以“幾種常見的磁場”教學為例淺談科學思維的培養(yǎng)

(浙江省慈溪中學,浙江 寧波 315300)

新一輪課改明確提出要培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng),物理核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態(tài)度與責任”4個方面．相較于三維目標,物理核心素養(yǎng)直接將科學思維提了出來．從某種意義上說,聚焦物理核心素養(yǎng)的實質,就是在知識建構和方法習得的基礎上,注重學生科學思維的培養(yǎng)．從學科內容來看,物理作為一門以研究物質及其運動為基礎的學科,對于學生核心素養(yǎng)的發(fā)展最重要的貢獻也正是樹立科學意識和掌握科學思維的方法．筆者以“幾種常見的磁場”教學為例,就物理核心素養(yǎng)中科學思維的培養(yǎng)方法展開討論．

1 課堂和生活相聯系的科學思維

生活是物理課堂的源泉,也是物理教學的根基和落腳點．物理知識的學習過程是學生從經驗到理論的轉化、從生活到科學的上升過程．新課程標準強調要加強物理知識與實際生活的聯系,把滲透物理知識的實際應用作為當前物理改革的方向,也體現了從生活走向物理、從物理走向生活的理念．

因此,在課堂教學中應當充分挖掘物理學科聯系實際生活的素材,用生動、豐富的生活事例或實驗來豐富教學內容,優(yōu)化教學過程,這是活化物理教學,提高學生物理知識建構的有效途徑．

教學環(huán)節(jié):用生活中的一個趣味小實驗——磁懸浮列車模型作為引入,把地球周圍的磁場、核磁共振儀的應用作為補充,充分激發(fā)學生的學習興趣,調動課堂氣氛,使知識的認知變得形象化、趣味化、生動化和生活化,這是物理來源于生活,取材于生活最好的詮釋．在知識應用的環(huán)節(jié),拋出問題留給學生課后思考:銀行卡磁條周圍的磁場分布是怎么樣的?這一教學環(huán)節(jié)滲透了物理知識回歸生活,反饋生活的教學理念(見圖1)．

2 局部和整體相協調的科學思維

作為教師,應該引導學生理順知識的內部結構和關系,用高屋建瓴的視角看待整節(jié)課的知識

5 結語

內容;以整體的眼光組織、設計和處理各知識點的關系,培養(yǎng)學生在整體中、聯系中、比較中學習的能力,從而幫助學生將知識由點及面,形成立體、開放、整體的知識結構．

教學環(huán)節(jié):在探究幾種常見的磁場分布特點時,由條形磁鐵著手,進一步研究電流周圍的磁場分布特點．教學內容結構化的處理,教學方式遞進式的安排,充分考慮了各個環(huán)節(jié)內在的邏輯關系,既符合知識內容本身的邏輯,也符合學生認知和建構的邏輯．從條形磁鐵——直線電流——環(huán)形電流——通電螺線管4種模型,彼此看似無關且獨立,實為層層遞進,最終由安培分子環(huán)流假說把幾個模型進行了統一．這一教學環(huán)節(jié)中,通過為學生搭建合理的思維階梯,從而達到科學思維培養(yǎng)的效果(見圖2)．

圖2

3 抽象和具象相統一的科學思維

抽象和具象相統一的原則,是指人類在認識客觀事物的過程中,從具體到抽象,再從抽象到具象的統一,是學生獲得正確認知并不斷深化的過程．一般來說,學生知識的形成和掌握過程,往往需要經歷從抽象到具象,再從具象到抽象的過程．有時甚至需要經過多次反復結合,學生對概念的認知、對規(guī)律的理解才會完整而深入,不然只會是干巴巴的結論．從抽象到具象的過程,可以使學生獲得生動的、感性的認識,但是這種感性認識往往是淺顯的、表面化的,并沒有揭露知識的本質．而真正的理解和認知,必須在此基礎上再進行科學的抽象,通過科學分析和概括,得到知識的本質規(guī)律．這就是所謂的從具象回到抽象,由理性認知回到感性認知．

在本節(jié)課的教學中,充分利用演示實驗、學生分組實驗、板書、模型展示、Flash動畫等直觀的教學手段,使學生獲得豐富具體的感性認識和體驗．

教學環(huán)節(jié):在探究條形磁鐵周圍的磁場分布特點時,筆者在布滿小磁針的塑料板槽口位置,放上條形磁鐵．學生通過觀察,發(fā)現塑料板上小磁針的排布和指向呈現出對稱性．條形磁鐵不動,以軸線為中心轉動塑料板,發(fā)現在空間各平面上小磁針的指向和分布仍然保持不變．在這一教學環(huán)節(jié)中,從磁感線平面分布模型慢慢過渡到立體分布模型．把抽象知識還原到具體的實物情境中,化單一枯燥的學習為形象直觀的體驗,增強學生的感受力和理解力．同時通過播放條形磁鐵磁感線3D動畫,展示條形磁鐵的空間磁場分布特點,加深學生的感性認識．教學中獲得具象的“感性認識”并不是目的,而只是一種手段,有助于學生更好地掌握規(guī)律,形成概念(見圖3)．

圖3 條形磁鐵周圍磁感線分布模型

教學環(huán)節(jié):在探究直線電流周圍的磁場分布特點時,為加深學生對于安培定則的理解,設置了學生自制教具的教學環(huán)節(jié)．用白紙卷成細長的圓柱體表示直線電流的模型,標上箭頭表示電流方向．通過觀察鐵屑模擬直線電流周圍磁感線的演示實驗,在另一張白紙上畫出磁感線分布形狀．同桌合作,把直線電流模型插到磁感線圓心處,便得到了磁感線分布形狀的立體模型．進一步展示筆者自制的多平面磁感線分布模型,加深學生對于直線電流周圍空間磁場分布模型的感性體驗和認知(見圖4)．

圖4

在這一教學環(huán)節(jié)中,采用自制教具進行輔助教學,有助于學生親自觀察、親身體會,有助于調動學生課堂的參與度,激活學生形象思維,從而突破難點,強化理解．

教學環(huán)節(jié):在探究環(huán)形電流周圍的磁場分布特點時,筆者用帶箭頭的呼啦圈來模擬環(huán)形電流．呼啦圈代表環(huán)形導線,箭頭方向表示電流方向．首先,采用微元的思想,從理論的角度分析了環(huán)形電流周圍的磁場分布特點．請學生上臺,用判斷直線電流周圍磁場方向的安培定則,演示環(huán)形電流上每一個電流元周圍的磁場方向．最終得到判斷環(huán)形電流周圍磁場方向的安培定則(見圖5)．

圖5

學生上臺演示的教學活動,用教學情景刺激學生的身體感知,調動學生多方位的感受,用口動、手動、身動的結合來激發(fā)學生的學習興趣,提高學習質量,加深感性認知．同時,通過建立直線電流、環(huán)形電流兩類模型之間的聯系,幫助學生更好地構建環(huán)形電流的磁場分布立體模型．

物理課程標準指出:“通過科學想象和科學推理方法的結合,發(fā)展學生的想象力和分析概括能力,使學生形成良好的思維習慣”．抽象概括思維是科學思維的一種重要形式,是發(fā)展創(chuàng)造性思維的前提和基礎,對科學思維的培養(yǎng)具有至關重要的作用．要在具體的感性認知的基礎上,培養(yǎng)學生分析歸納、抽象概括的能力,從而掌握事物的本質和規(guī)律．這是物理學習過程中從具象回到抽象的過程．引導學生通過比較、總結和歸納的方法,得出3種模型中電流方向和磁場方向關系的安培定則,是必不可少的教學環(huán)節(jié)．

4 定性和定量相結合的科學思維

定性分析和定量探究是物理教學中常用的兩種方法．定性分析是通過對物理問題的分析、解構,重新構建理想化的物理模型,再用物理知識定性地解釋物理現象,描述物理規(guī)律的過程．定量研究是在定性分析的基礎上,將物理模型清晰化,用適當的數學方法求出精確解的過程．定性分析更多側重于對于問題的整體把握和理解,而定量分析則更利于抓住問題的本質．

教學環(huán)節(jié):在探究條形磁鐵、直線電流、環(huán)形電流、通電螺線管等基本模型的磁場分布特點時,均采用了定性分析的方法．用鐵屑模擬法,模擬了周圍磁感線分布形狀,解決了“看不見、摸不著的磁感線如何描述”的問題．同時引導學生回顧了描述磁場方向的方法:小磁針靜止時N極所指的方向是某一點的磁場方向(見圖6)．

圖6 定性分析：鐵屑模擬法

在空間某一位置具體的磁感應強度大小是多少?如果想要得到更直觀、更有說服力的實驗結論,則必須要由定性分析上升到定量探究．從定性到定量的探究,也符合科學探究的基本思路．筆者以通電螺線管為例,用磁傳感器定量探究了通電螺線管內部磁感應強度的大小,并做出磁感應強度的大小隨位置變化的圖像．實驗發(fā)現,通電螺線管內部的磁感應強度大小,在一定范圍內保持不變(見圖7)．

圖7 定量探究：磁傳感器測量法

綜上,以“幾種常見的磁場”教學為例,闡述了科學思維培養(yǎng)的4種基本方法:課堂和生活相聯系、局部和整體相協調、抽象和具象相統一、定性和定量相結合,力求在物理課堂教學過程中使學生形成科學思維、樹立科學意識、提升核心素養(yǎng)．