基于思維進(jìn)階的初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

陳華

摘? ?要：學(xué)生的思維進(jìn)階是分階段的，設(shè)計(jì)符合學(xué)生思維進(jìn)階的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)內(nèi)容上的進(jìn)階，還可以發(fā)展學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。文章以初中物理“電流的磁場”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)為例，探討了從經(jīng)驗(yàn)到理論，從具象到抽象，從低級思維向高級思維發(fā)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)流程，變“怎么教”為“怎么學(xué)”，變“教什么”為“學(xué)什么”，真正實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程中尊重學(xué)生的主體性，發(fā)揮教師的主導(dǎo)性作用。

關(guān)鍵詞：思維進(jìn)階;初中物理;實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）5-0029-3

1? ? 引? 言

皮亞杰認(rèn)為“兒童思維的發(fā)展既是連續(xù)的，又是分階段的，發(fā)展階段既不能逾越，也不能逆轉(zhuǎn)，思維總是朝著必經(jīng)的途徑向前發(fā)展的?！盵1]

近年來思維進(jìn)階理論研究成果表明：物理前概念的形成是學(xué)生思維發(fā)展的第一層境界，該階段學(xué)生受經(jīng)驗(yàn)影響較大，思維波動(dòng)性強(qiáng)，人云亦云，缺少獨(dú)立見解;發(fā)現(xiàn)不同是糾正錯(cuò)誤前概念、建立新概念的第二層思維境界，該階段需要學(xué)生學(xué)會(huì)思考，形成自己的思考方法;取長補(bǔ)短是完善認(rèn)知、鞏固概念的第三層思維境界，該階段需要學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)典思維模型并靈活應(yīng)用;創(chuàng)造、創(chuàng)新是思維發(fā)展的第四層境界，該階段需要學(xué)生建立自己的思維模型，構(gòu)建思維體系;化繁為簡是思維發(fā)展的第五層境界，該階段需要學(xué)生用思維體系去解決問題。

學(xué)生的思維進(jìn)階影響著學(xué)習(xí)進(jìn)階，需要學(xué)生自主發(fā)展，也需要教師用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)和引領(lǐng)。

2? ? 問題的提出

電流的磁場看不見、摸不著，是初中物理教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。按蘇科版初中物理教材編排體系，正常的教學(xué)順序是先由奧斯特實(shí)驗(yàn)引入通電導(dǎo)線周圍存在磁場，其方向與電流方向有關(guān);再介紹通電直導(dǎo)線周圍的磁場分布，即以電流為中心的同心圓;最后探究通電螺線管周圍的磁場，得出安培定則。其中，通電直導(dǎo)線周圍的磁場分布是教學(xué)難點(diǎn)之一，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室條件下電流強(qiáng)度不能很大，其周圍磁場比較弱，磁場的顯示比較困難，學(xué)生遇到第一次思維挑戰(zhàn);其次，由直線電流的磁場過渡到通電螺線管周圍的磁場，教學(xué)銜接上需要經(jīng)歷模型轉(zhuǎn)換，學(xué)生經(jīng)歷第二次思維挑戰(zhàn);再次，在探究磁場方向與電流方向關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，螺線管正繞、反繞，電源正負(fù)極互調(diào)，導(dǎo)致螺線管中電流方向出現(xiàn)多種可能，容易出現(xiàn)判斷困難，學(xué)生面對第三次思維挑戰(zhàn)。

3? ? 以“電流的磁場”為例的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

本節(jié)教學(xué)內(nèi)容由經(jīng)驗(yàn)到建模再到理論，從具象到抽象，由低階思維學(xué)習(xí)到高級思維培養(yǎng)。在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)以實(shí)驗(yàn)展開，用實(shí)驗(yàn)來說明和突破學(xué)習(xí)內(nèi)容，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)幫助學(xué)生思維進(jìn)階。

3.1? ? 激趣導(dǎo)學(xué)，由感性具象到抽象邏輯

激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂教學(xué)活動(dòng)的積極性，是每位教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。創(chuàng)設(shè)與學(xué)生生活環(huán)境、知識背景相關(guān)的、學(xué)生感興趣的學(xué)習(xí)情境，通過搭建知識橋梁，讓學(xué)生在觀察、操作、猜測、交流、反思等活動(dòng)中逐漸體會(huì)物理知識的產(chǎn)生、形成與發(fā)展的過程，獲得積極的情感體驗(yàn)是引入課題的重要環(huán)節(jié)。

電流的磁場是揭示電磁聯(lián)系的開場，拉開了研究電磁間本質(zhì)聯(lián)系的序幕。展示電磁在社會(huì)生活中的應(yīng)用無疑是引入課題的最佳選擇。電磁炮（圖1）、電磁秋千、電磁旋轉(zhuǎn)線圈等模型制作簡單，演示現(xiàn)象明顯，且聯(lián)系軍事、社會(huì)、生活，學(xué)生喜歡，也能激發(fā)他們參與設(shè)計(jì)和制作的熱情。

對比電磁炮和磁力炮（圖2）的工作過程，并提出問題：對比它們的工作過程，你有什么發(fā)現(xiàn)？學(xué)生自然明白電磁炮通電產(chǎn)生與磁力炮同樣的作用，從而將電與磁建立起聯(lián)系，認(rèn)識到導(dǎo)體通電后會(huì)有另一種效應(yīng)，即電流的磁效應(yīng)。

創(chuàng)設(shè)一種真實(shí)的、實(shí)用的、具有挑戰(zhàn)性和吸引力的物理情境，以問題的形式組織教學(xué)，有現(xiàn)象、有分析、有評價(jià)，自然地引入課題。

3.2? ? 知識建構(gòu)，化具象為抽象，建立理性具象

教學(xué)對話是知識建構(gòu)的基本途徑，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)則提供事實(shí)和依據(jù)。對真實(shí)的問題進(jìn)行深入的知識建構(gòu)，通過師生之間或生生之間的相互交流，采用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和探究教學(xué)手段，嵌入活動(dòng)的形成性評價(jià)過程是發(fā)展學(xué)生思維進(jìn)階、突破教學(xué)難點(diǎn)的有效途徑。

電流周圍有沒有磁場？電流周圍的磁場分布是什么樣子？這是值得探究的問題。結(jié)合前面磁場的學(xué)習(xí)，學(xué)生頭腦中馬上會(huì)出現(xiàn)很多種模型。如何使學(xué)生克服錯(cuò)誤前概念由探究通電直導(dǎo)線周圍磁場分布的奧斯特實(shí)驗(yàn)（圖3）合理過渡到探究通電螺線管外部磁場分布，是教學(xué)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。

蘇科版初中物理教材為此作了一點(diǎn)鋪墊，補(bǔ)充了“通電直導(dǎo)線周圍的磁場分布，即它的磁感線是以電流為中心的同心圓”[2]（圖4）。教師如何通過直觀的實(shí)驗(yàn)手段幫助學(xué)生進(jìn)行知識建構(gòu)達(dá)到思維進(jìn)階，既反映了教師的教學(xué)智慧，也是進(jìn)行深度教學(xué)的過程。

3.2.1? ? 理論構(gòu)建

（1）從磁場強(qiáng)弱分析

一根通電直導(dǎo)線周圍磁場較弱，對周圍的小磁針或鐵屑的作用很小。采用累積法，如果用多根電流方向相同的直導(dǎo)線并排擺放，每根導(dǎo)線周圍的磁場就可以相互疊加得到增強(qiáng)，對周圍小磁針或鐵屑的作用會(huì)加大，即通過增加導(dǎo)線的根數(shù)來增大磁場。用“多根”導(dǎo)線做成的實(shí)驗(yàn)電纜線（圖5）就是累積法在教學(xué)設(shè)計(jì)中的巧妙應(yīng)用。

用該電纜線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，在貌似一根導(dǎo)線的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了電流強(qiáng)度的成倍數(shù)增大，提高了實(shí)驗(yàn)效果，這種設(shè)計(jì)符合學(xué)生的思維進(jìn)階過程。

（2）從形狀變化探討

直導(dǎo)線周圍有磁場，彎曲的導(dǎo)線周圍磁場又是什么樣子的呢？學(xué)生會(huì)有這樣的好奇心和探究欲望。

教學(xué)中可以類比滑動(dòng)變阻器化直為曲，幫助學(xué)生建立管狀模型。學(xué)生會(huì)聯(lián)想到螺線管的匝數(shù)類似于并排的一根根導(dǎo)線，增加匝數(shù)相當(dāng)于增加了導(dǎo)線的根數(shù)。探究通電直導(dǎo)線周圍的磁場到彎曲導(dǎo)線周圍的磁場，再由弧形導(dǎo)線周圍的磁場到螺旋管狀導(dǎo)體周圍的磁場，這樣的思維進(jìn)階教學(xué)設(shè)計(jì)過渡會(huì)更自然，如圖6所示。

3.2.2? ? 實(shí)驗(yàn)演示

（1）演示通電直導(dǎo)線的磁場

演示奧斯特實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過采用多節(jié)干電池或者學(xué)生電源來增大直導(dǎo)線中的電流，同時(shí)讓小磁針盡可能靠近直導(dǎo)線，觀察小磁針的偏轉(zhuǎn)情況。

為說明直導(dǎo)線周圍都有磁場，顯示磁場的小磁針擺放成了關(guān)鍵，所以直導(dǎo)線采用豎直放置方式，小磁針?biāo)椒胖?，如圖7所示。 但是，一根導(dǎo)線周圍的磁場比較弱，試圖通過多只小磁針顯示直導(dǎo)線周圍的磁場根本做不到，所以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用多匝導(dǎo)線繞成線框的一邊來顯示直導(dǎo)線周圍的磁場分布;同時(shí)，為說明直導(dǎo)線周圍磁場空間的立體性，將裝置設(shè)計(jì)為雙層演示板（圖8），上層透明下層不透明，分別灑鐵屑和擺放小磁針能更清晰地顯示直導(dǎo)線周圍磁場的分布，如圖9所示。

（2）探究弧形導(dǎo)線周圍的磁場分布

認(rèn)識了直導(dǎo)線周圍的磁場后，引導(dǎo)學(xué)生探究弧形導(dǎo)線周圍的磁場就自然而然了。再次利用多匝導(dǎo)線繞成的線框演示實(shí)驗(yàn)，觀察線框周圍的磁場分布（圖10），改變形狀后，觀察弧形導(dǎo)線周圍的磁場分布，如圖11所示。

（3）探究螺線管周圍的磁場分布

將多匝導(dǎo)線散開，就成了螺旋線，也稱之為螺線管，如圖12所示。同樣用小磁針或小鐵屑，觀察到通電螺線管周圍的磁場與條形磁體的磁場相似，如圖13所示。

設(shè)計(jì)符合學(xué)生思維進(jìn)階的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由分析直線電流周圍的磁場，到增加導(dǎo)線匝數(shù)增加磁場強(qiáng)度，再到弧形導(dǎo)線周圍磁場，進(jìn)而到螺線管周圍磁場，學(xué)生經(jīng)歷了分析、綜合、比較、抽象、概括、判斷和推理等過程，發(fā)展了學(xué)生的高階思維能力。

3.3? ? 高階學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生抽象邏輯思維

學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)，采用分組教學(xué)和小組合作的學(xué)習(xí)方式可以發(fā)展學(xué)生的思維，發(fā)揮學(xué)生

學(xué)習(xí)的主體性，激活課堂教學(xué)氣氛，教學(xué)效果會(huì)更好。

奧斯特實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，說明電流的磁效應(yīng);通電直導(dǎo)線周圍的磁場分布、螺線管周圍的磁場分布為探究性實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，學(xué)生既可以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論，又可以通過自主探究獲得想知道的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如圖14（a）所示;通過小組協(xié)作、交流、討論，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，評價(jià)實(shí)驗(yàn)過程，得出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。還可以通過選擇小磁針、鐵粉等實(shí)驗(yàn)器材，比較磁場分布的效果，如圖14（b）（c）所示，既開拓了學(xué)生思路，又發(fā)展了創(chuàng)新思維方式，在做中學(xué)，在學(xué)中思，這樣的學(xué)習(xí)方式將使他們收獲更多。

4? ? 結(jié)束語

促進(jìn)學(xué)生能力發(fā)展的關(guān)鍵在于重視學(xué)生的思維進(jìn)階過程。好的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)給學(xué)生學(xué)習(xí)的空間留白，讓學(xué)生對自己的活動(dòng)進(jìn)行反思，親身體驗(yàn)知識的發(fā)生、發(fā)展過程，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、問題解決能力、決策力和批判性思維能力。

好的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)尊重學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性、了解學(xué)生的思維特點(diǎn)和起點(diǎn)、設(shè)置有效的教學(xué)活動(dòng)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)手段，把握學(xué)生的思維脈絡(luò)，促進(jìn)學(xué)生的思維向高階發(fā)展。通過分析學(xué)生的思維困惑、降低思維要求、做好鋪陳轉(zhuǎn)換，讓學(xué)生在記憶、理解、應(yīng)用的同時(shí)，發(fā)展他們的分析、綜合、評價(jià)和創(chuàng)造能力，提升他們的物理素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉炳昇，李容.義務(wù)教育教科書物理九年級下冊[M].南京：江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

[2]劉金花.兒童發(fā)展心理學(xué)[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2000：108.（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）