郭燕平 賴起邦

(廈門集美中學(xué) 福建 廈門 361000)(廈門市云頂學(xué)校 福建 廈門 361000)

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)逐漸形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，物理學(xué)科的核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)方面[1].本文認(rèn)為物理觀念是科學(xué)思維的產(chǎn)物，同時(shí)為科學(xué)思維服務(wù).在科學(xué)探究過程中，形成物理觀念，培養(yǎng)科學(xué)思維，但科學(xué)探究的能力本質(zhì)上是思維的能力加上實(shí)踐的能力.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任要素滲透在核心素養(yǎng)培養(yǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，而且是指導(dǎo)和約束各個(gè)環(huán)節(jié)的邊界.所以，就前三個(gè)要素而言，科學(xué)思維能力的培養(yǎng)是核心任務(wù).

核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是一個(gè)漫長的過程，學(xué)生物理核心素養(yǎng)是在每一節(jié)物理課的潛移默化中得到提高，因此教師應(yīng)當(dāng)清楚每一節(jié)課的培養(yǎng)目標(biāo).誠然，教師力圖在每一節(jié)課中都做到4個(gè)要素的滲透教育，但不同類型的課程，側(cè)重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)有所不同.

“示波器原理”這一課內(nèi)容，屬于“帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)”的知識(shí)應(yīng)用課，而且屬于提高創(chuàng)新的內(nèi)容.一般的帶電粒子偏轉(zhuǎn)問題，只在二維平面發(fā)生，而示波器中的帶電粒子，其偏轉(zhuǎn)發(fā)生于三維空間.加上周期性問題，示波器原理涉及的內(nèi)容屬于四維時(shí)空問題，難度很大.許多一線教師遇到本課，要么直接將其處理為二維電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)習(xí)題課，要么一兩句話帶過本課內(nèi)容，這樣的處理方式使學(xué)生對(duì)示波器原理一知半解，更不用說能從中得到素養(yǎng)的培養(yǎng)，造成了教學(xué)資源的浪費(fèi).本文認(rèn)為，“示波器原理”這一課存在著巨大的科學(xué)思維培養(yǎng)資源，教師如果深入挖掘，學(xué)生必然受益良多.

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，主要包括提出問題、建立模型、推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等4個(gè)要素[2].本文以“示波器原理”一課為例，談一談物理課堂上學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng).

1 提出問題 激發(fā)思維興趣

設(shè)置適當(dāng)?shù)膯栴}情景，引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的思維興趣，是思維培養(yǎng)課的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[3].一個(gè)好的問題能夠激發(fā)起學(xué)生探索的興趣，則課堂效果將大大提升.

在“示波器原理”這一課中，教師先讓學(xué)生畫出干電池兩端電壓隨時(shí)間變化的圖像，再讓學(xué)生畫出家用電源插座的電壓隨時(shí)間變化的圖像.第一個(gè)問題學(xué)生很容易解決，但第二個(gè)問題學(xué)生遇到了困難.至此教師展示示波器，并利用示波器顯示干電池的U-t圖像和家用電壓的U-t圖像.

鑒于示波器展示出來的功能，學(xué)生對(duì)示波器產(chǎn)生了濃厚的興趣.

2 明確知識(shí) 奠定思維基礎(chǔ)

知識(shí)要素作為物理觀念的一個(gè)組成部分，是思維運(yùn)行不可或缺的媒介.所謂巧婦難為無米之炊，脫離了知識(shí)這個(gè)載體，思維也就寸步難行.

課堂上，教師組織學(xué)生閱讀課本，了解示波器結(jié)構(gòu)，明確電子槍、偏轉(zhuǎn)電極、熒光屏等器件的構(gòu)造、位置和作用，為接下來的思維活動(dòng)做好準(zhǔn)備.

3 化繁為簡 培養(yǎng)建模能力

模型構(gòu)建是科學(xué)思維的要素之一.中學(xué)物理模型一般可分3類：物質(zhì)模型、狀態(tài)模型、過程模型.抽象化與理想化是構(gòu)建模型的重要方法.

如在本課中，教師首先引導(dǎo)學(xué)生對(duì)示波器部件進(jìn)行抽象化處理，篩選出對(duì)分析問題有用的部件，并進(jìn)行理想化處理，如忽略部件本身的尺寸、粒子體積、重力及邊緣效應(yīng)等因素，最終建立起學(xué)生熟悉的帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)模型,如圖1所示.

圖1 帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)模型

在模型構(gòu)建完畢之后，設(shè)定具體的參數(shù)，學(xué)生自行推導(dǎo)出電子打在熒光屏上的偏移量(即電子與熒光屏中點(diǎn)O的距離)為

(1)

這既是對(duì)已學(xué)知識(shí)的鞏固，也是為后續(xù)突破難點(diǎn)問題做充分的準(zhǔn)備.

4 過程探究 培養(yǎng)綜合思維

大腦思維的工作過程，一般由表及里、由淺入深，問題解決的過程是一個(gè)推理、論證、質(zhì)疑不斷循環(huán)的思維過程.教師在課堂上應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生的思維方向，留給學(xué)生充分的時(shí)間去推理論證，并創(chuàng)設(shè)民主的氛圍鼓勵(lì)學(xué)生質(zhì)疑.

為此,教師設(shè)置一系列的子問題推動(dòng)學(xué)生的思維往前發(fā)展[3].

問題1：由式(1)可知，偏移量y與偏轉(zhuǎn)電壓Uy成正比.如果僅在y方向加如圖2(a)所示偏轉(zhuǎn)電壓，熒光屏上的偏移量隨時(shí)間如何變化？熒光屏上將看到什么？

結(jié)合學(xué)生回答呈現(xiàn)圖2(b)，并當(dāng)堂操作示波器，驗(yàn)證學(xué)生的推理結(jié)果，得到圖2(c)，之后推出第二個(gè)問題.

圖2 問題1圖

問題2：如果僅在y方向加圖3(a)所示偏轉(zhuǎn)電壓，熒光屏上的偏移量隨時(shí)間如何變化？熒光屏上將看到什么？

圖3 問題2圖

學(xué)生畫出偏移量隨時(shí)間變化圖像如圖3(b)所示，會(huì)認(rèn)為熒光屏上將看到一個(gè)亮斑從原點(diǎn)開始沿豎直方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng).

學(xué)生回答之后，再次驗(yàn)證學(xué)生的回答，結(jié)果示波器上顯示的并不是一個(gè)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)，而是一條豎線.由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果與答案不同，此時(shí)要注意學(xué)生質(zhì)疑情緒的釋放.最終明確熒光屏上看到的圖像是不同電子先后打在上面由于視覺暫留形成的.為驗(yàn)證這個(gè)答案，可調(diào)節(jié)電壓變化的頻率，則可以看到一個(gè)光點(diǎn)在做變速移動(dòng).

問題3：同理僅在x方向加如圖4(a)所示偏轉(zhuǎn)電壓，熒光屏上的偏移量隨時(shí)間如何變化？熒光屏上將看到什么現(xiàn)象？

在前面問題的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以畫出偏移量隨時(shí)間的變化圖像如圖4(b)所示，經(jīng)驗(yàn)證，熒光屏上確實(shí)顯示一條水平亮線.

圖4 問題3圖

問題4：通過前面的分析，我們發(fā)現(xiàn)不管偏轉(zhuǎn)電壓隨時(shí)間如何變化，示波器顯示的圖像都與電壓隨時(shí)間變化的圖像不一樣，如何讓示波器顯示電壓隨時(shí)間變化的圖像呢？

這個(gè)問題是本節(jié)課的一大難點(diǎn)，教師通過借鑒“思維可視化”方法[4]，利用板畫結(jié)合理論推導(dǎo)以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩種手段加以突破.板書內(nèi)容如圖5所示.

圖5 板書內(nèi)容

理論推導(dǎo)過程：由式(1)可知，y與Uy成正比，所以Uy-t圖像與y-t圖像變化規(guī)律一致，如圖5(a)、(b)所示.但熒光屏上看到的圖像[圖5(c)]其實(shí)是y-x圖像，只要y-x圖像[圖5(e)]與y-t圖像[圖5(b)]變化規(guī)律一致，則Uy-t圖像[圖5(a)]就與y-x圖像[圖5(e)]變化規(guī)律一致，熒光屏上看到的圖像將反映待研究信號(hào)Uy隨時(shí)間變化的規(guī)律.

問題5：y-x圖像什么情況下與y-t圖像變化規(guī)律一致？為此x方向應(yīng)加怎樣的偏轉(zhuǎn)電壓？

在前面分析的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以推理得出：當(dāng)x與t成正比[圖5(d)]時(shí)，光點(diǎn)沿x方向做勻速移動(dòng).圖5(e)將與圖5(b)一樣，由式(1)可知，x與Ux也成正比，所以x方向只要施加如圖5(c)的電壓，示波器就可以顯示電壓隨時(shí)間變化的圖像.

問題6：如果施加這樣的電壓，實(shí)際上可行嗎？

學(xué)生論證后得出圖6(a)所示電壓，即掃描電壓.教師再結(jié)合圖6(b)的偏轉(zhuǎn)電壓信號(hào)，經(jīng)示波器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了圖6(c)的圖像.問題4的難點(diǎn)被突破了.

圖6 問題6圖

5 質(zhì)疑論證 培養(yǎng)質(zhì)疑意識(shí)

從提出問題到解決問題，質(zhì)疑論證充斥科學(xué)思維的每一個(gè)環(huán)節(jié).教學(xué)的效果是看學(xué)生懂了多少，而不是教師教了多少.課堂上生成的質(zhì)疑是良好的資源，教師在把控教學(xué)進(jìn)程的前提下，一定要充分利用學(xué)生的質(zhì)疑來達(dá)到教學(xué)目標(biāo).這既可以活躍學(xué)生的思維，也能夠有效提升教學(xué)效果.

在本節(jié)課中，各個(gè)環(huán)節(jié)都存在著質(zhì)疑的身影，如電子重力的影響為什么可以忽略？示波器顯示的電壓圖像為什么是一條豎線？變化的電壓對(duì)粒子的偏轉(zhuǎn)到底有什么影響？有些問題甚至至關(guān)重要，如“帶電粒子在時(shí)刻變化的偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中是否依然做類平拋運(yùn)動(dòng)”？如果不做類平拋運(yùn)動(dòng)，則前文的很多工作都失去了意義.

教師面對(duì)課堂質(zhì)疑，首先要肯定學(xué)生的質(zhì)疑精神，然后要確實(shí)有效地解決疑問.如通過計(jì)算帶電粒子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中的時(shí)間與電壓變化周期相比，來說明電壓變化可忽略.

6 探究想象 培養(yǎng)抽象思維

從形象思維到抽象思維，想象力起到了重要的作用，高中物理的很多情境和模型肉眼都不可見，這時(shí)候想象力的重要性就凸顯出來.

本節(jié)課的一大難點(diǎn)是明確掃描電壓與偏轉(zhuǎn)電壓的周期關(guān)系.教師可以讓學(xué)生在腦海中搭建一個(gè)三維模型，想象著電子在偏轉(zhuǎn)電壓和掃描電壓共同作用下的軌跡，并布置學(xué)生思考幾種周期關(guān)系下的圖形，最后利用示波器加以驗(yàn)證.

想象，既是一種思考的方法，也是培養(yǎng)學(xué)生思維能力的重要手段.

7 思維復(fù)盤 內(nèi)化思維素養(yǎng)

核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是一個(gè)漫長的過程，也可以說是一項(xiàng)工程.學(xué)生當(dāng)下掌握的，往往偏向于結(jié)論性的知識(shí)，真正要內(nèi)化為自己的素養(yǎng)，需要不斷地在教學(xué)過程中進(jìn)行滲透活動(dòng).教師可以讓學(xué)生回顧一節(jié)課的整個(gè)流程，以此體會(huì)思維是如何展開工作并解決問題的.如本節(jié)課中，從現(xiàn)象出發(fā)，歷經(jīng)了解、建模、推理、質(zhì)疑、論證、想象等過程，最終深刻理解了示波器的成像原理.

8 結(jié)束語

物理核心素養(yǎng)的提升是一個(gè)長效過程，需要教師有正確的理念去指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐.教師不僅需要制定基于核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，還需要有效地達(dá)成目標(biāo)，從而使學(xué)生逐步形成適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展的必備品格和關(guān)鍵能力.教師若能了解學(xué)生已有儲(chǔ)備，明確學(xué)生最近發(fā)展區(qū)，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，確定在提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)中教師的地位、作用，充分發(fā)揮學(xué)生主體性，必將有利于物理核心素養(yǎng)的有效提升.