江 山

(吳江汾湖高級中學(xué)，江蘇 蘇州 215211)

關(guān)于物理學(xué)科能力，大致包括觀察能力、實驗?zāi)芰?、思維能力、分析和解決問題能力、創(chuàng)造性思維能力等.結(jié)合《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》對“物理學(xué)科核心素養(yǎng)”的要素及內(nèi)涵的闡釋，綜合相關(guān)學(xué)者的研究，筆者認(rèn)為，物理學(xué)科關(guān)鍵能力包括：物理概念理解與推理能力，綜合分析與物理模型建構(gòu)能力，物理觀察與實驗探究能力，同伴合作與物理創(chuàng)新能力.

啟發(fā)式教學(xué)主要以“以教促學(xué)”教學(xué)思想指導(dǎo)，更多強調(diào)教師的主導(dǎo)作用，側(cè)重啟發(fā)學(xué)生對知識本身的理解,在啟發(fā)學(xué)生學(xué)科思維、探究方法、數(shù)據(jù)分析、抽象概括等方面有所不足.探究式教學(xué)則側(cè)重于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)科學(xué)研究的過程和方法.隨著我國基礎(chǔ)教育改革的持續(xù)推進(jìn)，探究式教學(xué)在理論研究中越來越受到重視，但是在實踐應(yīng)用中卻進(jìn)展緩慢，存在著形式化、走過場的問題，也有以簡單的活動代替深入的探究.

基于此，筆者以建構(gòu)主義理論、人本主義理論和問題教學(xué)理論為指導(dǎo)，以培養(yǎng)物理學(xué)科關(guān)鍵能力為指向，提出具有高中物理學(xué)科特質(zhì)的“啟發(fā)+探究”式教學(xué)樣態(tài).筆者認(rèn)為，高中物理“啟發(fā)+探究”式教學(xué)是指：物理教師以培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科關(guān)鍵能力為根本指向，從學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)和認(rèn)知規(guī)律出發(fā)，在提煉物理學(xué)科大觀念的基礎(chǔ)上，創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，形成弱結(jié)構(gòu)的問題空間.通過師生、生生、生本等多元化的相互啟發(fā)和協(xié)作互動，開展以真實的物理實驗探究為主要形式的學(xué)科教學(xué)實踐，并在問題解決的過程中獲得物理學(xué)科知識、形成物理學(xué)科觀念、提升物理學(xué)科思維、培養(yǎng)批判創(chuàng)新能力的一種課堂教學(xué)樣態(tài).

1 深入分析教材，梳理物理觀念，生成教學(xué)主題

物理觀念決定我們研究問題的切入角度，它是對解決一類或幾類問題所用的物理思想、物理方法概括提煉而成的.而往往很多學(xué)生缺乏對物理知識背后蘊含的學(xué)科觀念的領(lǐng)悟，不能把握物理知識間的內(nèi)在聯(lián)系，其學(xué)習(xí)表現(xiàn)為對物理事實、概念、原理的碎片化記憶，對事物本質(zhì)的認(rèn)識浮于表面，缺乏用物理觀念解決實際問題的思路與方法.

因此，在實際教學(xué)中教師需要首先深入分析教材，把教材中超越具體物理知識的物理觀念梳理出來，將這個物理觀念的建立作為教學(xué)的認(rèn)識論目標(biāo)(最高層次的目標(biāo))，以此確定教學(xué)主題.教學(xué)主題是學(xué)生在一堂課上所探究的物理學(xué)科中最核心、最關(guān)鍵的問題.教學(xué)設(shè)計的明線是物理核心知識與結(jié)構(gòu)的探究與理解，教學(xué)設(shè)計的暗線是物理思想、物理方法的運用能力的培養(yǎng).

例如，“場”是一種客觀存在的物質(zhì)，如重力場、電場、磁場等，他們的共性就是對放入其中的一些物體會有相互作用，科學(xué)家就利用這一性質(zhì)來認(rèn)識和研究這些”場”.

在“磁感應(yīng)強度”的教學(xué)中，通過對教材的梳理，就可以以“場”的這一性質(zhì)為切入點，設(shè)計一組問題逐步生成教學(xué)主題.

問題1：我國古代的四大發(fā)明之一指南針，它是靠什么工作的？

問題2：丹麥物理學(xué)家奧斯特通過觀察到什么現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了電流周圍有磁場的？

磁極間、磁極與電流間的相互作用是通過磁場發(fā)生的，電荷間的相互作用是通過電場發(fā)生的，兩者相似，在教材中，也是指導(dǎo)學(xué)生通過類比的方法找出表示磁場強弱的物理量，有意將學(xué)生的思維往“場”觀念的方向引導(dǎo).因此，在教學(xué)中，可以以跟電場類比為主線進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，增強學(xué)生對“場”觀念的認(rèn)識.

問題3：兩個點電荷之間的庫侖力靠什么產(chǎn)生的？兩個磁極間的作用力靠什么產(chǎn)生的？

問題4：電場看不見、摸不著，可以通過怎樣的方法感知它？

問題5：在研究電場時引入檢驗電荷來研究，在研究磁場時引入什么物體來研究？

反思：對物質(zhì)的認(rèn)識，從實物粒子到“場”，是學(xué)生認(rèn)識的一次飛躍，而且以“場”為出發(fā)點來分析和解決問題，對學(xué)生的思維來講是一次轉(zhuǎn)折，也是一次挑戰(zhàn).基于物體間的相互作用(物與物)這個前認(rèn)識，通過磁場與磁極間相互作用(場與物)的啟發(fā)，加深了學(xué)生“場”的物質(zhì)觀的理解，又通過磁場與電場的類比，將學(xué)習(xí)電場時初步建立的“場”的觀念遷移應(yīng)用到磁場的學(xué)習(xí)中來，使學(xué)生的思維得到了拓展.這樣，就以“磁場”的教學(xué)為載體，幫助學(xué)生構(gòu)建“場”的觀念.

2 創(chuàng)設(shè)真實情境，提出探究問題，鋪設(shè)探究路徑

一個教學(xué)主題中必須形成兩個關(guān)鍵內(nèi)容： (1) 學(xué)科“大觀念”，即探究此主題所需要的觀念； (2) 真實問題情境：包括真實的現(xiàn)實生活情境和學(xué)科情境.

學(xué)生面對真實的問題情境運用怎樣的思維方式去分析，然后提出需要科學(xué)探究的物理問題呢？這就需要教師通過一連串有啟發(fā)性的問題引導(dǎo)學(xué)生思考、選擇；根據(jù)觀察或大量實驗數(shù)據(jù)采用歸納推理還是演繹推理得出結(jié)論；運用類比還是轉(zhuǎn)化方法研究；從論據(jù)中對論點提出質(zhì)疑等等.這些模仿科學(xué)家當(dāng)時研究問題時的情境并不斷地啟發(fā)還能讓學(xué)生親歷、體驗科學(xué)家的研究過程，不僅有利于學(xué)生對物理知識本身的理解，對形成物理科學(xué)思維也有較大的意義.

在“磁感應(yīng)強度”教學(xué)中確定了教學(xué)主題后，接下來就要為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實情境，為探究做準(zhǔn)備.

學(xué)生體驗1：用條形磁鐵1的N極靠近條形磁鐵2的N極，感覺到兩磁極相互排斥；用條形磁鐵1的N極靠近條形磁鐵2的S極，感覺到兩磁極相互吸引.

問題1：在電場中的同一位置放置正電荷和負(fù)電荷時，正、負(fù)電荷受到的靜電力方向不同，說明了什么？

問題2：實驗桌上都有一根條形磁鐵和幾個小磁針，將小磁針放在磁鐵的周圍，觀察小磁針的指向，發(fā)現(xiàn)了什么？

問題3：通過初中對磁場的學(xué)習(xí)，應(yīng)該對條形磁鐵周圍的磁場有所認(rèn)識，能否擺放這些小磁針來驗證一下？

通過這樣的啟發(fā)，在提出了有價值的探究問題的同時，也使學(xué)生驗證了已有概念.學(xué)生可以擺出條形磁鐵周圍的小磁針如圖1.

學(xué)生體驗2：兩塊體型較大的馬蹄型磁鐵吸在一起后，很輕松地就能將它們分開，而兩塊體型比較小的釹鐵硼磁鐵吸在一起后，兩個男學(xué)生一起拉都很難將它們分開.

問題4：可以看出不同的磁體在它周圍產(chǎn)生的磁場強弱是不同的，磁場的強弱跟磁體的大小也沒有關(guān)系，那么，可以通過什么來反映磁場的強弱呢？

問題5：在學(xué)習(xí)電場強度時，通過放入電場的檢驗電荷的受力情況來研究電場中各處電場的強弱的，并從檢驗電荷的受力來反映電場強弱的.類似電場強度的定義，能否通過測量小磁針在磁場中的受力來反映磁場強弱呢？

問題6：因為不存在只有一個磁極的磁體，難以通過測量小磁針的受力來研究磁場的強弱.那磁場還對什么會有力的作用？

初步確定了探究方向：探究通電直導(dǎo)線在磁場受到的力.

反思：一個新概念的形成，需要將學(xué)生之前的一些“碎片化”的知識、感性的認(rèn)識收攏起來.通過演繹推理、類比等思維方式進(jìn)行優(yōu)化整合，以達(dá)到知識的重構(gòu)，形成正確的穩(wěn)定的物理概念.可以通過設(shè)置一個問題串，以此作為臺階，使學(xué)生的思維一直處于活躍狀態(tài)，激發(fā)學(xué)生的求知欲望.在此過程中，學(xué)生在完成了知識目標(biāo)的同時，思維品質(zhì)也不斷得到了提升，在這樣的問題串引領(lǐng)下，所要探究的物理問題逐漸浮現(xiàn)在學(xué)生眼前，學(xué)生將很樂意接下來的探究過程.

3 師生合作探究，啟發(fā)探究方法，親歷物理實踐

在探究過程中，設(shè)計合適的探究方法是難點，它考驗學(xué)生應(yīng)用已經(jīng)掌握的物理知識來解決實際問題的能力，運用怎樣的物理規(guī)律把一些無法直接測量的物理量轉(zhuǎn)化為可以觀察和測量的物理量，選擇哪些合適的測量儀器，哪一個實驗方案更合適，當(dāng)在實驗中又生成了新的需要探究的問題時如何繼續(xù)探究等等.假如教師完全放手，只能導(dǎo)致學(xué)生的忙亂，一堂課下來，收獲很少，還可能增加了學(xué)生的負(fù)擔(dān)，對物理的學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏懼.所以，筆者認(rèn)為，在這一過程中，教師的啟發(fā)引導(dǎo)作用要充分體現(xiàn)，教師重點在探究方法選擇及實驗方案優(yōu)化上進(jìn)行啟發(fā)，在探究過程遇到困難時啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新改進(jìn)實驗方案.在師生合作探究中讓學(xué)生親歷學(xué)科實踐，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力.

在“磁感應(yīng)強度”教學(xué)中，明確了從研究通電導(dǎo)線在磁場中受到的力來探究反映磁場強弱的物理量之后，就可以在學(xué)生已有知識的前提下，根據(jù)學(xué)校實驗室具備的實驗器材啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生制定合理的探究方案.

圖2

問題1：在如圖2所示的實驗中，通電導(dǎo)線受到的作用力是沿水平方向的，怎么去測？怎樣用一個電子臺秤來測出通電導(dǎo)線受到的磁場力？可將圖中的實驗裝置怎么改進(jìn)？

初步形成探究方案：

每個實驗組桌上放有實驗器材：3組馬蹄形磁鐵(每組兩塊磁鐵)、2個鐵架臺(用1根金屬橫桿跨接)、電子秤、細(xì)銅棒、導(dǎo)線若干、滑動變阻器、電源、電鍵等.

圖3

設(shè)計實驗：如圖3，將兩鐵架臺放在實驗桌上，蹄型磁鐵開口向下倒掛在兩鐵架臺間的金屬橫桿上，使蹄型磁鐵的磁極離細(xì)銅棒的距離在3 cm左右，磁極正下方放置電子臺秤，臺秤上放細(xì)銅棒，并將臺秤示數(shù)清零(消除細(xì)銅棒重力影響)，將細(xì)銅棒接入電路，為保護(hù)電路，在電路中串入滑動變阻器，細(xì)銅棒通電后，可通過臺秤的示數(shù)反映細(xì)銅棒受到的磁場力.

問題2：只測一次細(xì)銅棒受到的磁場力能反映磁場的強弱嗎？

同一地方測出多個細(xì)銅棒受的磁場力，做出比較后才能找出規(guī)律.

問題3：細(xì)銅棒的要素有兩個(自重已清零)：一個是棒中電流的大小，另一個是棒的長度，這兩個要素不一樣的棒在磁場同一個地方受到的磁場力會一樣嗎？怎么改變棒中的電流大小和棒的長度？

圖4

修改實驗方案：如圖4，在電路中串入滑動變阻器，滑動滑片來改變棒中的電流.磁鐵可改變組數(shù)，以此來改變棒在磁場中的長度.

實驗數(shù)據(jù)如表1，其中細(xì)銅棒通電長度L由磁鐵的塊數(shù)決定，1組(2塊磁鐵)長度L記為2，2組(4塊磁鐵)記為4，3組(6塊磁鐵)記為6.(因只需得出比例關(guān)系，故磁場力大小用電子秤示數(shù)表示即可)

表1 測量數(shù)據(jù)

反思：實驗?zāi)芰κ强茖W(xué)探究中的重要能力，利用實驗室現(xiàn)有的器材，設(shè)計出實驗方案，是科學(xué)探究重要環(huán)節(jié).此時，就要充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，在學(xué)生原有的基礎(chǔ)上，以問題為引領(lǐng)，逐步的啟發(fā)，鋪設(shè)探究路徑，逐漸完善探究方案.而培養(yǎng)探究能力更重要的途徑是學(xué)生的直接參與，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，讓他們親身經(jīng)歷實驗探究這種學(xué)習(xí)活動，在“做中學(xué)”.由他們自己收集實驗數(shù)據(jù)，制作記錄數(shù)據(jù)的表格.在實驗的過程中，遇到了困難，發(fā)現(xiàn)了與自己的認(rèn)知相沖突的問題，既能讓學(xué)生體會科學(xué)家在發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律時的艱辛，又能激發(fā)學(xué)生的思維，在不斷的生疑，解惑中，在師生的共同參與下，逐步提高學(xué)生的探究能力.

4 交流探究結(jié)果，啟發(fā)形成概念，注重真實評價

在經(jīng)歷了師生合作探究過程后，要將探究的結(jié)果“物化”，以此表現(xiàn)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究能力的提高.如何“物化”？

科學(xué)探究中得到大量的實驗數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析論證會得到實驗結(jié)論.這個過程中需要各個探究小組、同一小組中的每個成員把各自的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)論匯總交流，只有在對大量數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上得出的實驗結(jié)論進(jìn)行概括抽象才能上升為概念和規(guī)律.

在這一環(huán)節(jié)中學(xué)生面臨的難點在于：如何從一條條實驗結(jié)論中概括抽象形成概念規(guī)律？所以，教師啟發(fā)的重點在于如何分析實驗結(jié)論并上升為概念規(guī)律.

在上述第3個環(huán)節(jié)的實驗得出測量數(shù)據(jù)后，如何引導(dǎo)學(xué)生交流討論實驗數(shù)據(jù)呢？

問題1：實驗數(shù)據(jù)的一般處理方法有觀察法、比值法、作圖法等方法，對實驗中得到的測量數(shù)據(jù)可以用什么方法來處理？

問題2：物理學(xué)中還有個類似于點電荷的物理量——電流元，把很短一段通電導(dǎo)線中的電流I和導(dǎo)線長度dL的乘積Idl叫做電流元.那么，是否可以去研究一段電流元受到的磁場力？

真正的電流元難以實現(xiàn)，但根據(jù)蹄型磁鐵產(chǎn)生磁場的特點，細(xì)銅棒所處位置的各處磁場強弱接近相等的，所以，在實驗中可以用一段通電直導(dǎo)線替代.這樣表1中的數(shù)據(jù)只要研究電子秤示數(shù)所反映的磁場力F與IL即可，如表2.

表2

圖5

問題3：假如某個物理量是一個常量，它很有可能反映一種物質(zhì)的某種性質(zhì)，或者反映一種物體的某個屬性.那么這個比例系數(shù)k能反映磁場的強弱嗎？怎樣通過實驗來驗證？

進(jìn)一步實驗：減小磁鐵與細(xì)銅棒的距離至1 cm左右，再次實驗.得到的實驗數(shù)據(jù)如表3.

表3

通過作圖法，作出通電導(dǎo)線受的磁場力F與IL的關(guān)系圖線如圖6，發(fā)現(xiàn)仍是一條過原點的直線，但直線的斜率比第一次作出直線的斜率大.

圖6

反思：實驗結(jié)果不等同于實驗結(jié)論，結(jié)果是在實際的物理過程中得出的，具有客觀性，需要經(jīng)過比較、類比、歸納、演繹等科學(xué)思維不斷的試探，在試探中質(zhì)疑，質(zhì)疑后再推理，逐步找到科學(xué)規(guī)律，最后“物化”為結(jié)論的.在這一過程中，教師從比較法、比值法、圖像法等數(shù)據(jù)處理的常用方法進(jìn)行啟發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生對自認(rèn)的結(jié)論進(jìn)行質(zhì)疑，啟發(fā)他們再次設(shè)計實驗方案，尋找證據(jù)，依據(jù)證據(jù)進(jìn)行論證、交流、評價，從而得出結(jié)論，而這樣得出的結(jié)論才能應(yīng)用到解決實際的物理問題中去.