還原知識產(chǎn)生 凸顯科學(xué)思想
——以《指南針為什么能指方向》的教學(xué)為例

□趙 亮

（嘉善縣天凝中學(xué)，浙江嘉善 314109）

一、教的指向：教科學(xué)知識還是教科學(xué)思想

有個問題一直在拷問著我，我們究竟是在教科學(xué)知識還是在教科學(xué)？如果是前者，我想我們僅僅是知識的搬運(yùn)工，我們的教僅停留于傳遞輸送知識上，而科學(xué)這門學(xué)科的真正價值和意義是能讓學(xué)生像科學(xué)家那樣發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、分析問題和解決問題，全面提高科學(xué)素養(yǎng)。這就需要我們重新審視我們的教學(xué)。

因此，在科學(xué)教學(xué)中，我們在教給學(xué)生知識的同時，更要注重知識的原始產(chǎn)生和發(fā)展過程，凸顯知識背后所蘊(yùn)含的科學(xué)思想和方法。知識是無法窮盡的，也是暫時的，但科學(xué)思想和方法則是永恒的、穩(wěn)定的。因此，我們在教學(xué)中要追求知識、過程和思想方法的統(tǒng)一。思想方法的遷移為問題解決提供了方向，而問題解決中也會萌生思想和方法，體現(xiàn)思想方法的教育必將會促進(jìn)學(xué)習(xí)的主動性和遷移性[1]。例如，在浙教版義務(wù)教育教科書《科學(xué)》的《指南針為什么能指方向》這一課的教學(xué)過程中，筆者始終以科學(xué)思想和方法為主線、為明線，讓學(xué)生親歷知識是怎么來的，科學(xué)家是如何思考、如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的，從而讓學(xué)生自主、自覺地獲取知識，真正領(lǐng)悟知識背后所蘊(yùn)含的科學(xué)思想和方法。以下是教學(xué)設(shè)計(jì)和思考。

二、學(xué)的設(shè)計(jì)：追求科學(xué)思想和方法的教學(xué)路徑

（一）創(chuàng)設(shè)情境，引出課題——還原知識背景

【學(xué)的設(shè)計(jì)1】以學(xué)習(xí)小組為單位提供給學(xué)生一小塊磁泥，讓其用磁體靠近，觀察有何現(xiàn)象會發(fā)生。通過體驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用磁體靠近磁泥后，磁泥會伴隨著磁體的靠近或移動而變換出各種各樣有趣的形態(tài)（如圖1所示）。

圖1 磁泥在磁場中的奇妙變化

【學(xué)的設(shè)計(jì)2】緊接著設(shè)置一個開放性的任務(wù)：讓桌面上的小磁針轉(zhuǎn)動起來。此時，有的學(xué)生用手指、筆或書本來觸動它，有的學(xué)生則用磁體靠近使其轉(zhuǎn)動起來。

師：這些方案都完成了此項(xiàng)任務(wù)，很顯然小磁針的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生了改變，這說明了什么？

生：這些方式都對磁針產(chǎn)生了力的作用。

師：那么用手指、筆或書本和用磁體對小磁針產(chǎn)生力的作用有何不同？

生：手、筆、書都是直接接觸，而磁體僅僅是靠近；手、筆的驅(qū)動方向主要在于用力方向，而磁體的驅(qū)動方向主要在于不同的磁極。

［評析］這樣的具有趣味性的情境和開放性的任務(wù)，讓學(xué)生不禁對此神奇的現(xiàn)象產(chǎn)生疑惑和好奇，大大激發(fā)起學(xué)習(xí)興趣。這也很自然地引出了磁場這一概念，為后續(xù)的探究埋下了伏筆。歷史上對磁場的探究無非也是基于對生活的觀察，從產(chǎn)生的疑問開始的，這也很好地還原了知識產(chǎn)生的背景。

（二）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究磁場——還原思維邏輯

【學(xué)的設(shè)計(jì)3】先讓學(xué)生嘗試用一枚小磁針擺放于磁體周圍的不同位置，并進(jìn)行觀察。

師：你發(fā)現(xiàn)了什么？

生：用一枚小磁針感覺比較雜亂，規(guī)律很難探尋。

師：為了更為清晰的找到規(guī)律，你需要什么？

生：需要更多的小磁針。

順著學(xué)生的思路，教師提供給學(xué)生多枚小磁針，同時放置于磁體的周圍進(jìn)行觀察，尋找規(guī)律。學(xué)生通過觀察初步發(fā)現(xiàn)小磁針的北極都朝向磁體的南極，小磁針的南極都朝向磁體的北極。教師讓學(xué)生在小磁針的位置初步畫出北極的朝向。

【學(xué)的設(shè)計(jì)4】雖然通過更多枚的小磁針有所發(fā)現(xiàn)，但規(guī)律依然很模糊。如果我們需更全面、更清晰、更準(zhǔn)確地探尋到磁場的特點(diǎn)和規(guī)律，就這幾枚小磁針行嗎？

生：小磁針能否再多一點(diǎn)，但要更小一點(diǎn)，否則放不下。

師：那么，從哪里可以找到更小的小磁針呢？

生：磁化后的鐵屑就相當(dāng)于一枚枚小磁針??！

順著學(xué)生的思路，教師提供給學(xué)生鐵屑以進(jìn)一步深化實(shí)驗(yàn)和觀察（如圖2所示）。

圖2 探尋磁體周圍的磁場

［評析］磁場雖然是真實(shí)存在的，但它是無形的，既看不到，也摸不到，那么磁體周圍的磁場究竟是怎樣的呢？我們認(rèn)識它只能通過放入其中的小磁針受力情況來探尋其背后的規(guī)律和特點(diǎn)。從一枚小磁針放到不同的位置去觀察，到同時多枚小磁針放置于不同位置再觀察，依然不足以（太大，太少）找到清晰的規(guī)律。這不斷地讓學(xué)生產(chǎn)生思維障礙和阻力，教師繼續(xù)啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生得出需要更多更小的小磁針，于是就自然而然想到磁化后的鐵屑。這樣使得整個實(shí)驗(yàn)層層遞進(jìn)，步步深入，讓學(xué)生進(jìn)一步理解了科學(xué)家為何如此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的用意和思維，從而也能像科學(xué)家一樣思考問題、分析問題、解決問題：不是為了實(shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)，為了探究而探究，而是有一種思想在牽引，有一種思維在驅(qū)動。

【學(xué)的設(shè)計(jì)5】繼續(xù)讓學(xué)生將小磁針固定于直尺的一端（如圖3所示），順著鐵屑的分布軌跡移動直尺并觀察小磁針的變化。學(xué)生在這樣的體驗(yàn)中清晰地觀察到小磁針的變化始終是順著鐵屑的分布軌跡。

圖3 磁場的動態(tài)呈現(xiàn)

［評析］該設(shè)計(jì)將磁場靜態(tài)的分布轉(zhuǎn)化為動態(tài)的變化，給學(xué)生不一樣的體驗(yàn)和感受。它通過小磁針動態(tài)變化的連續(xù)性帶動了學(xué)生思維的發(fā)展，加深了學(xué)生對磁場分布的理解。

（三）繪磁感線，感悟模型——還原科學(xué)模型的創(chuàng)造過程

【學(xué)的設(shè)計(jì)6】借助實(shí)驗(yàn)的不斷深入，通過鐵屑在磁場中有規(guī)律的分布，讓學(xué)生嘗試在紙上用線條畫出鐵屑的分布。隨著一條條線的出現(xiàn)，學(xué)生直觀形象地感知磁場的規(guī)律和特點(diǎn)。此時，教師水到渠成地介紹“法拉第最早引入磁感線”這一科學(xué)史，同時讓學(xué)生體會比較剛才所畫鐵屑分布的一條條線和科學(xué)史中法拉第引入的磁感線的相似點(diǎn)。

［評析］這樣的設(shè)計(jì)使磁感線的引入不突兀，而是順理成章，也讓學(xué)生更為深刻地領(lǐng)悟科學(xué)家為什么要引入磁感線這一模型。模型的產(chǎn)生絕對不是憑空產(chǎn)生出來的，而是為了解決問題。鐵屑只能解決磁場分布情況問題，無法解決方向問題，小磁針容易解決磁場方向問題，但磁場分布比較模糊，把線帶上方向箭頭，便綜合了小磁針和鐵屑的優(yōu)點(diǎn)，這樣的模型既解決了分布問題，也解決了方向問題。該設(shè)計(jì)就是要讓學(xué)生參與該模型建構(gòu)的全過程，明白該模型將抽象的、無形的卻真實(shí)存在的磁場進(jìn)行具象化、有形化地呈現(xiàn)，也更好地理解科學(xué)家建立磁感線模型的意義和價值。

（四）充實(shí)實(shí)驗(yàn)，感受立體——還原立體的磁場

【學(xué)的設(shè)計(jì)7】磁體周圍磁場僅存在于平面內(nèi)嗎？如果不是，你又如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？

生：可以在磁體周圍搭建支架，然后放置小磁針或鐵屑進(jìn)行觀察。

順著學(xué)生的思維，教師展示立體磁場，以及自制教具（大試管中裝有洗滌劑并放入鐵屑，大試管中間再套入帶有條形磁鐵的小試管），待靜止后觀察便呈現(xiàn)如圖4所示的狀態(tài)。

圖4 呈現(xiàn)磁體周圍的立體磁場

［評析］由于之前的實(shí)驗(yàn)均是在一個平面上完成的，難免會讓學(xué)生簡單地認(rèn)為磁場的分布就是在一個平面上的，從而走入理解的誤區(qū)。這樣就會對磁場的認(rèn)識不到位、不全面和不準(zhǔn)確的。因此，教師在教材原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了補(bǔ)充，讓學(xué)生親眼看到、親身體驗(yàn)到磁場的分布是立體的，它不僅僅存在于一個平面上，從而幫助學(xué)生走出思維的誤區(qū)。自制教具，也更形象地讓學(xué)生感知到磁場的立體分布。

（五）遷移科學(xué)思想，探尋地磁場規(guī)律——還原思想和方法的遷移

【學(xué)的設(shè)計(jì)8】在學(xué)習(xí)地磁場的時候，先讓學(xué)生觀察放置于桌面上的一枚枚小磁針。

師：通過觀察，發(fā)現(xiàn)我們桌面上的小磁針靜止后有何規(guī)律嗎？

生：感受到桌面上的小磁針?biāo)坪跤幸欢ㄒ?guī)律，都是南北朝向。

根據(jù)Arrhenius方程將lnk對T-1作圖，得到圖8直線。由圖8直線方程可求得溶出活化能：E=7.23 kJ·mol-1，溶出動力學(xué)方程：1-(1-x)2/3=0.208 5 exp(-7 234/RT)t。由此結(jié)果可以看出，熟料中鐵的溶出活化能較低，在外擴(kuò)散控制的活化能范圍之內(nèi)，因此溶出過程較容易，所需的溶出溫度亦不高。

師：你們再次觸碰后，繼續(xù)觀察。

生：等待小磁針靜止后，依然是南北朝向。

師：這說明什么呢？

生：是不是我們周圍也存在著無形的磁場？

師：那僅憑這幾枚小磁針就可以證明我們周圍也存在著磁場嗎？

生：不足以，因?yàn)榈厍蚝艽蟆?/p>

生：我們需要更多的小磁針，擺放在更多的位置。

生：需要在世界不同地方再做實(shí)驗(yàn)，然后觀察現(xiàn)象，避免偶然性。

這時，學(xué)生會很自然地將之前研究條形磁體、馬蹄形磁體磁場分布的思想方法進(jìn)行遷移，提到用更多的小磁針到更多的地點(diǎn)去發(fā)現(xiàn)，去探尋。于是，教師提供給每個學(xué)習(xí)小組一個被掏空了的地球儀（內(nèi)置條形磁鐵），讓其在不同位置放置小磁針繼續(xù)觀察（如圖5 所示），并自行尋找規(guī)律。學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)地磁場的分布與條形磁體磁場的分布是非常相似的這一規(guī)律和特點(diǎn)。最后，教師讓學(xué)生將地球儀打開，揭秘其本質(zhì)原因。

圖5 探究地磁場的分布

［評析］整個過程回歸知識（磁場）從平面到立體的過程，整個過程不是由教師直接告知，而是引導(dǎo)學(xué)生遷移科學(xué)思想和方法，同時借助自制教具，讓其自主探究、自主發(fā)現(xiàn)、自己獲得。這不僅解決了指南針為什么能指方向的問題，而且將習(xí)得的科學(xué)研究方法、科學(xué)思想進(jìn)行遷移。為了使學(xué)生通過該模型深入認(rèn)識地磁場，教師將地球儀掏空，里面直接放入條形磁體，然后在其周圍放置數(shù)枚小磁針，讓學(xué)生進(jìn)行觀察。通過這樣的感性體驗(yàn)，使地磁場的概念扎根于學(xué)生心中，這樣的設(shè)計(jì)也有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)建模的意識和能力。

三、結(jié)束語

總之，科學(xué)教育的核心和關(guān)鍵必然是思維，是思維方式，是思維的發(fā)展。一個學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)高低，除了與他掌握科學(xué)知識的量有關(guān)，更取決于他的科學(xué)思維方式。科學(xué)思想與方法是一種隱含在科學(xué)知識和科學(xué)探究過程中的東西，這種隱性的東西恰恰是科學(xué)素養(yǎng)的重要體現(xiàn)[2]。因此，我們更要揭示隱藏在知識背后的科學(xué)思想和方法，注重教給學(xué)生獲得知識的能力，讓學(xué)生真正面對未來，探索未知，獲得長長久久的適合終生發(fā)展的能力，而不是一時的考試成績，這也必然是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的必經(jīng)之路。