崔 琳 喬英磊

(北京景山學(xué)校遠(yuǎn)洋分校 北京 100040)

任 鑫

(北京市第十二中學(xué) 北京 100071)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)[1]明確指出,物理課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.《標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生通過義務(wù)教育物理課程的學(xué)習(xí)達(dá)到如下目標(biāo):學(xué)生會(huì)用所學(xué)模型分析常見的物理問題;能對(duì)相關(guān)問題和信息進(jìn)行分析并得出結(jié)論,具有初步的科學(xué)推理能力;有利用證據(jù)對(duì)所研究的問題進(jìn)行分析和解釋的意識(shí),能使用簡單和直接的證據(jù)表達(dá)自己的觀點(diǎn),具有初步的科學(xué)論證能力;能獨(dú)立思考,對(duì)相關(guān)信息、方案和結(jié)論提出自己的見解,具有質(zhì)疑創(chuàng)新的意識(shí).能制訂簡單的科學(xué)探究方案,有控制實(shí)驗(yàn)條件的意識(shí),會(huì)通過實(shí)踐操作等方式收集信息,初步具有獲取證據(jù)的能力;能分析、處理信息,得出結(jié)論,初步具有對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果作出解釋的能力.

從《標(biāo)準(zhǔn)》提出的要求來看,思維存在于整個(gè)教學(xué)過程中,但并不明顯,為顯性教學(xué)過程中學(xué)生的思維能力,布魯姆(BLOOM)將人類的認(rèn)知分為六種,分別為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造.其中,記憶、理解和應(yīng)用為低階思維,分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造為高階思維,如圖1所示.

圖1 BLOOM認(rèn)知目標(biāo)分類

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),通過邏輯推理,模型建構(gòu),借助數(shù)學(xué)工具等形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系的學(xué)科.在物理教學(xué)中,教師不僅要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生記憶、理解和應(yīng)用等低階思維的培養(yǎng),更要注重對(duì)學(xué)生分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造等高階思維的訓(xùn)練,使學(xué)生逐步形成物理學(xué)科素養(yǎng),落實(shí)立德樹人的根本任務(wù).然而,在當(dāng)前中學(xué)物理教學(xué)中,教師往往只關(guān)注知識(shí)的講授、方法的給予或是實(shí)驗(yàn)結(jié)論的告知,而忽視在概念生成、模型建構(gòu)以及規(guī)律探究過程中對(duì)學(xué)生高階思維的培養(yǎng),導(dǎo)致學(xué)生思維通常只停留在記憶、理解和應(yīng)用的低階思維層次,缺乏對(duì)高階思維培養(yǎng)的整體性規(guī)劃.實(shí)際上,初中物理教學(xué)中應(yīng)將科學(xué)探究與科學(xué)方法相互融合,在發(fā)展學(xué)生低階思維的同時(shí),更要注重發(fā)展學(xué)生的高階思維,提高學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力.在教學(xué)中,教師應(yīng)以高中課標(biāo)和義教課標(biāo)為依據(jù),基于學(xué)生的長遠(yuǎn)發(fā)展,以整個(gè)主題或單元進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)具有前瞻性和連續(xù)性,將培養(yǎng)學(xué)生高階思維的目標(biāo)始終貫徹下去,以真正落實(shí)立德樹人的根本任務(wù).

例如,在認(rèn)識(shí)“磁場”時(shí),傳統(tǒng)教學(xué)模式下,教師往往也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)強(qiáng)行讓學(xué)生接受磁場的存在,之后順勢告知學(xué)生我們可以用一個(gè)新的物理模型——磁感線來描述磁場.稍微好一些的教學(xué)模式也僅僅是停留在通過讓學(xué)生類比風(fēng),形象地闡明磁場的存在,但是對(duì)磁場性質(zhì)的研究和“磁感線”模型的建構(gòu)過程并不深入.筆者認(rèn)為,上述教學(xué)形式缺乏研究的味道,錯(cuò)失了培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的良機(jī).因此,如何能在教學(xué)中真正調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,激發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維顯得尤為重要.所以本文以“磁感線”模型建構(gòu)為例,闡述在初中物理教學(xué)中基于模型建構(gòu)、轉(zhuǎn)換法、類比思想等科學(xué)方法在物理教學(xué)中的重要應(yīng)用和價(jià)值,力求讓學(xué)生在課堂中充分經(jīng)歷探究過程,享受思維樂趣,經(jīng)歷設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的過程,真正達(dá)到提升學(xué)生高階思維的目的,切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力[2].

事實(shí)上,磁場是較為抽象的,看不見,也摸不到,所以學(xué)生本就難以理解,而“磁感線”模型建構(gòu)對(duì)于初中學(xué)生而言接受起來更是有一定難度,那么在教學(xué)中就應(yīng)該將教學(xué)適當(dāng)“放慢”,將它們形象化表征,為此筆者以條形磁體為例,通過實(shí)驗(yàn)、想象、演繹、推理等多種途徑讓學(xué)生感知磁體周圍存在磁場,再根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象通過問題鏈的形式引導(dǎo)學(xué)生得出磁場的性質(zhì),在分析出磁場有強(qiáng)弱和方向后,讓學(xué)生通過想象、推理找到能準(zhǔn)確描述磁場的方法,從而試圖描繪出條形磁體周圍的磁場,整個(gè)教學(xué)過程不僅培養(yǎng)了學(xué)生觀察、描述、比較等低階思維,也注重對(duì)學(xué)生辨別、概述、判斷、整合、評(píng)論等高階思維的培養(yǎng),進(jìn)而落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)[3].

1 指向高階思維發(fā)展的實(shí)施環(huán)節(jié)——“發(fā)現(xiàn)磁場存在”

現(xiàn)將課堂教學(xué)片段展示如下:

【演示實(shí)驗(yàn)1】手持1號(hào)條形磁體,使其N極與懸掛的2號(hào)磁體的N極靠近.

師:剛剛的實(shí)驗(yàn)中同學(xué)們看到了什么?——觀察能力.

生:2號(hào)磁體會(huì)運(yùn)動(dòng).

師:為什么會(huì)運(yùn)動(dòng)呢?——解釋能力.

生:受力.

師:其實(shí)生活中也有類似的現(xiàn)象,比如:秋天,樹上的樹葉飄動(dòng),為什么葉子會(huì)動(dòng)呢?——遷移能力.

生:受力.

師:那可能是誰給它的力呢?——分析能力.

生:風(fēng).

師:類比著這個(gè)情景想一想,剛剛這個(gè)2號(hào)磁體為什么會(huì)動(dòng)呢?——推斷能力.

生:它周圍也有一種像風(fēng)一樣的東西.

師:那這種像風(fēng)一樣的東西是誰提供的呢?——識(shí)別能力.

生:1號(hào)磁體.

師:看來1號(hào)磁體周圍可能真有這么一種特殊的東西,一旦它靠近2號(hào)磁體,就相當(dāng)于2號(hào)磁體闖入了這種特殊的物質(zhì)中,那么1號(hào)磁體周圍的這種物質(zhì)就會(huì)對(duì)2號(hào)磁體有力的作用.(停頓)其實(shí)大量研究表明自然界真的存在這樣一種物質(zhì),人們稱它為磁場.而磁場的基本性質(zhì)就是對(duì)放入其中的磁體有力的作用.也就是說,1號(hào)磁體周圍的磁場對(duì)放入其中的2號(hào)磁體有力的作用,所以2號(hào)磁體會(huì)運(yùn)動(dòng).

設(shè)計(jì)意圖:本環(huán)節(jié)從觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象入手,著重培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、解釋、推斷的能力,引導(dǎo)學(xué)生初步猜想出磁體周圍可能存在一種看不見、摸不到的東西——磁場,培養(yǎng)學(xué)生透過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象思考本質(zhì)的意識(shí),進(jìn)而為學(xué)生高階思維的發(fā)展奠定基礎(chǔ).

2 指向高階思維發(fā)展的實(shí)施環(huán)節(jié)——“分析磁場性質(zhì)”

師:磁場看不見也摸不著,和風(fēng)非常類似,那我們?cè)趺囱芯克?可以先想想生活中我們是如何感知風(fēng)的存在呢?——描述、分析能力.

生:葉子飄動(dòng),紅旗飄動(dòng)……

師:為什么可以通過葉子、紅旗等來看呢?(停頓)其實(shí)這些東西都有一個(gè)共同的特點(diǎn),是什么呢?——觀察、分析和概述能力.

生:它們?cè)陲L(fēng)中受力會(huì)動(dòng).

師:哦,研究風(fēng)我們可以利用在風(fēng)中受力會(huì)動(dòng)的物體,那如果想要研究磁場,我們是不是也可以找一個(gè)在磁場中受力會(huì)動(dòng)的物體來研究呢?那找什么呢?——比較、分析和創(chuàng)造能力.

生:磁體.

師:沒錯(cuò),磁場的基本性質(zhì)告訴我們磁場對(duì)放入其中的磁體有力的作用.那這里有幾種磁體(條形磁體、蹄形磁體、環(huán)形磁體、小磁針和橢球形磁體),我們選用哪一種比較好呢?——觀察、比較和分析能力.

生:小磁針.

師:為什么呢?——比較、分析能力.

生:受力更容易動(dòng)起來.

師:好,那我們就用它,大家先來看它的指向有什么特點(diǎn)?——觀察、描述能力.

【學(xué)生活動(dòng)】觀察小磁針指向.

生:和條形磁體一致,紅色端都指向北方,白色端都指向南方.

師:那現(xiàn)在我想要研究1號(hào)磁體周圍的磁場,應(yīng)該怎么做呢?——推理、預(yù)測能力.

生:把小磁針放到1號(hào)磁體周圍.

【演示實(shí)驗(yàn)2】把小磁針放到1號(hào)磁體周圍.

師:大家注意觀察,那這些小磁針相當(dāng)于風(fēng)中的什么?——比較能力.

生:紅旗、樹葉.

師:看看這些小磁針的指向,你發(fā)現(xiàn)了什么?——觀察、概括能力.

生:不同位置小磁針的指向不同.

師:為什么呢?——分析、推理能力.

生:各個(gè)位置受力不一樣.

師:力的什么不一樣?——辨別能力.

生:方向.

師:那看來磁場是有方向的,如果讓你把這一點(diǎn)的磁場方向給標(biāo)注出來,你怎么標(biāo)注呢?——分析能力.

生:用箭頭.

師:那箭頭往哪里指呢?

生:紅色針方向.

師:其實(shí)兩邊都可以,只是我們統(tǒng)一規(guī)定用小磁針N極(也就是大家說的紅色針)指向來表示該點(diǎn)的磁場方向.那其余的位置磁場方向該如何標(biāo)注呢?下面請(qǐng)同學(xué)們嘗試畫在學(xué)案上[圖2(a)],請(qǐng)一位同學(xué)在電視屏幕上完成標(biāo)注.——應(yīng)用、執(zhí)行能力.

圖2 磁場各點(diǎn)的方向

【學(xué)生活動(dòng)】描繪各點(diǎn)磁場方向.

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生通過類比風(fēng)的方式進(jìn)一步確定這種看不見、摸不到的東西——磁場的存在,將磁場中小磁針類比為風(fēng)中的紅旗、樹葉,引導(dǎo)學(xué)生從形象思維到抽象思維進(jìn)行過渡,從而意識(shí)到磁場是有方向的.除培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、比較、描述等必備能力外,著重培養(yǎng)學(xué)生的分析、推理、概括能力.之后引導(dǎo)學(xué)生通過觀察不同位置小磁針的指向去描述條形磁體周圍各點(diǎn)的磁場方向,旨在培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用、執(zhí)行、概述及預(yù)測能力,引導(dǎo)學(xué)生深度挖掘科學(xué)問題,是學(xué)生形成高階思維的必經(jīng)之路.

師:從剛剛的分析中我們發(fā)現(xiàn)磁場中各個(gè)位置方向不盡相同,那強(qiáng)弱會(huì)一樣嗎?——觀察、推理能力.

生:不一樣.

師:你怎么知道的?——觀察、分析的能力.

生:磁極磁性強(qiáng).

3 指向高階思維發(fā)展的實(shí)施環(huán)節(jié)——“描述磁場特點(diǎn)”

師:非常好,看來我們想準(zhǔn)確地描述磁場不光要把方向描述出來,也要把強(qiáng)弱也描述出來,那怎么描述呢?(停頓)其實(shí)我們還可以類比風(fēng),就像這幅圖(圖3),你看它是怎么描繪風(fēng)的?——分析能力.

圖3 對(duì)風(fēng)的描述

生:用線.

師:能給你點(diǎn)啟示嗎?我們可以怎么描述磁場呢?——比較、分析能力.

生:用線條.

師:那會(huì)是什么樣的線條呢?(停頓)仔細(xì)觀察你剛剛畫出的各點(diǎn)方向[圖2(b)],你能發(fā)現(xiàn)什么?——觀察、概述與創(chuàng)造能力.

生:左邊都是往外走,右邊都是往回走,中間是從出來的方向指向回去的方向.

師:那你想象一下它周圍的場線會(huì)是什么樣呢?邊想,可以邊參考這個(gè)鐵屑分布的實(shí)驗(yàn).——觀察、描述與整合能力.

【演示實(shí)驗(yàn)3】條形磁體周圍撒鐵屑[圖4(a)].

圖4 磁場的分布

師:大家可以試著在學(xué)案[圖4(b)]虛線框內(nèi)畫一畫磁體周圍磁場分布.——設(shè)計(jì)能力.

【描述】畫幾條磁感線.

師:這樣的話看看磁場的強(qiáng)弱和方向都表示出來了嗎?方向沒問題,那強(qiáng)弱呢?能看出來嗎?——辨別、推理能力.

生:磁極附近磁場較強(qiáng),磁體中部,距離磁體遠(yuǎn)的位置較弱.

師:怎么看出來的呢?——觀察、整合能力.

生:線條的疏密程度.

師:很好,這樣,我們就將條形磁體周圍存在的這種特殊的物質(zhì)——磁場形象地描述出來了,其實(shí)剛剛我們所用到的這種帶箭頭的曲線在物理學(xué)中就叫做磁感線.它是為了描述磁場而人為建構(gòu)的一種物理模型.

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)基于之前的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生嘗試描述磁場,明確要想清楚描述出磁場必須想辦法同時(shí)描述出磁場的大小和方向,從而再一次類比風(fēng)的描述,通過磁場方向的描述尋找規(guī)律,嘗試預(yù)測條形磁體周圍的磁場分布,再結(jié)合條形磁體周圍鐵屑的分布情況描述出磁場,從而建構(gòu)磁感線模型.本環(huán)節(jié)除了能培養(yǎng)學(xué)生的觀察、比較、分析、描述等基礎(chǔ)能力外,還加入了對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)、概述、辨別、整合和創(chuàng)造能力的培養(yǎng),真正讓學(xué)生形成高階思維.

4 指向高階思維發(fā)展的實(shí)施環(huán)節(jié)——“關(guān)注物理模型建構(gòu)過程”

以上教學(xué)將建構(gòu)磁感線模型分為3個(gè)階段,將教學(xué)適當(dāng)“放慢”,旨在落實(shí)每一個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo),思維層層遞進(jìn),更好地培養(yǎng)學(xué)生觀察、描述、分析、推理、辨別、預(yù)測、整合、交流和創(chuàng)造的能力,從而發(fā)展學(xué)生的高階思維,切實(shí)落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng),達(dá)到真正育人的目的(見表1).

表1 “磁感線”模型建構(gòu)中學(xué)生思維水平發(fā)展

回顧教學(xué)設(shè)計(jì)中的3個(gè)主要教學(xué)階段:在第一階段,引導(dǎo)學(xué)生觀察同名磁極相互排斥的實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生初步感知磁體周圍存在某些特殊的物質(zhì),從而猜想磁體周圍有磁場,培養(yǎng)學(xué)生觀察、識(shí)別、解釋、比較、推斷的能力,學(xué)生認(rèn)知層次處于低階思維.在第二階段,引導(dǎo)學(xué)生通過類比風(fēng)進(jìn)一步研究磁場,通過觀察條形磁體周圍小磁針的指向意識(shí)到磁場有方向,引導(dǎo)學(xué)生從形象思維過渡到抽象思維,培養(yǎng)學(xué)生分析、識(shí)別、推理、概述、應(yīng)用及執(zhí)行能力.學(xué)生認(rèn)知層次處于由低階思維向高階思維過渡階段,其中,辨別、預(yù)測、分析和概述均屬于高階思維層次.第三階段,教師并未立即演示撒鐵屑的實(shí)驗(yàn),而是讓學(xué)生根據(jù)磁場方向發(fā)現(xiàn)規(guī)律,進(jìn)行想象,再結(jié)合鐵屑在條形磁體周圍的分布最終創(chuàng)造出描述磁場的具體方法,從而建構(gòu)出磁感線這一物理模型,學(xué)生認(rèn)知層次處于高階思維.以上3個(gè)階段階梯式提升學(xué)生的認(rèn)知層次,其目的是讓學(xué)生經(jīng)歷模型建構(gòu)的過程,深刻領(lǐng)悟建構(gòu)模型的方法,從而真正達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生高階思維的目的.

其實(shí)物理建模在中學(xué)物理中是一種非常重要的科學(xué)方法,在解決實(shí)際問題和認(rèn)識(shí)客觀世界中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用.借助“模型”概念尋找客觀世界的真實(shí)規(guī)律是一個(gè)必經(jīng)的過程.當(dāng)遇到實(shí)際問題時(shí),首先可以引導(dǎo)學(xué)生通過直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象感知它的存在,為了進(jìn)一步研究其性質(zhì),可以找到或者構(gòu)建一些適合的模型來形象地描述它,之后再利用所構(gòu)建的模型去研究更加抽象、復(fù)雜的問題.從簡單模型到復(fù)雜模型,從理想模型到實(shí)際問題是一個(gè)循序漸進(jìn)逐步認(rèn)識(shí)客觀世界的過程.當(dāng)然物理模型也不是一成不變的,它經(jīng)常會(huì)隨真實(shí)情境條件變化而變化.所以模型建構(gòu)的過程就是從實(shí)際問題到現(xiàn)象感知到建構(gòu)模型再到模型檢驗(yàn),最后是模型應(yīng)用,這便是物理模型建構(gòu)的一般思路,如圖5所示.因此,創(chuàng)設(shè)基于模型建構(gòu)的科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境,有助于學(xué)生建模思維的發(fā)展和解決問題的能力.

圖5 模型建構(gòu)的一般思路(以“磁感線”模型建構(gòu)為例)

5 結(jié)束語

真實(shí)的物理教學(xué),應(yīng)該關(guān)注對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng).合理地設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生從低階思維邁向高階思維的有效途徑,是提高學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的基礎(chǔ).只有在教學(xué)中注重對(duì)學(xué)生科學(xué)研究方法的培養(yǎng),同時(shí)關(guān)注學(xué)生高階思維的發(fā)展,才能使學(xué)生將科學(xué)探究與科學(xué)思維相融合,進(jìn)而增強(qiáng)其創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力,以更好地落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng),真正將立德樹人的根本任務(wù)落到實(shí)處,為國家科技進(jìn)步培養(yǎng)更多優(yōu)秀人才.