指向深度教学的思维型课堂实践与反思——以“磁场对运动电荷的作用力”教学为例

任虎虎

(江苏省太仓高级中学,江苏 太仓 215411)

1 深度教学与思维型课堂的关系

深度教学是以发展学生的高阶思维为目标,以灵活迁移解决实际问题为特征,以整合的知识为内容,让学生深度参与教学过程、深刻把握学习内容的教学．在深度教学中,学生围绕具有思维空间和挑战性的学习任务,积极主动地、批判性地学习新的知识和思想．通过探究、体验、批判、反思等学习活动,把握知识背后的思想方法、逻辑、情感、意义、价值及运用知识进行创造,增强学习的意义感、自我感和获得感．

思维型课堂是以发展学生的高阶思维能力为核心的课堂教学形式．它强调以诱发认知冲突为特征的教学引入、以自主建构为特征的教学过程、以思维监控为特征的教学反思和以灵活运用为特征的教学迁移．

不难发现:思维型课堂教学注重发展高阶思维能力、批判反思和灵活迁移,这些与深度教学的理念不谋而合．下面以“磁场对运动电荷的作用力”教学为例谈谈如何基于思维型课堂实施深度教学、引发深度学习．

2 指向深度教学的思维型课堂实践

2.1 两个基本分析

教材分析和学情分析是实施深度教学的基础和保证,每一节课前都要深入分析,并不是公开课才有的“专利”．通过教材分析深刻把握知识背后的逻辑,即教材逻辑——学科逻辑——教学逻辑的转化．通过学情分析把握学生的前概念和认知结构,更好地激发认知冲突和意义建构．

(1) 教材分析.“磁场对运动电荷的作用力”这一节是对安培力知识的延续和深化,又是学习带电粒子在磁场中运动的基础;同时本节内容是电磁学与力学结合的切入点,是研究与微观带电粒子运动有关的宏观物理现象的基础,在知识结构和发展学生认知领域上都起着承上启下的作用．内容安排上,让学生由实验猜想,探寻研究微观粒子途径和方法,经历实验探究和理论推导过程,感悟科学探究的思想,学会探究的方法;深入理解安培力的微观本质,自主建构洛伦兹力的计算公式．

图1 液体旋转实验

(2) 学情分析.学生已有的知识、观念和生活经验是学习新知识的基础和前理解．在学习洛伦兹力前,学生已掌握了用左手定则熟练地判定安培力的方向,安培力大小的计算和电流的微观表达式等基本知识．在思维方法方面,学生已经有一定的观察、分析、抽象、逻辑思维和数学推算等能力,但学生缺少对洛伦兹力的生活经验和直观认识．

2.2 5个进阶策略

(1) 创设出有思维空间和挑战性的学习任务.

在一个铝制圆盘中间固定一个碳棒,组成如图1所示的电路,碳棒连接电源正极,铝制圆盘边沿连接电源负极,电路中接入一小灯泡．首先,在圆盘中加入水,闭合开关,灯泡不发光,说明此时水中没有大量电荷定向运动;其次,向圆盘中加入高浓度的NaCl溶液,闭合开关,发现灯泡亮起来了,说明此时溶液中有大量定向移动的电荷;最后,在圆盘底部放入一强磁铁,发现液体神奇地旋转起来了(为了便于观察,可以在液面上放一些黑色纸片)．提出问题: ① 液体为什么会运动起来?② 这个力是怎么产生的?③ 这个力的方向如何判定?大小如何表示?

设计意图:通过上面的实验情境及其问题,一方面生成对洛伦兹力的意义认识,让学生切身体验和认识到运动的电荷在磁场中会受到力的作用;另一方面创设出有思维空间和挑战性的学习任务,促进学生深度学习．

(2) 激发认知冲突引发积极情感和深度思考.

在铝制圆盘实验的基础上,让学生仔细观察并总结出磁场方向、运动电荷方向和洛伦兹力方向之间的关系．为了实现思维可视化:给每组学生一大块橡皮泥,3个不同颜色的铅笔分别代表上述3个物理量的方向,让小组讨论洛伦兹力方向的判断方法并形象化地表示出来．

学生经过自主和小组讨论,归纳出判断洛伦兹力方向判定的左手定则:磁场穿过手心,四指指向电荷运动的方向,大拇指就指向运动电荷受力的方向．注意:此时学生没有认识到电荷的电性对洛伦兹力方向的影响．

设置两难问题情景:在刚才的实验中，溶液中负电荷会向什么方向运动?试判断运动的负电荷受到的洛伦兹力方向向哪里?此时对负电荷运用上述结论时发现与正电荷受力方向相反．溶液应该静止不动才对,这与观察到的实验现象矛盾,有效地激发了学生的认知冲突．

接下来借助阴极射线管引导学生完成学习进阶:首先介绍阴极射线管的结构和工作原理,接通电源后,观察到一条绿线,即电子的运动径迹．用N极在外、S极在里的U型磁铁从上向下靠近阴极射线,观察阴极射线的偏转方向;N极在里、S极在外从上向下靠近阴极射线,再次观察阴极射线的偏转方向．让学生归纳运动的负电荷受到的洛伦兹力的判断方法,并判断铝制圆盘溶液中负电荷的受力方向．

设计意图:创设认知冲突能有效激发学生的求知欲,促进学生主动参与、积极思考,让学生经历动手操作和析疑、释疑的思维过程,丰富体验,挖掘知识的内涵,逻辑及意义．

(3) 通过自主建构把握问题本质和意义建构.

创设生活情景:班长发动大家进行爱心捐款,班级一共捐助500元,假设每人捐款相同,每人捐助多少?

搭桥问题:每个定向运动的电荷所受的洛伦兹力与宏观上电流所受安培力的大小上有什么关系?请根据安培力的大小计算公式和电流的微观表达式,自己建立模型,计算每个定向运动的电荷所受的洛伦兹力的大小．

在学生得出结果后,再讨论速度方向与磁场方向平行和成一般角度时的计算公式是什么?这些都让学生自主完成,引导多角度把握问题本质．

设计意图:通过这一开放性问题,有助于培养学生类比、归纳、建模以及运用数学解决物理问题的能力,并且与生活情境联结,实施意义建构,丰富学生的意义系统．

(4) 借助思维监控批判地吸收新知识和思想.

在归纳出洛伦兹力方向的判断方法和洛伦兹力的大小计算规律后，师生共同讨论.

师:洛伦兹力和安培力在本质上有什么异同?

生1:洛伦兹力是安培力的微观形式,计算的是单个电荷所受洛伦兹力的大小,安培力是大量运动电荷在磁场中的受到的合力的宏观表现．

师:刚才在归纳出左手定则的过程中,大家回顾一下都用到了哪些科学思想方法?

生2:观察猜想、类比和控制变量．

师:很好,还有补充的吗?

生3:实验探究,从宏观到微观．

师:还有科学建模的思想方法．

设计意图:通过对学习对象及过程进行对比、反思提炼,有助于触及学科思想方法这一本质,思想方法是知识转化为能力的桥梁和纽带．通过反思,批判地吸收新知识和思想发展高阶思维,促进公共知识的个人意义达成．

(5) 引导灵活迁移用整合知识解决实际问题.

在应用环节,通过创设待解决的真实问题情境,将所学知识和思想方法灵活迁移和应用,提升运用整合知识解决实际问题的能力．

图2 电视机工作图

笔者在课堂上直接给学生展示老式电视机,把电视机的后盖打开,让学生观察内部结构．电视机的工作原理涉及到电荷在电场中的加速、在磁场中的偏转、光电转换、视觉暂留等整合知识．首先,将产生竖直和水平方向磁场的电路断开．此时接通电源,在显示屏上中间观察到一个光斑,如图2所示．

师:用什么方法可以让光斑移到A点?

生1:加竖直向下的磁场?

师:现在来体验一下．

师:用什么方法可以让光斑移到B点呢?

生2:加水平向右的磁场.

师:用什么方法可以让光斑移到C点呢?

生3:加斜向左上方的磁场.

师:还有别的方法吗?

生4:根据矢量合成,可以同时加向左和向上的磁场．

设计意图:通过创设待解决的真实问题情境,将物理知识、思维方法从课堂迁移到生产、生活中,培养学生运用所学知识和方法解决实际问题的习惯和能力．学生从被动的信息加工者变为主动的实际问题解决者;教师从知识的拥有者与传递者变为知识创生和多维意义实现的引领者与合作者．

3 指向深度教学的思维型课堂反思

实施深度教学促进深度学习是落实学科核心素养的必然路径．深度教学理念下须重构知识观、学习观、教学观和评价观,转变教学、学习方式,让深度学习真实发生．

本堂课以深度教学理念为指导,以发展学生的高阶思维为目标,以思维型课堂教学为路径．首先采用了导电液体在磁场中旋转的实验来激发学生的思考,让学生从身边的可操作的现象来体验洛伦兹力．运用类比法得出的左手定则在判断运动的负电荷受力方向时激发了认知冲突,通过阴极射线管实验探究解决矛盾．推导洛伦兹力的大小时,设置开放问题、创生具有思维空间的实际问题,把情景抽象和推导过程大胆地交给学生．通过学生小组合作自主探究等方式,实现知识的迁移．再通过学生反馈推导过程,使学生得到启发,受到激励．

物理来源于生活,回归服务于生活,引导学生用所学知识解电视机显像管工作原理,培养学生运用所学知识解决实际问题的能力,使学生得到成功的体验和感悟,深入到知识的逻辑、意义和价值层次,增强学习的意义感、自我感和获得感．本节课很多环节还不够开放,很多问题和环节都可以大胆地交给学生完成．