在物理問(wèn)題解決中培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維*

徐地虎

美國(guó)批判性思維專(zhuān)家羅伯特·恩尼斯指出，批判性思維是合理的、反思性的思維，其目的在于決定我們的信念和決策。清華大學(xué)錢(qián)穎一教授將批判性思維分為兩個(gè)層次：第一，它是一種能力，有別于知識(shí)；第二，它是一種心態(tài)，是一種心智模式，是一種價(jià)值取向。第一層次的批判性思維是可教、可測(cè)的，第二層次則難以直接教學(xué)，但學(xué)生可以從周?chē)沫h(huán)境中學(xué)習(xí)和感悟。為了培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力，應(yīng)在高中物理教學(xué)中充分利用課堂教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，在真實(shí)情境中創(chuàng)造批判性思維氛圍，在問(wèn)題解決中提升學(xué)生的批判性思維能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)提升，助力學(xué)生的終身學(xué)習(xí)與發(fā)展。這里舉例筆者所經(jīng)歷的學(xué)生的兩次質(zhì)疑，試作說(shuō)明。

一、關(guān)于“等量同種電荷中的電場(chǎng)線”的質(zhì)疑

圖1 等量同種電荷的電場(chǎng)線分布

所畫(huà)，教材中未畫(huà)出），與之前版本的教材沒(méi)有大的改變。課堂上為了讓學(xué)生對(duì)等量同種電荷的電場(chǎng)線分布有一個(gè)更好的了解，通常會(huì)計(jì)算一些特殊位置處的電場(chǎng)強(qiáng)度，分析諸如連線與中垂線上電場(chǎng)分布特點(diǎn)等問(wèn)題。

一次課后，學(xué)生提問(wèn)：老師你計(jì)算了中垂線上的電場(chǎng)強(qiáng)度，那么中垂線上有電場(chǎng)線么？

筆者回答說(shuō)有的，根據(jù)電場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果可知，中垂線上的電場(chǎng)線是沿著中垂線向外的直線，如圖1中的豎直虛線所示。

學(xué)生繼續(xù)提問(wèn)：向上和向下的電場(chǎng)線交于兩點(diǎn)電荷的中點(diǎn)，如圖1 中O點(diǎn)，可是根據(jù)電場(chǎng)線的特點(diǎn)可知，電場(chǎng)線從正電荷或無(wú)限遠(yuǎn)出發(fā)，終止于無(wú)限遠(yuǎn)或負(fù)電荷，可是該處并沒(méi)有正電荷，也不是無(wú)限遠(yuǎn)，這個(gè)怎么理解呢？

這個(gè)問(wèn)題是一個(gè)典型的可用于培養(yǎng)批判性思維的問(wèn)題，同時(shí)也是一個(gè)不仔細(xì)琢磨就不好回答的問(wèn)題。基于電場(chǎng)線的分布特點(diǎn)，結(jié)合對(duì)等量同種電荷的電場(chǎng)線的分析結(jié)果，學(xué)生得出一個(gè)相互矛盾的結(jié)論，造成了認(rèn)知沖突。此時(shí)，批判性思維教學(xué)的質(zhì)疑階段已經(jīng)形成，接下來(lái)是判斷和評(píng)價(jià)的階段，要設(shè)計(jì)具體的研究方法或方案，進(jìn)行全面的對(duì)比、分析與綜合，最后得出結(jié)論或做出評(píng)價(jià)。筆者同學(xué)生一起進(jìn)行分析，過(guò)程如下。

按照電場(chǎng)線的特點(diǎn)，電場(chǎng)線應(yīng)該從正電荷或無(wú)限遠(yuǎn)出發(fā)，顯然O點(diǎn)處沒(méi)有正電荷，那么該點(diǎn)能否看作等效無(wú)限遠(yuǎn)呢？根據(jù)電場(chǎng)線的特點(diǎn)，沿電場(chǎng)線的方向電勢(shì)降低，假定無(wú)限遠(yuǎn)處的電勢(shì)為零，那么O點(diǎn)的電勢(shì)高于零，不能等效為無(wú)限遠(yuǎn)。那么是否認(rèn)為O點(diǎn)處有電場(chǎng)線發(fā)出的結(jié)論是不正確的呢？這需要進(jìn)一步研究是否有電場(chǎng)線流入O點(diǎn)。分析可知，兩點(diǎn)電荷的連線上應(yīng)該有電場(chǎng)線，如圖1 中的水平虛線所示。但依然存在一個(gè)問(wèn)題，電場(chǎng)線在空間不能相交，而水平電場(chǎng)線與豎直電場(chǎng)線在O點(diǎn)似乎發(fā)生了“直角轉(zhuǎn)彎”，這與空間中某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)只有一個(gè)方向，電場(chǎng)線不能相交又相矛盾了，這需要進(jìn)一步的分析。事實(shí)上，O點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)為零且無(wú)電場(chǎng)線，而O點(diǎn)左右和上下的電場(chǎng)強(qiáng)度均不為零，但越靠近O點(diǎn)越趨于零，即O點(diǎn)是一個(gè)極限點(diǎn)，因此可以從極限角度進(jìn)行理解。假設(shè)從正電荷出發(fā)的電場(chǎng)線非?？拷鼉牲c(diǎn)電荷的連線，則該電場(chǎng)線通過(guò)一個(gè)曲率半徑很小的弧轉(zhuǎn)向豎直方向，如圖2（a）中帶箭頭的弧線所示；且電場(chǎng)線越接近兩點(diǎn)電荷連線，弧的曲率半徑就越小，轉(zhuǎn)向豎直方向的電場(chǎng)線越接近于中垂線，極限情況下當(dāng)電場(chǎng)線沿兩電荷連線方向，則弧的曲率半徑為0，進(jìn)而轉(zhuǎn)向沿中垂線方向，如圖2（a）中帶箭頭的直線所示，順利地實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)線從水平方向轉(zhuǎn)向豎直方向的“直角轉(zhuǎn)彎”。當(dāng)然，圖中僅展示了平面的電場(chǎng)線分布，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性可得到三維立體的電場(chǎng)線分布。

（圖2）

根據(jù)以上的分析可以看出，電場(chǎng)線從正電荷或無(wú)限遠(yuǎn)處出發(fā)與本題的電場(chǎng)線分布并沒(méi)有矛盾。要解釋中垂線上有電場(chǎng)線分布，既需要分析O點(diǎn)附近處的電場(chǎng)分布特點(diǎn)，又要利用極限思想進(jìn)行分析理解，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)要求較高，同時(shí)思維難度較大，這也可能是教材中沒(méi)有畫(huà)出中垂線上電場(chǎng)線的原因。

為了更為直觀地理解電場(chǎng)線從水平方向轉(zhuǎn)向豎直方向，可以對(duì)O點(diǎn)處做一些創(chuàng)造性的探索。由于O點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度為零，而在金屬內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度也為零，那么是否可以相當(dāng)于在O點(diǎn)有一個(gè)金屬球？答案是肯定的，假定O點(diǎn)處有一半徑極小的不帶電金屬球，在電場(chǎng)中金屬球各處產(chǎn)生感應(yīng)的電荷如圖2（b）所示，O處電場(chǎng)強(qiáng)度為零，且順利地實(shí)現(xiàn)了從水平方向轉(zhuǎn)向豎直方向，并且O處所帶凈電荷為零，這與真實(shí)情形下O點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度分布類(lèi)似，這雖然與真實(shí)的電場(chǎng)線分布有出入，但隨著金屬球的半徑越來(lái)越小，電場(chǎng)線分布將趨于完全相同，不失為一種促進(jìn)理解的手段，也可以為解決靜電場(chǎng)問(wèn)題提供一種思路。

鑒于學(xué)生已經(jīng)對(duì)電場(chǎng)線有了比較深入的理解，筆者又在課堂上拋出了3 個(gè)問(wèn)題讓他們討論：①電場(chǎng)線的特點(diǎn)是從正電荷或無(wú)窮遠(yuǎn)出發(fā)，終止于無(wú)限遠(yuǎn)或負(fù)電荷，為什么要這樣設(shè)計(jì)電場(chǎng)線？②可不可以有不同于這種特點(diǎn)的電場(chǎng)線呢，比如電場(chǎng)線是首尾相連的閉合曲線，這種電場(chǎng)線又會(huì)有怎樣的性質(zhì)呢？③教材中利用頭發(fā)碎屑懸浮在蓖麻油里，加上電場(chǎng)，碎屑就按電場(chǎng)強(qiáng)度的方向排列起來(lái)，顯示電場(chǎng)線的分布情況，這種方法為什么可以模擬電場(chǎng)線呢？能用其他方法來(lái)模擬電場(chǎng)線么？

后兩個(gè)問(wèn)題明顯讓學(xué)生有所觸動(dòng)。他們此前既沒(méi)有質(zhì)疑過(guò)教材內(nèi)容的合理性，也沒(méi)有思考過(guò)如果條件不同將會(huì)帶來(lái)怎樣的影響以及其背后所蘊(yùn)含的物理本質(zhì)。筆者提問(wèn)的目的不在于得到正確答案，而是借此啟發(fā)學(xué)生的批判性思維。

上文中利用批判性思維分析了等量同種電荷中垂線上的電場(chǎng)線，在分析的過(guò)程中不僅加深了學(xué)生對(duì)電場(chǎng)線特點(diǎn)的理解，也進(jìn)一步加深了他們對(duì)真實(shí)情境下的電場(chǎng)分布特點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的分析方法的理解。因此，在課堂中利用批判性思維研究真實(shí)問(wèn)題，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力和必備品格方面將大有裨益。

二、關(guān)于“電磁感應(yīng)中磁通量如何變化”的質(zhì)疑

例題：如圖3 所示，用一段橫截面半徑為r、電阻率為ρ、密度為d的均勻?qū)w材料做成一個(gè)半徑為R(r?R)的圓環(huán)。圓環(huán)豎直向下落入如圖所示的徑向磁場(chǎng)中，圓環(huán)的圓心始終在N 極的軸線上，圓環(huán)所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B。圓環(huán)在加速下落過(guò)程中某一時(shí)刻的速度為v，忽略電感的影響，則（）

（圖3）

A.此時(shí)在圓環(huán)中產(chǎn)生了順時(shí)針(俯視)的感應(yīng)電流

B.圓環(huán)因受到了向下的安培力而加速下落

C.此時(shí)圓環(huán)的加速度a=

D.如果徑向磁場(chǎng)足夠長(zhǎng)，則圓環(huán)的最大速度Vm=

課上學(xué)生提出疑問(wèn)：用右手定則可以判定圓環(huán)的電動(dòng)勢(shì)和電流方向，說(shuō)明A選項(xiàng)是對(duì)的。但是從產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件分析，產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化，閉合回路就是圓環(huán)，可是圓環(huán)平面與磁感線平行，磁通量在下落的過(guò)程中始終為零，從這個(gè)角度上看，圓環(huán)上不應(yīng)該有感應(yīng)電流的，兩種方法是矛盾的，這在物理上如何理解。

筆者在一開(kāi)始也確實(shí)有些費(fèi)解，利用右手定則分析，圓環(huán)切割磁感線產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；不過(guò)從磁通量的角度看，“似乎”沒(méi)有磁感線穿過(guò)圓環(huán)圍成的面積，感應(yīng)電流確實(shí)為零。但筆者始終堅(jiān)信兩種方法肯定不矛盾，既然用右手定則能夠判定有電流，那么圓環(huán)平面內(nèi)肯定有磁通量的變化，因?yàn)楫a(chǎn)生感應(yīng)電流的條件就是閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化，肯定有哪個(gè)地方被忽略了。對(duì)質(zhì)疑的鼓勵(lì)不能替代對(duì)質(zhì)疑的回答。只有利用好這一契機(jī)，才能呵護(hù)學(xué)生的質(zhì)疑精神，促進(jìn)學(xué)生的批判性思維的培育?；谶@樣的考慮，筆者同學(xué)生一起逐步推導(dǎo)分析。

首先，圓環(huán)有感應(yīng)電流，圓環(huán)平面肯定有磁通量變化，那么圓環(huán)平面的磁通量肯定不能始終為零；其次，分析圓環(huán)處的磁通量是否為零；最后，圓柱形N 極在圓環(huán)平面的磁通量是否為零，如果為零，則說(shuō)明產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是有特例的。進(jìn)一步分析N 極在圓環(huán)平面的磁通量，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題就出在沒(méi)有畫(huà)出完整的磁體內(nèi)部的磁感線上。為了說(shuō)明圓環(huán)在下落的過(guò)程中磁通量的變化，非常有必要將磁體的磁感線分布圖畫(huà)出來(lái)，如果要滿(mǎn)足題中圓環(huán)所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B的要求，那么在側(cè)視圖中磁感線應(yīng)該間隔均勻，同時(shí)根據(jù)磁感線的特點(diǎn)，就可畫(huà)出磁感線一種可能的分布圖，如圖4 所示。將磁感線分布畫(huà)出來(lái)以后，問(wèn)題就迎刃而解了。圓環(huán)在下落的過(guò)程中，磁感線從下向上穿過(guò)圓環(huán)，N 極的磁感線下端密上端疏，磁通量增加產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，利用右手定則與法拉第電磁感應(yīng)定律判斷結(jié)果一致，不存在矛盾，并且更加直觀易理解。

從以上的問(wèn)題可以看出，如果不把完整的磁感線畫(huà)出來(lái)，就很難解答學(xué)生的困惑，也容易讓學(xué)生對(duì)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件產(chǎn)生懷疑；與此同時(shí)，充分利用學(xué)生的疑惑進(jìn)行深入的研究，不僅能夠使學(xué)生對(duì)物理原理有更加深入的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也可以讓學(xué)生在分析問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)批判性思維。

圖4 磁感線分布示意側(cè)視圖

綜上，在高中物理教學(xué)中，教師應(yīng)充分利用課堂教學(xué)的組織性?xún)?yōu)勢(shì)，在課堂中創(chuàng)造批判性思維學(xué)習(xí)氛圍，讓學(xué)生在問(wèn)題解決中提升批判性思維能力，進(jìn)而提升科學(xué)思維與科學(xué)探究能力，最終形成正確的物理觀念，真正讓學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)在課堂教學(xué)中得到提升。