以“几种常见的磁场”教学为例浅谈科学思维的培养

(浙江省慈溪中学,浙江 宁波 315300)

新一轮课改明确提出要培养学生的核心素养,物理核心素养主要包括“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”4个方面．相较于三维目标,物理核心素养直接将科学思维提了出来．从某种意义上说,聚焦物理核心素养的实质,就是在知识建构和方法习得的基础上,注重学生科学思维的培养．从学科内容来看,物理作为一门以研究物质及其运动为基础的学科,对于学生核心素养的发展最重要的贡献也正是树立科学意识和掌握科学思维的方法．笔者以“几种常见的磁场”教学为例,就物理核心素养中科学思维的培养方法展开讨论．

1 课堂和生活相联系的科学思维

生活是物理课堂的源泉,也是物理教学的根基和落脚点．物理知识的学习过程是学生从经验到理论的转化、从生活到科学的上升过程．新课程标准强调要加强物理知识与实际生活的联系,把渗透物理知识的实际应用作为当前物理改革的方向,也体现了从生活走向物理、从物理走向生活的理念．

因此,在课堂教学中应当充分挖掘物理学科联系实际生活的素材,用生动、丰富的生活事例或实验来丰富教学内容,优化教学过程,这是活化物理教学,提高学生物理知识建构的有效途径．

教学环节:用生活中的一个趣味小实验——磁悬浮列车模型作为引入,把地球周围的磁场、核磁共振仪的应用作为补充,充分激发学生的学习兴趣,调动课堂气氛,使知识的认知变得形象化、趣味化、生动化和生活化,这是物理来源于生活,取材于生活最好的诠释．在知识应用的环节,抛出问题留给学生课后思考:银行卡磁条周围的磁场分布是怎么样的?这一教学环节渗透了物理知识回归生活,反馈生活的教学理念(见图1)．

2 局部和整体相协调的科学思维

作为教师,应该引导学生理顺知识的内部结构和关系,用高屋建瓴的视角看待整节课的知识

5 结语

内容;以整体的眼光组织、设计和处理各知识点的关系,培养学生在整体中、联系中、比较中学习的能力,从而帮助学生将知识由点及面,形成立体、开放、整体的知识结构．

教学环节:在探究几种常见的磁场分布特点时,由条形磁铁着手,进一步研究电流周围的磁场分布特点．教学内容结构化的处理,教学方式递进式的安排,充分考虑了各个环节内在的逻辑关系,既符合知识内容本身的逻辑,也符合学生认知和建构的逻辑．从条形磁铁——直线电流——环形电流——通电螺线管4种模型,彼此看似无关且独立,实为层层递进,最终由安培分子环流假说把几个模型进行了统一．这一教学环节中,通过为学生搭建合理的思维阶梯,从而达到科学思维培养的效果(见图2)．

图2

3 抽象和具象相统一的科学思维

抽象和具象相统一的原则,是指人类在认识客观事物的过程中,从具体到抽象,再从抽象到具象的统一,是学生获得正确认知并不断深化的过程．一般来说,学生知识的形成和掌握过程,往往需要经历从抽象到具象,再从具象到抽象的过程．有时甚至需要经过多次反复结合,学生对概念的认知、对规律的理解才会完整而深入,不然只会是干巴巴的结论．从抽象到具象的过程,可以使学生获得生动的、感性的认识,但是这种感性认识往往是浅显的、表面化的,并没有揭露知识的本质．而真正的理解和认知,必须在此基础上再进行科学的抽象,通过科学分析和概括,得到知识的本质规律．这就是所谓的从具象回到抽象,由理性认知回到感性认知．

在本节课的教学中,充分利用演示实验、学生分组实验、板书、模型展示、Flash动画等直观的教学手段,使学生获得丰富具体的感性认识和体验．

教学环节:在探究条形磁铁周围的磁场分布特点时,笔者在布满小磁针的塑料板槽口位置,放上条形磁铁．学生通过观察,发现塑料板上小磁针的排布和指向呈现出对称性．条形磁铁不动,以轴线为中心转动塑料板,发现在空间各平面上小磁针的指向和分布仍然保持不变．在这一教学环节中,从磁感线平面分布模型慢慢过渡到立体分布模型．把抽象知识还原到具体的实物情境中,化单一枯燥的学习为形象直观的体验,增强学生的感受力和理解力．同时通过播放条形磁铁磁感线3D动画,展示条形磁铁的空间磁场分布特点,加深学生的感性认识．教学中获得具象的“感性认识”并不是目的,而只是一种手段,有助于学生更好地掌握规律,形成概念(见图3)．

图3 条形磁铁周围磁感线分布模型

教学环节:在探究直线电流周围的磁场分布特点时,为加深学生对于安培定则的理解,设置了学生自制教具的教学环节．用白纸卷成细长的圆柱体表示直线电流的模型,标上箭头表示电流方向．通过观察铁屑模拟直线电流周围磁感线的演示实验,在另一张白纸上画出磁感线分布形状．同桌合作,把直线电流模型插到磁感线圆心处,便得到了磁感线分布形状的立体模型．进一步展示笔者自制的多平面磁感线分布模型,加深学生对于直线电流周围空间磁场分布模型的感性体验和认知(见图4)．

图4

在这一教学环节中,采用自制教具进行辅助教学,有助于学生亲自观察、亲身体会,有助于调动学生课堂的参与度,激活学生形象思维,从而突破难点,强化理解．

教学环节:在探究环形电流周围的磁场分布特点时,笔者用带箭头的呼啦圈来模拟环形电流．呼啦圈代表环形导线,箭头方向表示电流方向．首先,采用微元的思想,从理论的角度分析了环形电流周围的磁场分布特点．请学生上台,用判断直线电流周围磁场方向的安培定则,演示环形电流上每一个电流元周围的磁场方向．最终得到判断环形电流周围磁场方向的安培定则(见图5)．

图5

学生上台演示的教学活动,用教学情景刺激学生的身体感知,调动学生多方位的感受,用口动、手动、身动的结合来激发学生的学习兴趣,提高学习质量,加深感性认知．同时,通过建立直线电流、环形电流两类模型之间的联系,帮助学生更好地构建环形电流的磁场分布立体模型．

物理课程标准指出:“通过科学想象和科学推理方法的结合,发展学生的想象力和分析概括能力,使学生形成良好的思维习惯”．抽象概括思维是科学思维的一种重要形式,是发展创造性思维的前提和基础,对科学思维的培养具有至关重要的作用．要在具体的感性认知的基础上,培养学生分析归纳、抽象概括的能力,从而掌握事物的本质和规律．这是物理学习过程中从具象回到抽象的过程．引导学生通过比较、总结和归纳的方法,得出3种模型中电流方向和磁场方向关系的安培定则,是必不可少的教学环节．

4 定性和定量相结合的科学思维

定性分析和定量探究是物理教学中常用的两种方法．定性分析是通过对物理问题的分析、解构,重新构建理想化的物理模型,再用物理知识定性地解释物理现象,描述物理规律的过程．定量研究是在定性分析的基础上,将物理模型清晰化,用适当的数学方法求出精确解的过程．定性分析更多侧重于对于问题的整体把握和理解,而定量分析则更利于抓住问题的本质．

教学环节:在探究条形磁铁、直线电流、环形电流、通电螺线管等基本模型的磁场分布特点时,均采用了定性分析的方法．用铁屑模拟法,模拟了周围磁感线分布形状,解决了“看不见、摸不着的磁感线如何描述”的问题．同时引导学生回顾了描述磁场方向的方法:小磁针静止时N极所指的方向是某一点的磁场方向(见图6)．

图6 定性分析：铁屑模拟法

在空间某一位置具体的磁感应强度大小是多少?如果想要得到更直观、更有说服力的实验结论,则必须要由定性分析上升到定量探究．从定性到定量的探究,也符合科学探究的基本思路．笔者以通电螺线管为例,用磁传感器定量探究了通电螺线管内部磁感应强度的大小,并做出磁感应强度的大小随位置变化的图像．实验发现,通电螺线管内部的磁感应强度大小,在一定范围内保持不变(见图7)．

图7 定量探究：磁传感器测量法

综上,以“几种常见的磁场”教学为例,阐述了科学思维培养的4种基本方法:课堂和生活相联系、局部和整体相协调、抽象和具象相统一、定性和定量相结合,力求在物理课堂教学过程中使学生形成科学思维、树立科学意识、提升核心素养．