“双新”背景下培养学生核心素养的教学策略——以支架式教学模式在楞次定律的教学为例

四川 彭 伟

«普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)»(以下简称«课程标准»)指出:高中物理课程通过创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习情境,培养和发展学生的自主学习能力;通过多样化的教学方式,利用现代信息技术,引导学生理解物理学的本质,整体认识自然界,形成科学思维习惯,强化科学探究能力和解决实际问题的能力。建构主义强调将所学知识和一定的生活化学习情境相联系,基于教学中的真实性任务,让学生通过合作探究来解决情境性问题,以此建构灵活的知识经验。随着“双新”理念的不断推进,新教材、新课程对学生的科学探究和科学思维能力提出了更高的要求:“双新”要求建立以学生为中心的教育观,强调立德树人,强调素养导向,强调让学习真正地发生。因此,只有在遵循学生认知发展规律的前提下,通过情境性问题才能点燃学生的学习热情,通过创新实验让学生参与科学探究过程,才能培养科学思维,满足新时代的需求。发展心理学家维果茨基认为,教学的最佳效果产生于“最近发展区”,在基于学生已有知识情境的基础上,通过支架式教学,合理创设知识的“脚手架”,能够让学生获得知识、技能和情感态度的最佳发展。

在传统教学中,楞次定律一般采用分组实验得到感应电流、磁场方向和磁通量变化的相关数据,然后通过教师引导,最终得出感应电流的磁场始终阻碍磁通量的变化(如图1)。由于在引导过程中,需要借助感应电流的磁场这一隐含量,但实验过程中难以体现,往往需要教师直接引出,既达不到合理地引导激发学生思考,同时思维跨度较大,学生不能真正地参与,学习就没有真正地发生。

图1 传统教学“楞次定律”的设计思路

本文结合«课程标准»和六个版本新教材关于楞次定律课程的教学设计进行分析总结,运用认知心理学中支架式教学模式,结合学生的认知特点和已有知识水平,在学生的最近发展区内,合理搭建“脚手架”,发挥教师主导、学生主体作用,引导学生参与探究和思考过程,最终促使学生真正地参与学习过程,建构个性化的知识体系,使学生的素养能力得到全面发展。

教材中的创新点与不足

六个版本的教材都在一定程度上,立足学生已有知识水平,提出新问题,进行猜想假设、实验探究、分析思考,最终得出科学结论。其中:

1.探究实验中,除沪教版外的其他五个版本,通过螺线管和磁铁进行实验,现象直观,但感应电流和磁通量变化没有直接关系,教材采用直接说明的方式,忽略了对学生启发思考和知识建构的过程;沪教版中磁铁和铝环实验,从磁铁与铝环的靠近、远离的现象,很容易得出“来拒去留”的规律,但该实验与最初探究“影响感应电流方向”略显突兀,学生会陷入“为什么不去探究电流方向而是探究作用力”的困惑。

2.引导过程中,直接得出感应电流磁场这一隐含物理量和磁通量变化关系,没有逻辑推导过程或实验现象佐证,学生很难通过实验本身,思考、发现其中的物理规律,而由教材直接“灌输”,依然没有充分激发学生主体意识,没有让学习真正地发生。

(一)改进思路

基于以上分析,本文做出以下借鉴和改进

1.实验层面,以电磁式电磁炮引入实验,结合时事热点,使其与生活生产联系更加紧密,更好地激发学生的学习兴趣和探究热情(图2);探究实验采用两个反向并联的发光二极管显示感应电流的方向,并安放在小车上,通过小车的运动探究磁通量变化过程作用力的关系(图3),器材更加简单、直观、精确,且可以从感应电流方向和作用力两个维度进行实验探究。

图2 电磁式电磁炮

图3 装有二极管的线圈和小车

2.课程建构上,先探究磁通量变化与感应电流方向的关系,没有得到直接结论,而是引导学生从磁通量变化和作用力的角度进行探究,容易得到“来拒去留”的结论;再通过演示实验对比引导,发现磁铁和线圈的作用与磁铁和磁铁的作用是相似的,从而类比迁移得出是感应电流的磁场和磁铁磁场产生的作用,继而发现“感应电流的磁场”这一中间量,最终分析磁通量变化和感应电流磁场的关系,得出“增反减同”的结论,在此基础上总结提炼,进而得出楞次定律。

(二)基于支架式教学模式的教学设计

1.基于以上分析,本文教学流程如图4

图4 “楞次定律”教学流程

2.教学思路

图5 “楞次定律”的教学设计思路

3.根据«课程标准»中科学思维和科学探究能力水平划 分,本文制定出各教学环节对应的学习目标(如表1所示)

表1 科学思维和科学探究能力水平细目表

4.具体教学过程

环节一:创设情境、发现问题

合理的物理情境可以让学生围绕问题进行探究,既是课堂教学顺利进行的有力保障,又能充分调动学生积极性,启发学生思考、发现问题,保证教学的有效推进。采用电磁式电磁炮引入新课,让学生观察铝环弹出过程,引导学生分析铝环中磁通量变化会使得铝环飞出的(如图6所示)。建立模型,简化实验,用安装有反向并联红绿发光二极管的线圈代替铝环,观察磁铁插入和拔出过程,可发现二极管交替发光,说明线圈中磁通量变化产生了感应电流,且感应电流方向发生变化,从而引出感应电流方向的问题(如图7所示)。

图6 电磁式电磁炮原理

图7 感应电流方向演示器材

【设计意图】科学推理是根据一个已知现象推理出另一个未知现象的思维方式。通过视频、演示实验,巧妙设置问题情境,激发学生的学习兴趣,调动学生的认知驱动力,引导学生对观察的现象进行分析思考,提出问题。同时两个演示实验层层递进,符合学生认知规律,并分别体现了磁通量变化过程中作用力和感应电流这两个物理现象,为后续探究设计做好铺垫。

环节二:演示观察,猜想假设

再次演示磁铁不同磁极插入、拔出线圈实验,观察两个反向二极管的发光顺序,引导学生猜想感应电流方向的影响因素。

【设计意图】在物理概念的课堂教学中,核心在于创设体现概念本质特征的物理情境,使学生的科学思维得到充分发展。学生基于对现象的观察,可能有多种猜测,要善于引导学生对猜想进行合理地分析、推理,确立最合适的探究方向(如图8所示)。

图8 从观察现象到概念本质的猜想

环节三:实验探究,提出质疑

学生通过探究实验,记录感应电流方向和磁极方向、磁通量变化数据,从而发现感应电流和磁通量变化没有直接的联系(如表2)。

表2 磁场方向、磁通量变化与感应电流方向探究结果

【设计意图】引导学生对实验结果进行分析,培养学生证据思维,在没有充分证据的情况下要敢于提出“没有直接联系”的结论,使学生形成“实验－观察－思考－结论”的科学探究范式,并为新的探究方向做铺垫。

环节四:转换思路,再次探究

引导学生转换思路,既然感应电流和磁通量变化没有直接的联系,磁通量变化过程中还有力的现象,那么作用力和磁通量变化有直接的关系吗? 学生将线圈按放在定制小车上,用磁铁插入、拔出线圈,通过小车的运动,观察并记录磁通量变化与作用力的关系。

【设计思路】学生在探究过程中遇到瓶颈时,引导学生从磁通量变化产生作用力的角度进行探究,体会科学探究的过程就是不断尝试的过程,帮助学生树立不畏困难、勇于创新的科学态度。

环节五:数据分析,发现规律

通过记录数据,最终得出“磁通量增大时,线圈和磁铁相互排斥;磁通量减小时,线圈和磁铁相互吸引”的结论(如表3)。

表3 线圈受力与磁通量变化探究结果

【设计思路】通过实验数据,引导学生运用控制变量的思维方法,分析推理、归纳总结得出结论,使学生经历“探究受阻—转换思路—再次探究—分析论证—得出结论”的思维过程。

环节六:还原本质,思维迁移

明确力与磁通量变化的关系后,引导学生思考,为什么磁通量变化会产生力呢? 通过实验演示,将线圈安放在小车上,磁铁插入、拔出观察“来拒去留”的现象,然后将线圈换成磁铁安放在小车上,分别用同名磁极和异名磁极靠近小车上的磁铁,也观察到了排斥和吸引(如图9、10)。引导学生思考,并得出磁通量变化产生了感应电流、感应电流的磁场和原磁场发生了“来拒去留”的作用。

图9 线圈安放在小车上

图10 磁铁安放在小车上

【设计思路】类比物理现象间的相似性,通过联想,触类旁通,从而获得创造性的启发或灵感,是一种有效的思维方法。学生在探究出“来拒去留”的规律后,无法进一步发现感应磁场的存在,此时需要合理搭建“脚手架”,通过类比推理,向学生揭示出科学探究过程,通过其他物理现象获得灵感,从而培养解释新的物理现象的能力,通过循序渐进、合乎逻辑的思维过程提高学生认知能力。

环节七:调整思路,发现规律

引导学生借助“感应电流的磁场这一中间量”,讨论其与磁通量变化的关系。学生在记录磁铁和线圈作用力的基础上,画出线圈中感应电流产生的磁场方向,并讨论感应电流磁场和磁通量变化的关系,最终得出“增反减同”的结论(如表4)。

表4 线圈受力与磁通量变化探究结果

【设计思路】在中学物理教学中,模型思维是科学思维的一种重要类型,模型建构是将抽象的物理关系进行直观的表述,从而发现其中隐藏的物理规律,是一种重要的思维建构方式。通过画出原磁场和感应磁场方向进行模型建构,实现思维可视化,使学生发现磁通量变化及感应磁场满足“增反减同”的规律。

环节八:规律总结,提炼方法

引导学生进行思路梳理,磁通量变化产生感应电流,感应电流产生感应磁场,感应磁场的方向又始终阻碍磁通量的变化(得出楞次定律),因此可通过磁通量变化得出感应磁场的方向,再通过右手螺旋定则得出感应电流的方向。根据这一规律,让学生应用楞次定律判断铝环中磁通量变化过程中感应电流的方向,解释电磁炮发射的原因,并总结判断方法(如图11)。

图11 感应电流方向关系图

【设计思路】“物理观念”是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华;是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。通过实验探究,学生对现象进行讨论分析得出结论后,教师需要进一步引导学生总结最普遍的规律,对物理过程进行分析、归纳,解释物理现象,建立思维网络,形成物理观念。

环节九:拓展延伸,总结归纳

将铜柱和磁铁分别从两个铜管中由静止释放,观察到磁铁下落缓慢,引导学生从做功和能量转化的角度进行思考,明确楞次定律是能量守恒的必然结果,最后从磁铁受到阻碍依然会下落的现象,理解“阻碍”不是“阻止”(如图12)。

图12 磁铁通过一小段铜管过程的受力分析

【设计思路】“科学态度和责任”是指学生在认识科学本质的基础上,逐渐形成的探索自然的内在驱动力,以及通过探究过程养成的严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度。通过对磁铁下落过程的分析,使得学生进一步理解楞次定律的本质。

物理学家劳厄曾道:教育给予人们最宝贵的财富无非是当一切学过的知识都遗忘后所剩下的东西,而“剩下的东西”就是研究和解决问题的思维方法。物理教学不是让学生记住知识、学会做题、成为考试能手,而是帮助学生建立物理思维,培养科学探究能力,最终实现自我的人生价值。

如图所示,光滑水平地面上放置着质量为mA＝2kg的长木板A和质量为mC＝2kg的滑块C,长木板的左端放有质量为mB＝1kg的滑块B(可看成质点)。现给A、B组成的整体施加水平向右的瞬时冲量I＝15N·s,此后A、B以相同速度向右运动,经过一段时间后A与C发生碰撞(时间极短)。再经过一段时间后A、B再次以相同速度向右运动,且此后A、C之间的距离保持不变,已知A、B间的动摩擦因数为μ＝0.2,重力加速度为g＝10m/s2,求:

(1)获得冲量后瞬间A、B的速度;

(2)A、C碰撞时损失的机械能;

(3)要保证滑块B不脱离长木板A,长木板A的长度至少为多长。

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