基于核心素養(yǎng)的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)探討
——以“楞次定律”為例

張國泉

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)，江蘇 南京 210003)

物理學(xué)科的核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“實(shí)驗(yàn)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面。如果我們的課堂是填鴨式的，僅有教師的講授，缺失學(xué)習(xí)者的主動(dòng)參與和建構(gòu)，很難真正將上述核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實(shí)處。因?yàn)橐徊降轿恢苯咏o出結(jié)論的教學(xué)，無法使學(xué)生深入理解所學(xué)的知識(shí)，也談不上真正掌握。這樣的教學(xué)更是有悖于科學(xué)的本質(zhì)，因?yàn)榭茖W(xué)講究證據(jù)，避免偏見。若長此以往，將使學(xué)生對(duì)科學(xué)形成錯(cuò)誤的認(rèn)知，認(rèn)為科學(xué)發(fā)展總是一帆風(fēng)順的，甚至?xí)云湃?，不利于核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。著名數(shù)學(xué)家波利亞說：“在教一個(gè)科學(xué)的分支(或一個(gè)理論、一個(gè)概念)時(shí)，我們應(yīng)該讓孩子重蹈人類思想發(fā)展中的那最關(guān)鍵的步子?！币虼俗鳛榻處熥钤撟龅牟皇羌庇趯⒅R(shí)直接交給學(xué)生，而是要回溯到它產(chǎn)生時(shí)的原始狀態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生去經(jīng)歷知識(shí)的發(fā)生過程，即以學(xué)科知識(shí)為載體，以學(xué)習(xí)者為中心，開展合作交流、問題討論等學(xué)習(xí)活動(dòng)。當(dāng)知識(shí)成為學(xué)生探究與實(shí)踐對(duì)象的時(shí)候，其學(xué)習(xí)過程必將是核心素養(yǎng)發(fā)展的過程?；谝陨系恼J(rèn)識(shí)，筆者針對(duì)“楞次定律”的教學(xué)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的流程，具體可分為6個(gè)環(huán)節(jié)，現(xiàn)闡述每一個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)意圖以及具體操作，與同行交流。

圖1

1 觀察現(xiàn)象，科學(xué)猜想

楊振寧先生說：“絕大部分物理學(xué)是從現(xiàn)象中來的，現(xiàn)象是物理學(xué)的根源?！币虼藙?chuàng)設(shè)相關(guān)情境，使學(xué)生觀察后有所關(guān)注、有所聯(lián)想，從而發(fā)現(xiàn)、提出物理問題。筆者先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，用磁鐵的不同磁極插入或拔出左側(cè)線圈(圖2)，并設(shè)計(jì)了以下問題。

圖2

問題1：你觀察到了那些現(xiàn)象？這些現(xiàn)象說明了什么？

設(shè)計(jì)意圖：使學(xué)生通過觀察發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)中不僅產(chǎn)生了感應(yīng)電流，而且不同操作引起的二極管發(fā)光情況不同，也就是說產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向不同，引出課題：探究感應(yīng)電流方向的規(guī)律。

問題2：感應(yīng)電流的方向可能與哪些因素有關(guān)？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生明了探究活動(dòng)的方向和內(nèi)容，科學(xué)發(fā)現(xiàn)中最活躍的因素是直覺、猜想與假設(shè)。猜想是形成假設(shè)的前期準(zhǔn)備，假設(shè)起著指向作用，只有做出科學(xué)的假設(shè)，才能確立探究活動(dòng)的方向和內(nèi)容。

問題3：哪些因素可歸納為一個(gè)的因素？

設(shè)計(jì)意圖：針對(duì)學(xué)生提出的不同猜想，進(jìn)一步確定探究的方向，即影響感應(yīng)電流方向的兩個(gè)可能因素：磁場的方向和磁通量的變化。

2 設(shè)疑集思，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

科學(xué)需要證據(jù)，這就要求學(xué)生能設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)探究方案，在實(shí)驗(yàn)中采集數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得證據(jù)。而采集、記錄數(shù)據(jù)的方式應(yīng)盡可能簡單明了，有利于學(xué)生更好地基于證據(jù)找尋規(guī)律，筆者設(shè)計(jì)了以下問題。

問題4：實(shí)驗(yàn)中二極管的發(fā)光情況說明感應(yīng)電流的方向有所不同，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，幫助我們更直觀記錄感應(yīng)電流的方向。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，引導(dǎo)學(xué)生借助電流計(jì)的指針偏向直觀地展示感應(yīng)電流的方向(圖3)。

圖3

問題5：如何記錄感應(yīng)電流的方向？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生借助干電池的正負(fù)極，運(yùn)用試觸的辦法來確定感應(yīng)電流的方向與靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系。

問題6：應(yīng)該記錄哪些信息？如何記錄？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)方案操作和實(shí)驗(yàn)?zāi)康模鞔_應(yīng)該記錄的信息，并用表格的方式呈現(xiàn)(表1)。

表1

3 分組實(shí)驗(yàn)，探索研究

學(xué)科知識(shí)只是培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)的載體，而學(xué)科活動(dòng)才是培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)的渠道。因此，要轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式，倡導(dǎo)深度學(xué)習(xí)與協(xié)作學(xué)習(xí)。每4人組成一個(gè)小組，協(xié)同合作，完成實(shí)驗(yàn)，并提出以下問題。

問題7：小組成員協(xié)同操作并記錄，討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果背后有何規(guī)律？

設(shè)計(jì)意圖：通過分組實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生在探究過程中，主動(dòng)與他人合作，協(xié)同完成任務(wù)并交流分享，準(zhǔn)確表述、評(píng)估和反思實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果(表2)。

表2

問題8：請(qǐng)各小組派代表跟大家分享，你們組有什么發(fā)現(xiàn)？對(duì)小組代表的發(fā)言，其他組的同學(xué)可以提問。

設(shè)計(jì)意圖：為學(xué)生提供充分表達(dá)的機(jī)會(huì)，鼓勵(lì)學(xué)生準(zhǔn)確而富有邏輯地進(jìn)行表達(dá)，評(píng)估結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋，并引起他人的討論與思考，通過交流確定感應(yīng)電流的特點(diǎn)，并初步得出結(jié)論。

4 綜合分析，得出結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行思考、分析，發(fā)現(xiàn)事物間的聯(lián)系和規(guī)律，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行必要的解釋，合理地說明事物聯(lián)系、變化的原因，問題設(shè)計(jì)如下。

問題9：我們猜想的因素之一為原磁場的方向，現(xiàn)在我們得到了感應(yīng)電流的方向(順時(shí)針或逆時(shí)針方向)，能否找到一個(gè)“中介”來進(jìn)行研究？

設(shè)計(jì)意圖：在處理實(shí)驗(yàn)信息時(shí)，要讓學(xué)生依據(jù)事實(shí)、運(yùn)用邏輯方法確立物理量之間的關(guān)系，從而發(fā)展學(xué)生基于已知、依據(jù)證據(jù)、運(yùn)用推理、大膽創(chuàng)新進(jìn)行科學(xué)論證和解釋的能力，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想到可以借助感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場來進(jìn)一步研究(圖4)。

圖4

問題10：當(dāng)磁通量增加時(shí)B感與B原反向，當(dāng)磁通量減少時(shí)B感與B原同向。可否進(jìn)一步歸納、描述規(guī)律？

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)思維是對(duì)客觀事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，包括分析綜合、推理論證等。要求學(xué)生能通過科學(xué)推理，形成規(guī)律性認(rèn)識(shí)。

問題11：剛才這一認(rèn)識(shí)是否具有普遍性呢？如何才能把它作為一條定律確定下來？

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面，要求學(xué)生在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)等的基礎(chǔ)上，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任。物理研究的成果具有相對(duì)持久性、普適性，同時(shí)也可能具有局限性，最終確定感應(yīng)電流方向判斷的規(guī)律——楞次定律(圖5)。

圖5

5 深入討論，揭示本質(zhì)

物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念具有關(guān)聯(lián)性，因此從不同角度分析研究，建立各個(gè)物理觀念間的聯(lián)系，有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)物理規(guī)律的本質(zhì)，問題設(shè)計(jì)如下。

問題12：畫出感應(yīng)電流的產(chǎn)生的磁場方向，結(jié)合條形磁鐵的運(yùn)動(dòng)，你有什么發(fā)現(xiàn)？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生從動(dòng)力學(xué)角度分析出感應(yīng)電流的磁場總是在阻礙條形磁鐵與線圈間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(圖6)，從而引發(fā)學(xué)生從能量角度進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖6

問題13：條形磁鐵總是在克服感應(yīng)電流的磁場力做功，意味著能量在發(fā)生怎樣的轉(zhuǎn)化？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)楞次定律的本質(zhì)，即產(chǎn)生感應(yīng)電流的過程是實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化的過程，從而形成更為深刻、準(zhǔn)確的物理觀念。

6 實(shí)踐應(yīng)用，總結(jié)方法

學(xué)生自主建構(gòu)的知識(shí)具有很強(qiáng)的遷移應(yīng)用的活力，通過問題的分析、解決，加深學(xué)生對(duì)所獲取知識(shí)的理解，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力，設(shè)計(jì)的問題如下。

問題14：請(qǐng)判斷圖7中ab棒中的電流方向，感應(yīng)電流的受到的安培力會(huì)使得ab棒速度如何變化？

圖7

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生利用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向，并進(jìn)一步體會(huì)楞次定律的本質(zhì)，即能量的轉(zhuǎn)化，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出右手定則。

問題15：觀察如圖8所示的實(shí)驗(yàn)，你能否運(yùn)用今天所學(xué)的楞次定律解釋小磁鐵在鋁管中下落得較慢的現(xiàn)象？

圖8

設(shè)計(jì)意圖：通過與學(xué)生預(yù)設(shè)相沖突的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)楞次定律中“阻礙”的涵義。

7 結(jié)語

“楞次定律”是高中物理的重要內(nèi)容，上述針對(duì)這節(jié)內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計(jì)一言以蔽之：以實(shí)驗(yàn)為載體、問題為核心，促進(jìn)學(xué)生思維的螺旋式上升，提升他們的核心素養(yǎng)。著名物理學(xué)家、教育家陳佳洱先生指出：“物理學(xué)不只是圖表和數(shù)據(jù)，它能帶給你很多更珍貴的東西：理性的思維方式、人生的哲學(xué)和人生的道路?！被谖锢砗诵乃仞B(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，是在研究課程標(biāo)準(zhǔn)和教材的基礎(chǔ)上，確定教學(xué)目標(biāo)以及教學(xué)流程，這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)將有助于教師從知識(shí)本位轉(zhuǎn)向核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，關(guān)注物理學(xué)的文化取向，實(shí)現(xiàn)物理課程的育人價(jià)值，把對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實(shí)處。