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(jí)中學(xué)，江蘇 常州 213161)

1 問(wèn)題的提出

物理概念與物理規(guī)律教學(xué)側(cè)重點(diǎn)并不相同,而在實(shí)際的教學(xué)中不少教師卻將其混為一談．物理概念是對(duì)物理事實(shí)高度抽象出的知識(shí)點(diǎn),教學(xué)重點(diǎn)是概念建立的過(guò)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(diǎn)是科學(xué)思維的培養(yǎng)與科學(xué)探究能力的養(yǎng)成．每個(gè)物理規(guī)律得出都隱藏與之相關(guān)聯(lián)的多個(gè)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(shí)際難點(diǎn),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(diǎn)

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(diǎn)來(lái)看,“物理”其實(shí)可以理解為“物+理”(圖1)．[2]以本節(jié)課為例,手搖發(fā)電機(jī)、發(fā)電廠等可以視為實(shí)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(hào)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(shí)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(diǎn)是具于形象思維的物(實(shí)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(gè)“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(guò)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(shí)與能力

在追尋物與理之間的關(guān)系的規(guī)律課中,實(shí)際物體用于進(jìn)行規(guī)律探究過(guò)于復(fù)雜．由于次要因素過(guò)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(guò)對(duì)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(shí)際問(wèn)題．所以說(shuō),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(guò)高中物理的學(xué)習(xí),基本具有構(gòu)建模型的意識(shí)和能力．

3.2 教學(xué)過(guò)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(duì)象,如果沒(méi)有科學(xué)方法的指導(dǎo),規(guī)律的探尋就沒(méi)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(duì)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(shí),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(guò)程中往往蘊(yùn)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(guò)程中顯化科學(xué)方法,有利于學(xué)生建構(gòu)整個(gè)方法體系,有助于學(xué)生用科學(xué)視角解決新的問(wèn)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(dòng)接受的知識(shí)積累型課堂轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾晫W(xué)生探究體驗(yàn)素養(yǎng)積累型課堂．通過(guò)教學(xué)活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)證的意識(shí)和評(píng)價(jià)證據(jù)的能力,能使用證據(jù)對(duì)研究問(wèn)題進(jìn)行定性的邏輯推理、定量的科學(xué)運(yùn)算推演和實(shí)驗(yàn)．具有批判性思維意識(shí),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(guò)程(圖2)

圖2 模型建立過(guò)程

師:通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)手搖發(fā)電機(jī)能夠產(chǎn)生交變電流,那么下面我們就來(lái)探尋交變電流是如何發(fā)出的．

問(wèn)題1:對(duì)于實(shí)際的發(fā)電機(jī)我們?nèi)绾稳パ芯克?

生:建立模型．

問(wèn)題2:模型由哪些部分組成呢?

生:磁鐵與線圈．

問(wèn)題3:我們研究問(wèn)題都是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜,那么我們?nèi)绾魏?jiǎn)化模型呢?

生:線圈:單匝;磁場(chǎng):勻強(qiáng);轉(zhuǎn)動(dòng):勻速.

問(wèn)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(wèn)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(guò)程

生:右邊那種,因?yàn)榧瓤梢钥吹角懈钸呌帜軌蚩吹剿俣确较颍?/p>

點(diǎn)評(píng):在本段教學(xué)中利用問(wèn)題鏈引導(dǎo)學(xué)生由表及里,深入研究發(fā)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)造,由整體到局部聚焦研究問(wèn)題的重點(diǎn)．可以讓學(xué)生自然地從動(dòng)作思維為主的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景轉(zhuǎn)化為形象思維(物理模型)的物理場(chǎng)景．在建模的過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生研究問(wèn)題從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的意識(shí),利用降維的思想進(jìn)一步降低問(wèn)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(guò)程

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

問(wèn)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(chǎng)垂直,又要滿足速度與磁場(chǎng)平行．那么共4個(gè)位置．

師:請(qǐng)同學(xué)們利用已經(jīng)學(xué)過(guò)的知識(shí)完成表1中的表格．

表1 發(fā)電機(jī)參量關(guān)系表

問(wèn)題2:圖中(b)與(d)有什么共同點(diǎn)?

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(huì)作為研究線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的參考平面．

師:請(qǐng)大家將剛剛(a)—(b)—(c)—(d)—(e)5個(gè)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(cè)的i-t圖像

問(wèn)題3:大家能夠通過(guò)這5個(gè)點(diǎn)猜測(cè)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(wèn)題4:那么如何驗(yàn)證呢?

生:我們可以從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)角度去分析．

點(diǎn)評(píng):對(duì)運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)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(lái)．而根據(jù)有效的局部信息大膽的猜測(cè)整體的趨勢(shì),能夠讓學(xué)生掙脫束縛大膽猜想,體會(huì)科學(xué)推理的強(qiáng)大與樂(lè)趣．大膽猜想,小心驗(yàn)證形成一個(gè)嚴(yán)密的科學(xué)探究過(guò)程．

4.3 片段3：定量驗(yàn)證過(guò)程

師:下面我們找出一個(gè)一般位置進(jìn)行研究．勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為B,矩形線圈以角速度ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)．線圈AB邊長(zhǎng)為L(zhǎng)1,線圈AD邊長(zhǎng)為L(zhǎng)2．線圈從中性面轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)始計(jì)時(shí),如圖5,試推導(dǎo)t時(shí)刻線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為多大?

圖5 理論推導(dǎo)正弦變化規(guī)律

問(wèn)題1:哪些邊在切割,產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)相加還是相減?

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

問(wèn)題2:那么一條邊的電動(dòng)勢(shì)如何求?用什么公式?

師:真棒,大家的猜想得到了驗(yàn)證．

問(wèn)題3:理論的結(jié)果還需要我們實(shí)驗(yàn)的契合,我們?nèi)绾悟?yàn)證手搖發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)輸出電壓-時(shí)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(wèn)題4:大家看到的圖線滿足正弦變化關(guān)系嗎?

生:這個(gè)很難回答,說(shuō)是也不是,說(shuō)不是也有點(diǎn)像．

問(wèn)題5:可能是因?yàn)槭裁磫?wèn)題導(dǎo)致的?(教師搖動(dòng)手搖發(fā)電機(jī),讓學(xué)生再次觀察實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生仔細(xì)觀察,猜測(cè)原因．)

生:磁場(chǎng)不是勻強(qiáng)磁場(chǎng),搖動(dòng)也不能做到勻速．

問(wèn)題6:那么如何解決這兩個(gè)問(wèn)題呢?

生:改換磁鐵,尋找裝置能夠產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng)．用電機(jī)帶動(dòng)線圈,使得轉(zhuǎn)動(dòng)更加平穩(wěn)．

師:大家請(qǐng)看改進(jìn)后的裝置,如圖7，亥姆霍茲線圈提供磁場(chǎng),可近似獲得勻強(qiáng)磁場(chǎng)．用直流電機(jī)帶動(dòng)線圈使其轉(zhuǎn)動(dòng)接近勻速．請(qǐng)大家再觀察輸出的電壓.

圖7 改良實(shí)驗(yàn)裝置及輸出結(jié)果

生:哇!我們的猜想得到了驗(yàn)證．(學(xué)生自發(fā)激烈鼓掌)

點(diǎn)評(píng):本段教學(xué)過(guò)程著重培養(yǎng)了學(xué)生的證據(jù)意識(shí),較為完整展示了理論與實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面證據(jù)對(duì)之前邏輯推理的驗(yàn)證．理論推導(dǎo)過(guò)程利用問(wèn)題鏈對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo),從研究對(duì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(duì)電動(dòng)機(jī)的了解,一步步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)現(xiàn)有的裝置進(jìn)行改良．重視學(xué)生整個(gè)過(guò)程中的探究體驗(yàn)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(dòng)的設(shè)計(jì)必須讓學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí),而這是需要注重體驗(yàn)的過(guò)程．[4]后續(xù)教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用規(guī)律解決問(wèn)題,加深對(duì)物理規(guī)律的理解．學(xué)生經(jīng)過(guò)了模型建構(gòu)、化繁為簡(jiǎn)的物理方法后認(rèn)知能力得到了提高．經(jīng)過(guò)了由定性到定量、理論與實(shí)驗(yàn)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(qiáng)．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(shù)人的育人目標(biāo)能夠真正實(shí)現(xiàn)．