基于科學(xué)論證能力提升的ADI教學(xué)模式探索與實(shí)踐*
——以“磁感應(yīng)強(qiáng)度”教學(xué)為例

周佩佩

(黃岡中學(xué)北京朝陽(yáng)學(xué)校 北京 100018)

姚 迪

(北京第二外國(guó)語附屬中學(xué) 北京 100024)

張春麗

(北京市朝陽(yáng)區(qū)教育科學(xué)研究院 北京 100021)

我國(guó)2017年版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》明確提出“科學(xué)思維”是物理核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容，并進(jìn)一步說明“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，“科學(xué)論證”首次明確寫進(jìn)我國(guó)的物理課程標(biāo)準(zhǔn)[1].基于科學(xué)論證的教學(xué)方式也越來越得到重視，因?yàn)樵摲绞接幸嬗谂囵B(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)、證據(jù)觀念、推理能力和審辯性思維.

2008 年，由Sampson 等人提出適合于實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的論證教學(xué)模型(Argument-Driven-Inquiry ，簡(jiǎn)稱ADI )[2].其主要流程是學(xué)生以小組合作的方式在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境中提出可探究的科學(xué)任務(wù)，圍繞探究任務(wù)提出主張，設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案、收集相關(guān)資料形成證據(jù)，小組分享論證的過程，并在交流中得到批判和反饋，經(jīng)過組內(nèi)反思性研討，撰寫探究報(bào)告并提交給同伴進(jìn)行匿名評(píng)審.整個(gè)論證的過程和評(píng)價(jià)像科學(xué)家一樣的思考方式進(jìn)行.

本文以人教版物理必修三第2節(jié)“磁感應(yīng)強(qiáng)度”為例，對(duì) ADI 教學(xué)模式在課堂中的應(yīng)用進(jìn)行探索，下面簡(jiǎn)述本節(jié)課教學(xué)實(shí)操中的幾個(gè)重要環(huán)節(jié).

1 重要環(huán)節(jié)之一——學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案 體驗(yàn)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱

活動(dòng)設(shè)計(jì)：利用圖1所示的實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證兩塊磁鐵磁性的強(qiáng)弱，并說出你的判定標(biāo)準(zhǔn).

(a)回形針 (b)磁鐵

設(shè)計(jì)意圖：通過半開放式的問題設(shè)置，讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、體驗(yàn)、闡述、論證的過程，喚醒學(xué)生的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，調(diào)動(dòng)思維的活躍性與創(chuàng)新性，培養(yǎng)學(xué)生的探索意識(shí).引發(fā)思考初中學(xué)過的磁感線知識(shí)不夠用了，必須引入一個(gè)物理量來定量描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向.

2 重要環(huán)節(jié)之二——科學(xué)類比 確定研究對(duì)象

思考引導(dǎo)：磁場(chǎng)與電場(chǎng)都是看不見摸不著的物質(zhì)，可以類比電場(chǎng)研究磁場(chǎng)，但磁場(chǎng)與電場(chǎng)又有區(qū)別，因此，在類比建模過程中需要把一些細(xì)節(jié)說清楚.例如：運(yùn)動(dòng)點(diǎn)電荷和靜止的小磁針符合研究磁場(chǎng)對(duì)“點(diǎn)”的要求，但運(yùn)動(dòng)點(diǎn)電荷的受力和速度都不易于測(cè)量，不利于學(xué)生觀測(cè)和經(jīng)歷概念的建立過程；用小磁針探究磁場(chǎng)方向是直觀的，但是小磁針沒有單邊磁極，小磁針的受力難以量化.基于以上因素我們選擇更易于定量研究的探測(cè)物——通電直導(dǎo)線.一般從最簡(jiǎn)單的磁場(chǎng)入手，選定勻強(qiáng)磁場(chǎng)來研究.

3 重要環(huán)節(jié)之三——經(jīng)歷定量的實(shí)驗(yàn)探究 體驗(yàn)比值定義的本質(zhì)

3.1 明確學(xué)習(xí)任務(wù)

探究影響通電直導(dǎo)線受力的因素，能否類比電場(chǎng)強(qiáng)度尋求定量描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量.

3.2 設(shè)計(jì)方案 搜集數(shù)據(jù)

學(xué)生采取分組合作的研究方式，教師向每個(gè)小組提供探究任務(wù)清單，探究任務(wù)清單中包括要研究的問題、要設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，要收集哪些數(shù)據(jù)等等，同時(shí)在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程中教師進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)，比如應(yīng)當(dāng)采用什么物理方法進(jìn)行探究、如何定量觀測(cè)這些物理量等等，為學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和展開論證提供必要的支持.各組的探究任務(wù)清單完成后，需要和教師交流確認(rèn)后進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)和收集數(shù)據(jù).

3.3 分析數(shù)據(jù) 整理論據(jù)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，第1小組的實(shí)驗(yàn)是在磁感應(yīng)強(qiáng)度不同(磁鐵間距離為5.5 cm 和8 cm)的兩組強(qiáng)磁鐵中控制導(dǎo)體長(zhǎng)度不變，利用滑動(dòng)變阻器改變通過線圈的電流，線框的重力可以通過電子秤調(diào)零抵消，由于牛頓第三定律以及二力平衡知識(shí)，電子秤承受質(zhì)量所對(duì)應(yīng)的力就是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受磁場(chǎng)力的大小，記錄電子秤的示數(shù)和電流表示數(shù)，探究磁場(chǎng)力F和電流I的關(guān)系.其中F1是導(dǎo)線在磁鐵間距離為5.5 cm的磁場(chǎng)中所受磁場(chǎng)力的大小，F(xiàn)2是導(dǎo)線在磁鐵間距離為8 cm的磁場(chǎng)中所受磁場(chǎng)力的大小，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

表1 不同磁場(chǎng)中F和電流I的關(guān)系

第2組實(shí)驗(yàn)是在兩組強(qiáng)磁鐵中控制導(dǎo)體中的電流不變(I=0.36 A)，第一組數(shù)據(jù)的5匝線圈對(duì)應(yīng)的總長(zhǎng)度為0.25 m，另外分別為10匝、15匝、20匝、25匝、30匝，對(duì)應(yīng)在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度分別為0.50 m，0.75 m，1.00 m，1.25 m，1.50 m，以此來探究磁場(chǎng)力F和長(zhǎng)度L的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2.

表2 不同磁場(chǎng)中F和長(zhǎng)度L的關(guān)系

第3組實(shí)驗(yàn)是在控制磁場(chǎng)中的導(dǎo)線長(zhǎng)度、通電導(dǎo)線的電流不變，分別在不同的磁場(chǎng)中記錄電子秤的示數(shù)以及磁場(chǎng)和通電導(dǎo)線之間的夾角θ，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3和表4.

表3 磁場(chǎng)力F1和夾角θ的關(guān)系

表4 磁場(chǎng)力F2和夾角θ的關(guān)系

各小組通過初步的測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在電流和磁場(chǎng)一定的情況下，通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，通電導(dǎo)線的受力越大；在通電導(dǎo)線長(zhǎng)度和磁場(chǎng)一定的情況下，通電導(dǎo)線的電流越大，通電導(dǎo)線的受力越大；在電流和通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度一定的情況下，磁場(chǎng)越強(qiáng)，通電導(dǎo)線的受力越大.

3.4 分享論證 歸納結(jié)論

在分享論證的環(huán)節(jié)教師引導(dǎo)除了進(jìn)行表格數(shù)據(jù)處理，還可以進(jìn)行圖像分析，這樣可以實(shí)現(xiàn)定性到定量的探究.比如做F與I圖像、F與L圖像、F與IL圖像進(jìn)行對(duì)比分析，看看到底是用哪個(gè)物理量能準(zhǔn)確、方便地描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱.

圖3 F與I的關(guān)系

圖4 不同磁場(chǎng)下F與I的關(guān)系

圖5 F與L的關(guān)系

圖6 不同磁場(chǎng)下F與L的關(guān)系

圖7 F與IL的關(guān)系

表5 不同磁場(chǎng)中F和IL的關(guān)系

圖8 不同磁場(chǎng)下F與導(dǎo)線電流、磁場(chǎng)方向夾角的關(guān)系

3.5 反思提升 修正深化

模型建構(gòu)：在物理學(xué)中，把很短的一段通電導(dǎo)線中的電流I與導(dǎo)線長(zhǎng)度L的乘積IL叫做“電流元”，因?yàn)椤肮铝㈦娏髟淮嬖凇?，因此“電流元”與質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷一樣都是理想的物理模型.

修正完善：另外本實(shí)驗(yàn)雖然是定量實(shí)驗(yàn)，但是精確度還有待提高，比如可以提高電流表的精度等級(jí)，可以把電子秤換成微力傳感器，這樣會(huì)使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，更加趨向定量實(shí)驗(yàn)，也就更具有說服力.

3.6 撰寫報(bào)告 學(xué)生自評(píng) 匿名互評(píng)

論文寫作是科學(xué)研究的重要組成部分，科學(xué)家不僅需要閱讀、理解、評(píng)估他人的研究成果，也需要通過論文寫作分享自己的研究成果.因此，引導(dǎo)學(xué)生用清晰、規(guī)范的語言來撰寫探究報(bào)告，反思體會(huì)科學(xué)研究的過程，并且根據(jù)課堂的表現(xiàn)進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，自評(píng)表如表6所示[3].收到報(bào)告后，教師將報(bào)告拍成圖片隨機(jī)在群里發(fā)送給不同小組進(jìn)行匿名評(píng)審，引導(dǎo)學(xué)生從探究任務(wù)、實(shí)驗(yàn)過程、科學(xué)論證和論文寫作4個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，比如作者是否使用科學(xué)的方式呈現(xiàn)證據(jù),作者是否有充足的證據(jù)來支撐自己的主張,作者的研究報(bào)告是否做了修改和完善等等，學(xué)生根據(jù)反饋信息對(duì)探究報(bào)告進(jìn)行修改，然后提交給教師進(jìn)行第二次評(píng)定.如果修改后的報(bào)告達(dá)到可接受的質(zhì)量水平，作者即可獲得滿分，否則需要進(jìn)行第二輪修正完善直到達(dá)到目標(biāo)要求.

表6 學(xué)生課堂自評(píng)表

設(shè)計(jì)意圖：利用定量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，讓學(xué)生經(jīng)歷磁感應(yīng)強(qiáng)度的建立過程，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.通過真實(shí)的數(shù)據(jù)記錄與分析，得出相應(yīng)的結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí).撰寫報(bào)告、自我評(píng)價(jià)、匿名互評(píng)這一環(huán)節(jié)培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)推理能力和論證能力，而且能夠及時(shí)反饋教學(xué)效果，為教學(xué)的進(jìn)一步改進(jìn)提供了重要的依據(jù).

4 主要環(huán)節(jié)之四——自帶“便攜DIS實(shí)驗(yàn)室” 強(qiáng)化概念的深入理解

為了系統(tǒng)深刻地理解磁感應(yīng)強(qiáng)度，利用手機(jī)應(yīng)用程序中phyphox實(shí)驗(yàn)軟件里的一款應(yīng)用程序“磁力計(jì)”， 可以精確測(cè)量手機(jī)所在空間的磁場(chǎng)，相當(dāng)于隨身攜帶了一個(gè)微型DIS實(shí)驗(yàn)裝置，隨處可做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們特別感興趣.

如圖9所示，引導(dǎo)學(xué)生打開phyphox軟件中的磁力計(jì)功能，移動(dòng)手機(jī)，在不同的位置固定觀察不同菜單欄下的數(shù)值，討論其物理意義.并且思考討論磁感應(yīng)強(qiáng)度是什么性質(zhì)的物理量？表達(dá)出你的觀點(diǎn)，論證評(píng)價(jià)表如表7所示.

圖9 phyphox軟件中的磁力計(jì)功能

表7 論證評(píng)價(jià)表

小實(shí)驗(yàn)：把手機(jī)放在U型磁鐵同一位置的不同方向，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)其峰值不一樣，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)不同，這是地磁場(chǎng)和U型磁鐵激發(fā)的磁場(chǎng)共同疊加的結(jié)果，也是磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量的證據(jù)之一.

設(shè)計(jì)意圖：將抽象的概念與真實(shí)情境相聯(lián)系，通過學(xué)生在自主思考和互相討論的過程中，進(jìn)行思維的碰撞.利用真實(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，從運(yùn)算法則分析數(shù)據(jù)中得到磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)物理量是矢量的結(jié)論.有助于學(xué)生對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度從大小和方向上的全面理解，有利于學(xué)生科學(xué)思維的提升.

5 結(jié)束語

ADI教學(xué)模式在本節(jié)課的應(yīng)用，不僅提高課堂教學(xué)的質(zhì)量，也為核心素養(yǎng)目標(biāo)下的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供新的思路，有助于物理核心素養(yǎng)的“落地生根”[4].當(dāng)然，在論證教學(xué)的實(shí)操中，應(yīng)根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容選擇合適的論證模式和策略，才可能獲得最佳的教學(xué)質(zhì)效.