科學思維導向下高中物理創新實驗教學設計

賴毅標 張寧 高永偉

摘? ?要：培養科學思維是高中物理教學中的重難點。文章以高中物理“安培分子電流假說”為例，分析如何通過思維階梯、多樣化實驗探究的設計，充分發揮實驗在物理教學中的作用，促進學生科學思維的提高，培養物理學科核心素養。

關鍵詞：科學思維；實驗探究；分子電流

教育部出臺的《普通高中物理課程標準（2017年版2020修訂版）》將以往的三維目標提升為了物理觀念、科學探究、科學思維、科學態度與責任。其中，科學思維是學生認識客觀事物與內化過程中的核心要素，包括模型構建、科學推理、科學論證、質疑創新等。從當前實證研究來看，科學思維的培養仍較為困難，特別是模型構建方面。根據國內外相關教育研究表明，從小學到大學各個年級的學生在理解微觀粒子（particulate nature of matter， 簡稱 PNM）時都有一定的困難[ 1 ]。抽象、復雜的概念與模型使學生很容易對PNM產生自發或由教學引發的相異構想[ 2 ]。Stoddart等人研究發現，三分之一的學生沒有微觀視角，而其余學生有對PNM的部分認識和相異構想，這些相異構想并不僅僅存在于學習初期，甚至到大學還會存在。其次，由于生活經驗的影響以及微觀物質的不可見性，一旦形成相異構想便難以糾正。“宏觀通用”是相異構想中最普遍的思維，即當物質發生物理或化學變化時，其微觀粒子也會隨之變化。冰融化的時候，冰分子也融化；鐵被磁化的時候，鐵分子也被磁化。學生在理解和解釋宏觀現象時，傾向于對物質的感性認知嘗試進行分析。即使學生掌握了氣壓與擴散現象的本質是分子運動，再回顧原先學習“安培分子電流假說”時，仍會感到難以理解。

1? “安培分子電流假說”內容在高中的地位

“安培分子電流假說”是人教版《高中物理（選修3-1）》中第三章“磁場”第三節內容，其所在小節主要講述幾種常見的磁場、安培分子電流假說。但由于高中普遍存在的“以高考為導向，以知識為中心”的教學觀念，教師僅講述“安培分子電流假說”結論，忽視與其它概念和規律的內在聯系，導致了“見森林不見樹”的學習狀況。“安培分子電流假說”是銜接電與磁的重要一環，能夠圓滿地解釋各種磁現象，從而揭示磁現象的電本質[ 3 ]。其內容為：一切構成物質的原子、分子等微粒內部都存在一種環形的電流，即分子電流，使每個微粒都可以看作是擁有兩個磁極的小磁體。鐵磁性物質在未被磁化前，其內部的各分子電流的取向是凌亂無序，它們磁場相互抵消，使得物質不帶有磁性。但在外部因素的影響下，如強磁場，物質內部各分子電流取向變得整齊有序，使原本無磁性或者導電能力差的物體變為磁鐵或者導體，這便是物質磁性的基本來源[ 4 ]。

2? “安培分子電流假說”內容在科學素養教育方面的價值

應用微觀知識解釋宏觀概念是培養學生科學思維的有效途徑[ 5 ]。首先，重視對理想模型的構建與應用，通過實物或虛擬模型探究微觀粒子特性。其次，注重科學推理過程，科學推理指的是通過已有的知識推導出新結論的思維方式。中學物理課上常用方式是歸納推理和演繹推理。這節課內容是促進學生運用以上兩種方法理解科學本質的典型范例。如對地磁現象、磁化與消磁、電磁鐵等，已學習的電磁感應現象與電流的磁效應都只能解釋其中部分內容，而安培分子電流假說卻能對現象進行預測與解釋。

“安培分子電流假說”這一模塊，不僅解釋了電與磁之間的內在聯系，還揭示了微觀與宏觀世界的統一性。這與“課標”對本章的要求不期而同：進一步培養學生關于電磁場的物理觀念，利用物質性與能量性質解釋電磁現象，能從實驗歸納和理論演繹等不同方法來研究物理問題。同時也契合物理課程的價值，滿足學生探索自然、理解自然的興趣與熱情，有助于學生形成科學世界觀和科學價值觀。

3? 對于“安培分子電流假說”的教學分析

3.1? 基于科學思維的教學目標分析（表1）

模型建構的過程離不開科學推理， 科學推理是科學論證的必要條件[ 7 ]，科學論證是培養質疑創新的重要載體。

3.2? 學生分析

學生在“安培分子電流假說”前，已系統性地學習了電磁感應現象與電流的磁效應，對磁體、磁場與磁現象等知識有著濃厚的學習興趣。渴望探尋了解電與磁之間內在聯系，但高中教材中電學與磁學位于兩個不同的章節，并且缺少實驗揭示其微觀本質與聯系，因而學生難以理解磁現象的電本質，使得這一部分內容容易與后續學習的洛倫茲力微觀概念相混淆。其次，部分學生通過科幻電影與科普視頻等途徑了解電與磁相關知識，但都不系統或不科學，且極其容易引起學生形成相異構想。因此，在教學過程中應用實驗探究，設計合理教學邏輯，幫助學生初步形成完整知識結構就顯得更加重要。

3.3? 基于培養學生科學思維的教學內容分析

該節內容是在磁感應現象與電流的磁效應的基礎上，從微觀角度探究磁體磁性的起源與電流磁場之間聯系。并簡要介紹了通電螺線管與條形磁鐵磁場的相似性，分子電流與其取向規律。教材僅用概括性的話語講解上述“普及性”內容，未聯系已學概念與規律，這不僅未能說明磁現象的電本質，而且影響了后續對洛倫茲力與安培力的理解，導致教材內容的銜接出現割裂感。因此，在教學中需重視幫助學生形成高中物理知識體系的整體認識，從而培養完整的物理觀念和科學思維。

4? “安培分子電流假說”教學設計流程

本節課是磁場專題中的最后一節課，是聯系電與磁的重要一環。其核心知識為了解常見磁鐵所引發的磁場（條形磁鐵、馬蹄形磁鐵、通電螺線管等），探究分子電流模型與其取向規律的影響，理解磁現象的電本質，以下針對教學設計進行簡要闡述。

4.1? 創設問題情境，激發學生興趣

觀察不同磁鐵產生的磁場形狀，對比分析通電螺線管與條形磁鐵所引發的磁場形狀，如圖1所示。并思考能否將通電導體看作為一個磁鐵，再小的磁體是否也擁有兩級。

設計意圖：引導學生思考電與磁之間的聯系與區別，從而發現在已學習磁感應現象與電流的磁效應之間，存在某種無法用已有知識解釋的內在聯系。

4.2? 演示趣味實驗，引導模型構建

運用希沃白板等多媒體投影設備演示小鐵棒和小鋼珠的磁化現象。先將小鐵棒靠近細小的訂書釘，小鐵棒不能吸引訂書釘。將小鐵棒與條形磁鐵一段相互連接，再次靠近訂書釘，部分訂書釘被吸起，此時，緩緩撤去條形磁鐵，觀察到仍有少部分訂書釘被吸引。在隨后猛烈撞擊小鐵棒后，靠近訂書釘，小鐵棒帶有的磁性又“消失”了。觀察不帶電的小鋼珠在通電螺線管中從雜亂無章到有序排列的狀態，如圖2所示。思考問題鏈：發現了什么物理現象？小鐵棒怎樣獲得磁性？小鋼珠為什么變“聽話”了？

設計意圖：通過生活中常見的小物件所組成的趣味實驗引入新課，進行基于現實生活的真實探究，激發學生對物理知識在生活中應用的探究興趣，使學生更好地參與問題的思考與討論。并建立安培分子電流模型，從微觀角度對電磁現象進行解釋。

4.3? 依據事實現象，驗證假說內容

引導學生閱讀人教版《高中物理（選修3-1）》第87頁的圖3.3-6，組織小組討論問題鏈：物質外顯磁性與其分子取向之間的聯系？鐵質物質是在什么條件下被磁化的？又是在什么條件下被消磁的呢？電與磁所產生的磁場究竟有什么聯系？分析與討論上述問題，并設計制作“條形磁鐵”如圖3所示。在探究過程中驗證安培分子電流假說，總結出磁鐵的磁場和電流的磁場本質是相同的，即都是由電荷的運動產生。

（1）將鐵粉放入玻璃試管內，用海綿堵住試管口并盡量夯實鐵粉。

（2）用強磁鐵緊貼試管側邊，將強磁鐵從試管口到試管底部反復移動，如圖4所示。

（3）將試管底部緩緩靠近訂書釘，吸起少許枚訂書釘，成功制作“條形磁鐵”。

（4）用力晃動裝滿鐵粉的試管，再次靠近訂書釘，無法吸起，完成對鐵粉的消磁。

實驗注意事項：放入玻璃試管中的鐵粉必須夯實，不宜太多，不能存有較大空隙。其次，磁化后的鐵粉需要緩慢移動，避免在管內發生碰撞。

設計意圖：用鐵粉模擬物體內部的分子電流，依據取向規律，決定物體是否外顯磁性。打破傳統教學中用思想實驗論述假說的方式，采用磁化鐵粉模擬分子電流驗證假說進行模型實驗。通過該環節的教學設計，不僅驗證安培分子電流假說，深化磁現象的電本質，而且培養學生科學論證能力。在實驗探究中思維得到發展，核心素養得到提高。

4.4? 探究課外實驗，培養創新思維

數字化信息系統實驗（Digital Information System，簡稱DIS），由采集器、傳感器、計算機構成，是一種便捷的實驗工具。學生通過分組合作、收集資料，根據已有DIS實驗器材（探針式溫度傳感器、磁感應強度傳感器、電磁鐵、學生電源、導線若干等）自行設計探究實驗，完成實驗內容，如圖5所示。

（1）觀察電磁鐵結構與思考其原理。

（2）設計與組裝探究實驗：在恒定電流的條件下物體磁性與溫度的關系。

（3）依據采集器收集數據資料，繪制B-T圖像，分析圖像的含義。

（4）小組討論并分享實驗成果，得出實驗規律：物體的磁性會隨溫度升高而消退。

（5）思考問題鏈：用什么方法判斷電磁鐵的兩級？除磁鐵外，是否還有磁化物體的方式？是否還有其他方式能夠使物體退磁？

在了解學生的獨特見解、創新思維后歸納總結：當物體受到磁場的作用時，內部分子電流取向變得有序，外顯磁性。當磁體受到高溫或者猛烈撞擊時，內部分子電流取向變得雜亂，磁體磁性減弱或失去磁性。通過上述實驗與理論分析，得出任何物質都可以被磁化或消磁，只是磁化程度不同。依據這物質的特性，可將物質粗略地分為：順磁性、抗磁性和鐵磁性物質。

設計意圖：通過DIS實驗探究高溫與磁性探究實驗，有利于學生知識的建構，有效地鞏固和利用所學的物理知識[ 7 ]。學生通過“提出問題、設計實驗、驗證實驗、歸納總結”的科學探究過程，初步掌握科學研究的方法，拓展學生的思維能力。應用本節內容從微觀角度去解釋以往的宏觀現象，再次證實安培分子電流假說的正確性，突破“三重壁壘”，架設連接微觀與宏觀、電學與磁學、物理與生活的橋梁。

5? 結語

本文基于對科學思維的分析，設計了創新實驗和思維階梯，通過觀察磁鐵與通電導體的磁場形狀，引導學生發現電與磁的內在聯系。在磁化與消磁實驗中，應用實物模型代替理想模型，驗證了安培分子電流假說的正確性，轉變了“宏觀通用”的相異構想。在思考、討論、表達中培養學生的模型構建和科學推理能力，逐步引導學生形成完整的知識體系。其次，通過創設富有挑戰性和趣味性的問題情境，轉變了“以高考為導向，以知識為核心”的教學觀念。在實驗探究過程中提高學生科學論證和質疑創新能力，從而達到培養學生核心素養的目的。

參考文獻

［1］ 遲岑迪，畢華林.國際科學教育中學生物質微粒性認識的研究進展[J].化學教育（中英文），2021，42（9）： 82-87.

［2］ AYAS A， ZMEN H， ALIK M .Studens conceptions of the particulate nature of matter at secondary and tertiary level [J]. International Journal of Science and Mathematics Education， 2010， 8（1）： 165-184.

［3］ 臧富華，趙曉蕊，邢紅軍.構建邏輯主線 彰顯概念本質——高中物理磁場的高端備課[J].中學物理，2019，37（23）： 9-11.

［4］ 梁燦彬，秦光戎，梁竹鍵.電磁學[M].北京： 高等教育出版社， 2012： 55-56.

［5］ 熱孜宛古麗·托合提，汪志剛，路俊哲.初中物理教材“分子動理論”的比較與思考[J].物理教學，2021，43（10）： 50-54.

［6］ 馬亞鵬.科學論證在我國課程政策中的歷史演進——以高中物理課程標準（教學大綱）為例[J].物理教師，2019，40（3）： 7-10.

［7］ 許瓊.“驗證機械能守恒定律實驗”——從傳統到DIS的變革[J].物理教學，2020，42（10）：34-36.