基于科學思維能力培養的物理情境創設

唐麗君

摘? ?要：科學思維作為物理核心素養的重要構成要素，是人們正確認識事物和改造事物的重要能力體現。情境創設是新課改下倡導的一種教學模式，能有效激發學生學習物理的興趣，引導學生積極參與思考和探究。文章以“變壓器”教學為例，通過創設遷移情境、實物情境、實驗情境、問題情境等方式，在探究物理現象和規律、形成核心概念的過程中培養學生的科學思維能力，希望能起到一定的借鑒作用。

關鍵詞：科學思維；能力；情境創設

20世紀90年代以來，我國一直致力于探索基礎教育課程改革的有效途徑。隨著信息經濟和創新經濟時代的到來，社會對公民的素養提出了新的要求。建立促進學生發展的核心素養體系，成為全面提升教育質量的迫切需要。科學思維是物理學科核心素養之一，課堂教學是培養科學思維的主要陣地，教師可以有目的地創設必要的教學情境，引導學生質疑生問、探索規律、掌握知識[ 1 ]。在課堂教學中創設情境能夠充分體現學生的主體作用，讓學生的科學思維能力在觀察、參與、思考、感悟中得以形成和發展。

1? 創設遷移情境，培養質疑創新的思維能力

隨著時代的發展，社會對人才的培養提出了更高的要求，創新型人才的培養成為教育的一個重要方向，而學生質疑的能力則是創新意識和能力的基礎。質疑創新能力的培養不是一蹴而就的，對于中學階段的絕大多數學生來說，提出創造性的觀點、創造出新生事物是很難做到的。中學階段質疑創新能力的培養更多體現在日常教學中，在原有的知識儲備基礎上創設知識遷移情境，引導學生發現問題、提出問題甚至提出批判性的見解，并由此引導學生進行進一步的學習與探究。

教學片段：“變壓器”的教學引入

教師通過圖片展示市電電壓220 V，手機電池充電電壓5.0 V。

師：我們常用的市電電壓220 V，手機電池充電電壓5.0 V。生活中我們用充電器對手機進行充電，充電器起到了一個什么作用呢？

生1：降低電壓。

師：我們可以把它稱為變壓器。

教師在黑板上畫出電源與用電器，同時提出問題：現有220 V的交流電源，如何讓電壓降為5.0 V的用電器正常工作？大家能不能用所學的物理知識解決這個問題？

生2：在電路中串聯一個電阻。

師：不錯，同學們對學過的知識掌握不錯。那么，串聯的電阻兩端的電壓是多少？

生3：該電阻兩端的電壓為215 V。

師：用電器的功率占電路總功率的百分比是多少？

師：如果你是充電器制造商，你覺得這樣的設計是否合理呢？

生5：這種設計電能的利用率太低，從電能的有效利用上看是不合理的。

師：那么充電器里是什么元件起到了降低電壓的作用呢？帶著這個問題我們開始今天的學習。

質疑和創新并不是毫無根據的否定和嘗試，它是在一定事實依據的基礎上提出的獨到見解。在以上片段教學中教師借助生活中常用的手機充電器，引導學生利用已學知識解決如何用220 V電源讓額定電壓為5 V的用電器正常工作。學生根據原有的知識儲備提出用“串聯分壓”的方法解決問題后，在肯定學生的方法的同時進一步引導學生計算用電器功率占電路總功率的百分比。這一過程給學生提供了充分的知識積淀和質疑的條件。在教學中發現具有一定質疑精神的學生立即就會對這一解決方案提出反對的意見。若學生沒有發現疑點，教師的一句“這樣的設計是否合理”也能夠信手拈來地激發學生的質疑意識。經歷這一過程，其實是在潛移默化中告訴學生，生活中看似可以用簡單的物理知識解決的問題，往往還要考慮諸多因素的干擾。在今后解決問題的過程中要學會多元思考，要有質疑的意識和精神，科技發展過程中的任何一次技術改進甚至發明創造都是由此開啟的。

2? 創設實物情境，培養科學推理的思維能力

科學推理能力是科學思維發展到一定程度之后的重要體現，它是學生解決問題的必備能力，是科學研究中的一個重要思維品質。高中階段的學生在演繹推理上還缺乏依靠證據進行邏輯推理的意識和策略，在一些抽象的概念和規律學習中表現得尤為明顯。演繹推理實質上就是知識在新情境中的重構，引導學生跨越從舊到新的過程則是推理能力形成與發展的過程。變壓器的原理——電磁感應現象是一個比較抽象的概念，創設實物情境能夠幫助學生在感性認識的基礎上深入進行推理分析。

教學片段：變壓器的結構和原理

師：把手機充電器打開，如圖1中框選部分就是我們熟悉的變壓器。它內部結構是什么樣的呢？同學們桌面上都有一個可拆式變壓器。

鼓勵學生動手拆開變壓器研究，并反饋研究發現，如圖2。

生1：變壓器內部有很多金屬片疊在一起。

師：這些金屬片是涂有絕緣漆的硅鋼片，疊在一起構成閉合的鐵芯。

生2：還有兩個導線繞制成的螺線管。

師：我們把它稱為線圈，是由高強度的漆包銅線繞制而成的。同學們桌面上還有一個更大的可拆式變壓器，也是有閉合的鐵芯和兩個線圈構成，如圖3。

教師演示：事先設定好原副線圈的匝數并連接好電路，向學生展示交流電源電壓為16 V、小燈泡額定電壓為3.8 V，接通電源，請同學們觀察小燈泡亮了嗎，會不會被燒壞？

生3：小燈泡能發光而且沒有被燒壞。

師：電源是通過什么方式給小燈泡供電的？

生4：兩個線圈通過閉合的鐵芯構成閉合回路。

生5：不對，漆包線外層有絕緣體，鐵芯外層也涂有絕緣材料，它們之間不會相互導電。

師：那么兩個線圈的作用是什么？如果將電源換成同樣電壓值的直流電源，小燈泡能否發光呢？

學生有不同的猜想。教師演示對比實驗，學生觀察并討論。經過討論后不少學生都能用電磁感應現象來解釋變壓器的工作原理。

在“變壓器”的教學中，從電磁感應到變壓器的工作原理對于學生來說思維跨度還是很大的。以上片段教學中，教師從“充電器”到“可拆式變壓器”再到“演示可拆變壓器”，這一個個實物情境就是一個個演繹推理的依據，引導著學生根據實物進行猜想、分析、推理。教師的每一個問題，學生的每一次討論都是一個分析推理的過程，都是一個思維碰撞的過程。正是這些實物和討論讓學生一步步地逼近真相，最終在獲得知識的同時也提升了學生的科學推理的思維能力。這是教師直截了當地提出“同學們能不能用自己學習的知識分析一下變壓器的工作原理”所無法比擬的。

3? 創設實驗情境，培養科學論證的思維能力

科學論證主要包括提出觀點、尋找依據、邏輯推理、支持和合理反駁等過程。在課堂教學中，可以通過創設情境引導學生針對問題提出自己的觀點，并利用所學知識尋找理論和事實的依據，論證自己的觀點，培養學生的科學論證能力[ 2 ]。

教學片段：變壓器閉合鐵芯的作用

師：變壓器兩個線圈中為什么要插入鐵芯？

生1：在保證電源和線圈匝數不變的情況下，插入鐵芯能增大磁場。

師：鐵芯為什么要設置成閉合的形狀？

生2：能讓副線圈獲得更強的磁場。

師：同學們的想法是否正確呢？能不能設計一個實驗驗證自己的觀點？

生3：如果閉合鐵芯后副線圈獲得磁場變強，根據電磁感應原理副線圈將獲得更大的電動勢，小燈泡亮度應該比鐵芯閉合前更亮，可以通過鐵芯閉合前后小燈泡的亮度對比驗證我們的觀點。

學生上臺演示實驗驗證。

師：同學們通過實驗驗證了自己的觀點，閉合鐵芯的作用就是導磁，在增強原線圈磁場的同時，把磁感線盡可能地束縛在鐵芯中，讓副線圈獲得更大的磁場。

教學過程中學生針對兩個問題“鐵芯的作用是什么？”“鐵芯為什么要制作成閉合的形狀？”提出了自己的觀點，并找出了支撐該觀點的理論依據，進而通過理論分析和實驗探究論證自己的觀點。在實驗探究中學生經歷了產生疑問、根據理論依據設計實驗、實驗驗證、得出結論幾個環節，這就是一個論證的過程。在這一論證教學的過程中，學生主動參與到科學論證中，而教師只是適時引導，實現提升學生科學論證能力的同時，展現物理論證過程的魅力[ 3 ]。

4? 創設問題情境，培養模型構建的思維能力

模型構建是科學思維的基礎，它以自然界及社會生活、生產中客觀存在的物理情境為前提，通過觀察、分析、實驗等思維過程，對物理知識進行簡化，從而得出結構和規律的描述。自然界中的物理現象總是復雜多變的，任何一個物理問題都是多方因素影響下的綜合表現。為了探究這些物理現象背后的本質規律，常常需要抓住現象的關鍵因素通過假設等方法，建立理想化的物理模型。

教學片段：理想變壓器模型的建立

此部分教學中教師可以創設如下問題情境：

問題1：同學們已經通過實驗得到變壓器原、副線圈的電壓比近似等于匝數比，你能不能嘗試從理論上論證這一關系？

問題4：如果不計“銅損”和“鐵損”，你能否分析得到通過原、副線圈的電流與匝數的關系？

學生借助變壓器功率的規律推導電流的規律，并形成理想變壓器的概念。

教學過程中教師圍繞著變壓器的理想化條件，設置了一系列針對性強的問題情境，引導學生針對這些問題進行深入的思考，并嘗試運用課堂生成的知識去解決問題。在一個個問題情境的驅動下，學生經歷了分析、論證的過程，逐漸構建起了不計“漏磁”“銅損”“鐵損”等知識概念，理想變壓器模型的構建也就水到渠成。借助這些問題情境不僅深化了對知識的理解，建模的意識和能力也得到了提升。

在物理課堂教學中以“生活”為源泉，以“情境”為紐帶，以“啟發”為核心，創設遷移情境、實物情境、實驗情境、問題情境，讓學習者經歷積極的生活體驗、行為體驗、思維體驗，可以培養學生質疑創新、科學推理、科學論證、模型構建的思維能力，進一步激發學生科學探究的欲望，促進學生對知識體系理解，提升學生的物理學科素養。

參考文獻：

［1］ 趙永忠．基于實驗質疑 培養科學思維——以自行車尾燈角反射器工作特點研究為例[J]．物理教學，2021（10）：78-80．

［2］ 白楊，王藝朦，劉青華．論證式教學在物理課堂上的應用——以衛星變軌為例[J]．湖南中學物理，2022（2）：31-33，43．

［3］ 鄭穎，張軍朋，張玉發．高中生物理科學論證能力表現——基于Rasch模型的測試評價[J]．物理教師，2019（1）：2-6．