谷海躍 耿宜宏 吳 欽

(1. 常州市第一中學(xué)，江蘇 常州 213003； 2. 江蘇省前黃高級中學(xué)，江蘇 常州 213161)

1 問題的提出

物理概念與物理規(guī)律教學(xué)側(cè)重點并不相同,而在實際的教學(xué)中不少教師卻將其混為一談．物理概念是對物理事實高度抽象出的知識點,教學(xué)重點是概念建立的過程以及建立的原因．而物理規(guī)律則是反映了物理概念之間的關(guān)系．其中的教學(xué)重點是科學(xué)思維的培養(yǎng)與科學(xué)探究能力的養(yǎng)成．每個物理規(guī)律得出都隱藏與之相關(guān)聯(lián)的多個科學(xué)方法．本文以“交變電流”為例,深入分析規(guī)律課教學(xué)中的實際難點,并初步提出解決的路徑．以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維為目的,挖掘并顯化規(guī)律得出的科學(xué)方法,以期能讓規(guī)律形成之路更加一目了然．[1]

2 基于學(xué)生科學(xué)思維培養(yǎng)的物理規(guī)律課教學(xué)難點

福建師范大學(xué)陳祖標(biāo)教授提出,以認(rèn)知心理學(xué)的觀點來看,“物理”其實可以理解為“物+理”(圖1)．[2]以本節(jié)課為例,手搖發(fā)電機、發(fā)電廠等可以視為實物化、模像化后的物,而正弦交變電流的規(guī)律及圖像可以認(rèn)為是抽象化、符號化后的理．從物到理即是生活走向物理,由理到物則是物理知識在生活中的應(yīng)用．

圖1 “物”+“理”模型圖

從學(xué)生的視角出發(fā),學(xué)習(xí)的難點是具于形象思維的物(實際物體)與基于邏輯思維的理(物理規(guī)律)之間仿佛隔著一個“鴻溝”,從“具物化”的元認(rèn)知階段直接躍遷到“抽象化”的高階思維,缺乏一定的過渡．所以尋找物與理之間的橋梁就變得至關(guān)重要．

3 基于學(xué)生科學(xué)思維培養(yǎng)的物理規(guī)律課教學(xué)策略

3.1 培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)模型的意識與能力

在追尋物與理之間的關(guān)系的規(guī)律課中,實際物體用于進(jìn)行規(guī)律探究過于復(fù)雜．由于次要因素過多不足以充當(dāng)規(guī)律探究的載體．為了凸顯主要因素,科學(xué)家們提出了建構(gòu)模型的科學(xué)思維方法．模型是物與理之間的“有效橋梁”,它可以有效降低學(xué)習(xí)規(guī)律的難度．我們既可以通過對物理模型進(jìn)行分析得出物理規(guī)律,我們又可以將物理規(guī)律用于模型而解決生活中的實際問題．所以說,建構(gòu)模型是進(jìn)行規(guī)律探尋的前提條件．在課程標(biāo)準(zhǔn)中明確的提出,學(xué)生通過高中物理的學(xué)習(xí),基本具有構(gòu)建模型的意識和能力．

3.2 教學(xué)過程中重視顯化科學(xué)方法

建立模型只是讓我們明確了研究對象,如果沒有科學(xué)方法的指導(dǎo),規(guī)律的探尋就沒有辦法繼續(xù)進(jìn)行．課程標(biāo)準(zhǔn)中指出科學(xué)思維是從科學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律以及相關(guān)關(guān)系的認(rèn)識,是分析綜合、抽象概括、推理論證等科學(xué)思維方法的內(nèi)化．[3]科學(xué)探究的過程中往往蘊藏著很多的科學(xué)方法,如控制變量、從一般到特殊、定性到定量的邏輯推理等．在教學(xué)過程中顯化科學(xué)方法,有利于學(xué)生建構(gòu)整個方法體系,有助于學(xué)生用科學(xué)視角解決新的問題．

3.3 重視以學(xué)生為主體的課堂

課堂角色進(jìn)行轉(zhuǎn)換,從教師講授學(xué)生被動接受的知識積累型課堂轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾晫W(xué)生探究體驗素養(yǎng)積累型課堂．通過教學(xué)活動培養(yǎng)學(xué)生實證的意識和評價證據(jù)的能力,能使用證據(jù)對研究問題進(jìn)行定性的邏輯推理、定量的科學(xué)運算推演和實驗．具有批判性思維意識,能夠基于證據(jù)與推理進(jìn)行大膽的質(zhì)疑．讓學(xué)生進(jìn)入深度學(xué)習(xí),素養(yǎng)在潛移默化中提高．

4 基于學(xué)生科學(xué)思維培養(yǎng)的“交變電流”規(guī)律課教學(xué)片段

4.1 片段1：模型建立過程(圖2)

圖2 模型建立過程

師:通過實驗我們發(fā)現(xiàn)手搖發(fā)電機能夠產(chǎn)生交變電流,那么下面我們就來探尋交變電流是如何發(fā)出的．

問題1:對于實際的發(fā)電機我們?nèi)绾稳パ芯克?

生:建立模型．

問題2:模型由哪些部分組成呢?

生:磁鐵與線圈．

問題3:我們研究問題都是從簡單到復(fù)雜,那么我們?nèi)绾魏喕Ｐ湍?

生:線圈:單匝;磁場:勻強;轉(zhuǎn)動:勻速.

問題4:三維模型圖不利于我們觀察,有什么降低難度的方法?

生:降低維度．

問題5:大家畫出的二維圖有圖3兩種,選哪一種呢?

圖3 降低維度過程

生:右邊那種,因為既可以看到切割邊又能夠看到速度方向．

點評:在本段教學(xué)中利用問題鏈引導(dǎo)學(xué)生由表及里,深入研究發(fā)電機內(nèi)部構(gòu)造,由整體到局部聚焦研究問題的重點．可以讓學(xué)生自然地從動作思維為主的現(xiàn)實場景轉(zhuǎn)化為形象思維(物理模型)的物理場景．在建模的過程中引導(dǎo)學(xué)生研究問題從簡單到復(fù)雜的意識,利用降維的思想進(jìn)一步降低問題的難度,為下一步探究規(guī)律做好伏筆．

4.2 片段2：定性推理過程

師:線圈不停地在磁場中旋轉(zhuǎn)，我們需要找出一些特殊位置進(jìn)行研究．

問題1:同學(xué)們選擇哪些特殊位置進(jìn)行研究?你選擇的依據(jù)是什么?

生:既要滿足速度與磁場垂直,又要滿足速度與磁場平行．那么共4個位置．

師:請同學(xué)們利用已經(jīng)學(xué)過的知識完成表1中的表格．

表1 發(fā)電機參量關(guān)系表

問題2:圖中(b)與(d)有什么共同點?

生:電流為0,B與v垂直,B與S平行．

師:我們發(fā)現(xiàn)這樣的面很特殊,我們稱為中性面,一般我們會作為研究線圈轉(zhuǎn)動的參考平面．

師:請大家將剛剛(a)—(b)—(c)—(d)—(e)5個位置的電流定性的畫到i-t圖像中去(圖4)．

圖4 部分學(xué)生猜測的i-t圖像

問題3:大家能夠通過這5個點猜測圖線的形狀嗎?

生:有可能是三角形的,也有可能是正弦類的圖像．

問題4:那么如何驗證呢?

生:我們可以從理論和實驗兩個角度去分析．

點評:對運動的物體進(jìn)行研究往往是要確定具體位置．從一般到特殊的研究路徑不僅能夠化繁為簡而且還包含了整體到局部的思想．能夠讓學(xué)生從繁雜的情形中理清楚頭緒來．而根據(jù)有效的局部信息大膽的猜測整體的趨勢,能夠讓學(xué)生掙脫束縛大膽猜想,體會科學(xué)推理的強大與樂趣．大膽猜想,小心驗證形成一個嚴(yán)密的科學(xué)探究過程．

4.3 片段3：定量驗證過程

師:下面我們找出一個一般位置進(jìn)行研究．勻強磁場的磁場強度為B,矩形線圈以角速度ω逆時針轉(zhuǎn)動．線圈AB邊長為L1,線圈AD邊長為L2．線圈從中性面轉(zhuǎn)動開始計時,如圖5,試推導(dǎo)t時刻線圈中的感應(yīng)電動勢為多大?

圖5 理論推導(dǎo)正弦變化規(guī)律

問題1:哪些邊在切割,產(chǎn)生的電動勢相加還是相減?

生:AB、CD產(chǎn)生電動勢應(yīng)該相加,總電動勢應(yīng)該為單條邊的2倍．

問題2:那么一條邊的電動勢如何求?用什么公式?

師:真棒,大家的猜想得到了驗證．

問題3:理論的結(jié)果還需要我們實驗的契合,我們?nèi)绾悟炞C手搖發(fā)電機發(fā)出的電是按照正弦規(guī)律變化的呢?

生:我們可以將手搖發(fā)電機輸出的電壓輸入到電壓傳感器中觀察(如圖6)．

圖6 手搖發(fā)電機輸出電壓-時間圖像

師:很好,輸入傳感器可以方便我們直觀的觀察到電壓隨著電流的變化關(guān)系．

問題4:大家看到的圖線滿足正弦變化關(guān)系嗎?

生:這個很難回答,說是也不是,說不是也有點像．

問題5:可能是因為什么問題導(dǎo)致的?(教師搖動手搖發(fā)電機,讓學(xué)生再次觀察實驗,讓學(xué)生仔細(xì)觀察,猜測原因．)

生:磁場不是勻強磁場,搖動也不能做到勻速．

問題6:那么如何解決這兩個問題呢?

生:改換磁鐵,尋找裝置能夠產(chǎn)生勻強磁場．用電機帶動線圈,使得轉(zhuǎn)動更加平穩(wěn)．

師:大家請看改進(jìn)后的裝置,如圖7，亥姆霍茲線圈提供磁場,可近似獲得勻強磁場．用直流電機帶動線圈使其轉(zhuǎn)動接近勻速．請大家再觀察輸出的電壓.

圖7 改良實驗裝置及輸出結(jié)果

生:哇!我們的猜想得到了驗證．(學(xué)生自發(fā)激烈鼓掌)

點評:本段教學(xué)過程著重培養(yǎng)了學(xué)生的證據(jù)意識,較為完整展示了理論與實驗兩個方面證據(jù)對之前邏輯推理的驗證．理論推導(dǎo)過程利用問題鏈對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo),從研究對象的確定到所用公式的梳理,一步步降低學(xué)生理論推導(dǎo)的難度．在實驗驗證的環(huán)節(jié),并不是一味求“快”,而是尊重學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,基于學(xué)生對電動機的了解,一步步引導(dǎo)學(xué)生對現(xiàn)有的裝置進(jìn)行改良．重視學(xué)生整個過程中的探究體驗與素養(yǎng)養(yǎng)成,促使學(xué)生深度學(xué)習(xí)．

5 總結(jié)與反思

物理規(guī)律學(xué)習(xí)活動的設(shè)計必須讓學(xué)生主動建構(gòu)知識,而這是需要注重體驗的過程．[4]后續(xù)教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生運用規(guī)律解決問題,加深對物理規(guī)律的理解．學(xué)生經(jīng)過了模型建構(gòu)、化繁為簡的物理方法后認(rèn)知能力得到了提高．經(jīng)過了由定性到定量、理論與實驗的契合思維加工,學(xué)生科學(xué)思維得到了進(jìn)一步的加強．教師應(yīng)該好好利用好規(guī)律教學(xué),借此讓學(xué)生核心素養(yǎng)的達(dá)成、立德樹人的育人目標(biāo)能夠真正實現(xiàn)．