓展延伸,總結(jié)歸納

將銅柱和磁鐵分別從兩個銅管中由靜止釋放,觀察到磁鐵下落緩慢,引導學生從做功和能量轉(zhuǎn)化的角度進行思考,明確楞次定律是能量守恒的必然結(jié)果,最后從磁鐵受到阻礙依然會下落的現(xiàn)象,理解“阻礙”不是“阻止”(如圖12)。

圖12 磁鐵通過一小段銅管過程的受力分析

【設計思路】“科學態(tài)度和責任”是指學生在認識科學本質(zhì)的基礎上,逐漸形成的探索自然的內(nèi)在驅(qū)動力,以及通過探究過程養(yǎng)成的嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態(tài)度。通過對磁鐵下落過程的分析,使得學生進一步理解楞次定律的本質(zhì)。

四、結(jié)語

物理學家勞厄曾道:教育給予人們最寶貴的財富無非是當一切學過的知識都遺忘后所剩下的東西,而“剩下的東西”就是研究和解決問題的思維方法。物理教學不是讓學生記住知識、學會做題、成為考試能手,而是幫助學生建立物理思維,培養(yǎng)科學探究能力,最終實現(xiàn)自我的人生價值。

如圖所示,光滑水平地面上放置著質(zhì)量為mA＝2kg的長木板A和質(zhì)量為mC＝2kg的滑塊C,長木板的左端放有質(zhì)量為mB＝1kg的滑塊B(可看成質(zhì)點)。現(xiàn)給A、B組成的整體施加水平向右的瞬時沖量I＝15N·s,此后A、B以相同速度向右運動,經(jīng)過一段時間后A與C發(fā)生碰撞(時間極短)。再經(jīng)過一段時間后A、B再次以相同速度向右運動,且此后A、C之間的距離保持不變,已知A、B間的動摩擦因數(shù)為μ＝0.2,重力加速度為g＝10m/s2,求:

(1)獲得沖量后瞬間A、B的速度;

(2)A、C碰撞時損失的機械能;

(3)要保證滑塊B不脫離長木板A,長木板A的長度至少為多長。