周佩佩

(黃岡中學北京朝陽學校 北京 100018)

姚 迪

(北京第二外國語附屬中學 北京 100024)

張春麗

(北京市朝陽區(qū)教育科學研究院 北京 100021)

我國2017年版《普通高中物理課程標準》明確提出“科學思維”是物理核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容，并進一步說明“科學思維”主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，“科學論證”首次明確寫進我國的物理課程標準[1].基于科學論證的教學方式也越來越得到重視，因為該方式有益于培養(yǎng)學生的問題意識、證據(jù)觀念、推理能力和審辯性思維.

2008 年，由Sampson 等人提出適合于實驗探究活動的論證教學模型(Argument-Driven-Inquiry ，簡稱ADI )[2].其主要流程是學生以小組合作的方式在真實的實驗情境中提出可探究的科學任務(wù)，圍繞探究任務(wù)提出主張，設(shè)計相應(yīng)的實驗方案、收集相關(guān)資料形成證據(jù)，小組分享論證的過程，并在交流中得到批判和反饋，經(jīng)過組內(nèi)反思性研討，撰寫探究報告并提交給同伴進行匿名評審.整個論證的過程和評價像科學家一樣的思考方式進行.

本文以人教版物理必修三第2節(jié)“磁感應(yīng)強度”為例，對 ADI 教學模式在課堂中的應(yīng)用進行探索，下面簡述本節(jié)課教學實操中的幾個重要環(huán)節(jié).

1 重要環(huán)節(jié)之一——學生設(shè)計實驗方案 體驗磁場的強弱

活動設(shè)計：利用圖1所示的實驗器材設(shè)計一個小實驗，驗證兩塊磁鐵磁性的強弱，并說出你的判定標準.

(a)回形針 (b)磁鐵

設(shè)計意圖：通過半開放式的問題設(shè)置，讓學生經(jīng)歷實驗設(shè)計、體驗、闡述、論證的過程，喚醒學生的內(nèi)在驅(qū)動力，調(diào)動思維的活躍性與創(chuàng)新性，培養(yǎng)學生的探索意識.引發(fā)思考初中學過的磁感線知識不夠用了，必須引入一個物理量來定量描述磁場的強弱和方向.

2 重要環(huán)節(jié)之二——科學類比 確定研究對象

思考引導：磁場與電場都是看不見摸不著的物質(zhì)，可以類比電場研究磁場，但磁場與電場又有區(qū)別，因此，在類比建模過程中需要把一些細節(jié)說清楚.例如：運動點電荷和靜止的小磁針符合研究磁場對“點”的要求，但運動點電荷的受力和速度都不易于測量，不利于學生觀測和經(jīng)歷概念的建立過程；用小磁針探究磁場方向是直觀的，但是小磁針沒有單邊磁極，小磁針的受力難以量化.基于以上因素我們選擇更易于定量研究的探測物——通電直導線.一般從最簡單的磁場入手，選定勻強磁場來研究.

3 重要環(huán)節(jié)之三——經(jīng)歷定量的實驗探究 體驗比值定義的本質(zhì)

3.1 明確學習任務(wù)

探究影響通電直導線受力的因素，能否類比電場強度尋求定量描述磁場強弱的物理量.

3.2 設(shè)計方案 搜集數(shù)據(jù)

學生采取分組合作的研究方式，教師向每個小組提供探究任務(wù)清單，探究任務(wù)清單中包括要研究的問題、要設(shè)計的實驗方案，要收集哪些數(shù)據(jù)等等，同時在設(shè)計實驗過程中教師進行適當引導，比如應(yīng)當采用什么物理方法進行探究、如何定量觀測這些物理量等等，為學生自主進行實驗和展開論證提供必要的支持.各組的探究任務(wù)清單完成后，需要和教師交流確認后進行相關(guān)實驗和收集數(shù)據(jù).

3.3 分析數(shù)據(jù) 整理論據(jù)

實驗裝置如圖2所示，第1小組的實驗是在磁感應(yīng)強度不同(磁鐵間距離為5.5 cm 和8 cm)的兩組強磁鐵中控制導體長度不變，利用滑動變阻器改變通過線圈的電流，線框的重力可以通過電子秤調(diào)零抵消，由于牛頓第三定律以及二力平衡知識，電子秤承受質(zhì)量所對應(yīng)的力就是通電導線在磁場中所受磁場力的大小，記錄電子秤的示數(shù)和電流表示數(shù)，探究磁場力F和電流I的關(guān)系.其中F1是導線在磁鐵間距離為5.5 cm的磁場中所受磁場力的大小，F(xiàn)2是導線在磁鐵間距離為8 cm的磁場中所受磁場力的大小，實驗數(shù)據(jù)見表1.

圖2 實驗裝置圖

表1 不同磁場中F和電流I的關(guān)系

第2組實驗是在兩組強磁鐵中控制導體中的電流不變(I=0.36 A)，第一組數(shù)據(jù)的5匝線圈對應(yīng)的總長度為0.25 m，另外分別為10匝、15匝、20匝、25匝、30匝，對應(yīng)在磁場中的有效長度分別為0.50 m，0.75 m，1.00 m，1.25 m，1.50 m，以此來探究磁場力F和長度L的關(guān)系，實驗數(shù)據(jù)見表2.

表2 不同磁場中F和長度L的關(guān)系

第3組實驗是在控制磁場中的導線長度、通電導線的電流不變，分別在不同的磁場中記錄電子秤的示數(shù)以及磁場和通電導線之間的夾角θ，實驗數(shù)據(jù)見表3和表4.

表3 磁場力F1和夾角θ的關(guān)系

表4 磁場力F2和夾角θ的關(guān)系

各小組通過初步的測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在電流和磁場一定的情況下，通電導線的長度越長，通電導線的受力越大；在通電導線長度和磁場一定的情況下，通電導線的電流越大，通電導線的受力越大；在電流和通電導線的長度一定的情況下，磁場越強，通電導線的受力越大.

3.4 分享論證 歸納結(jié)論

在分享論證的環(huán)節(jié)教師引導除了進行表格數(shù)據(jù)處理，還可以進行圖像分析，這樣可以實現(xiàn)定性到定量的探究.比如做F與I圖像、F與L圖像、F與IL圖像進行對比分析，看看到底是用哪個物理量能準確、方便地描述磁場的強弱.

圖3 F與I的關(guān)系

圖4 不同磁場下F與I的關(guān)系

圖5 F與L的關(guān)系

圖6 不同磁場下F與L的關(guān)系

圖7 F與IL的關(guān)系

表5 不同磁場中F和IL的關(guān)系

圖8 不同磁場下F與導線電流、磁場方向夾角的關(guān)系

3.5 反思提升 修正深化

模型建構(gòu)：在物理學中，把很短的一段通電導線中的電流I與導線長度L的乘積IL叫做“電流元”，因為“孤立電流元不存在”，因此“電流元”與質(zhì)點、點電荷一樣都是理想的物理模型.

修正完善：另外本實驗雖然是定量實驗，但是精確度還有待提高，比如可以提高電流表的精度等級，可以把電子秤換成微力傳感器，這樣會使實驗數(shù)據(jù)更加準確，更加趨向定量實驗，也就更具有說服力.

3.6 撰寫報告 學生自評 匿名互評

論文寫作是科學研究的重要組成部分，科學家不僅需要閱讀、理解、評估他人的研究成果，也需要通過論文寫作分享自己的研究成果.因此，引導學生用清晰、規(guī)范的語言來撰寫探究報告，反思體會科學研究的過程，并且根據(jù)課堂的表現(xiàn)進行自我評價，自評表如表6所示[3].收到報告后，教師將報告拍成圖片隨機在群里發(fā)送給不同小組進行匿名評審，引導學生從探究任務(wù)、實驗過程、科學論證和論文寫作4個方面進行評價，比如作者是否使用科學的方式呈現(xiàn)證據(jù),作者是否有充足的證據(jù)來支撐自己的主張,作者的研究報告是否做了修改和完善等等，學生根據(jù)反饋信息對探究報告進行修改，然后提交給教師進行第二次評定.如果修改后的報告達到可接受的質(zhì)量水平，作者即可獲得滿分，否則需要進行第二輪修正完善直到達到目標要求.

表6 學生課堂自評表

設(shè)計意圖：利用定量實驗進行探究，讓學生經(jīng)歷磁感應(yīng)強度的建立過程，有利于培養(yǎng)學生的科學探究能力.通過真實的數(shù)據(jù)記錄與分析，得出相應(yīng)的結(jié)論，培養(yǎng)學生的證據(jù)意識.撰寫報告、自我評價、匿名互評這一環(huán)節(jié)培養(yǎng)了學生科學推理能力和論證能力，而且能夠及時反饋教學效果，為教學的進一步改進提供了重要的依據(jù).

4 主要環(huán)節(jié)之四——自帶“便攜DIS實驗室” 強化概念的深入理解

為了系統(tǒng)深刻地理解磁感應(yīng)強度，利用手機應(yīng)用程序中phyphox實驗軟件里的一款應(yīng)用程序“磁力計”， 可以精確測量手機所在空間的磁場，相當于隨身攜帶了一個微型DIS實驗裝置，隨處可做實驗，學生們特別感興趣.

如圖9所示，引導學生打開phyphox軟件中的磁力計功能，移動手機，在不同的位置固定觀察不同菜單欄下的數(shù)值，討論其物理意義.并且思考討論磁感應(yīng)強度是什么性質(zhì)的物理量？表達出你的觀點，論證評價表如表7所示.

圖9 phyphox軟件中的磁力計功能

表7 論證評價表

小實驗：把手機放在U型磁鐵同一位置的不同方向，觀測發(fā)現(xiàn)其峰值不一樣，對應(yīng)數(shù)據(jù)不同，這是地磁場和U型磁鐵激發(fā)的磁場共同疊加的結(jié)果，也是磁感應(yīng)強度是矢量的證據(jù)之一.

設(shè)計意圖：將抽象的概念與真實情境相聯(lián)系，通過學生在自主思考和互相討論的過程中，進行思維的碰撞.利用真實的測量數(shù)據(jù)，從運算法則分析數(shù)據(jù)中得到磁感應(yīng)強度這個物理量是矢量的結(jié)論.有助于學生對磁感應(yīng)強度從大小和方向上的全面理解，有利于學生科學思維的提升.

5 結(jié)束語

ADI教學模式在本節(jié)課的應(yīng)用，不僅提高課堂教學的質(zhì)量，也為核心素養(yǎng)目標下的高中物理實驗教學提供新的思路，有助于物理核心素養(yǎng)的“落地生根”[4].當然，在論證教學的實操中，應(yīng)根據(jù)不同的教學內(nèi)容選擇合適的論證模式和策略，才可能獲得最佳的教學質(zhì)效.