基于物理学科关键能力培养的“启发+探究”式教学——以“磁感应强度”教学为例

江 山

(吴江汾湖高级中学，江苏 苏州 215211)

关于物理学科能力，大致包括观察能力、实验能力、思维能力、分析和解决问题能力、创造性思维能力等.结合《普通高中物理课程标准》对“物理学科核心素养”的要素及内涵的阐释，综合相关学者的研究，笔者认为，物理学科关键能力包括：物理概念理解与推理能力，综合分析与物理模型建构能力，物理观察与实验探究能力，同伴合作与物理创新能力.

启发式教学主要以“以教促学”教学思想指导，更多强调教师的主导作用，侧重启发学生对知识本身的理解,在启发学生学科思维、探究方法、数据分析、抽象概括等方面有所不足.探究式教学则侧重于学生在学习过程中学习科学研究的过程和方法.随着我国基础教育改革的持续推进，探究式教学在理论研究中越来越受到重视，但是在实践应用中却进展缓慢，存在着形式化、走过场的问题，也有以简单的活动代替深入的探究.

基于此，笔者以建构主义理论、人本主义理论和问题教学理论为指导，以培养物理学科关键能力为指向，提出具有高中物理学科特质的“启发+探究”式教学样态.笔者认为，高中物理“启发+探究”式教学是指：物理教师以培养学生物理学科关键能力为根本指向，从学生的认知基础和认知规律出发，在提炼物理学科大观念的基础上，创设真实的问题情境，形成弱结构的问题空间.通过师生、生生、生本等多元化的相互启发和协作互动，开展以真实的物理实验探究为主要形式的学科教学实践，并在问题解决的过程中获得物理学科知识、形成物理学科观念、提升物理学科思维、培养批判创新能力的一种课堂教学样态.

1 深入分析教材，梳理物理观念，生成教学主题

物理观念决定我们研究问题的切入角度，它是对解决一类或几类问题所用的物理思想、物理方法概括提炼而成的.而往往很多学生缺乏对物理知识背后蕴含的学科观念的领悟，不能把握物理知识间的内在联系，其学习表现为对物理事实、概念、原理的碎片化记忆，对事物本质的认识浮于表面，缺乏用物理观念解决实际问题的思路与方法.

因此，在实际教学中教师需要首先深入分析教材，把教材中超越具体物理知识的物理观念梳理出来，将这个物理观念的建立作为教学的认识论目标(最高层次的目标)，以此确定教学主题.教学主题是学生在一堂课上所探究的物理学科中最核心、最关键的问题.教学设计的明线是物理核心知识与结构的探究与理解，教学设计的暗线是物理思想、物理方法的运用能力的培养.

例如，“场”是一种客观存在的物质，如重力场、电场、磁场等，他们的共性就是对放入其中的一些物体会有相互作用，科学家就利用这一性质来认识和研究这些”场”.

在“磁感应强度”的教学中，通过对教材的梳理，就可以以“场”的这一性质为切入点，设计一组问题逐步生成教学主题.

问题1：我国古代的四大发明之一指南针，它是靠什么工作的？

问题2：丹麦物理学家奥斯特通过观察到什么现象发现了电流周围有磁场的？

磁极间、磁极与电流间的相互作用是通过磁场发生的，电荷间的相互作用是通过电场发生的，两者相似，在教材中，也是指导学生通过类比的方法找出表示磁场强弱的物理量，有意将学生的思维往“场”观念的方向引导.因此，在教学中，可以以跟电场类比为主线进行教学设计，增强学生对“场”观念的认识.

问题3：两个点电荷之间的库仑力靠什么产生的？两个磁极间的作用力靠什么产生的？

问题4：电场看不见、摸不着，可以通过怎样的方法感知它？

问题5：在研究电场时引入检验电荷来研究，在研究磁场时引入什么物体来研究？

反思：对物质的认识，从实物粒子到“场”，是学生认识的一次飞跃，而且以“场”为出发点来分析和解决问题，对学生的思维来讲是一次转折，也是一次挑战.基于物体间的相互作用(物与物)这个前认识，通过磁场与磁极间相互作用(场与物)的启发，加深了学生“场”的物质观的理解，又通过磁场与电场的类比，将学习电场时初步建立的“场”的观念迁移应用到磁场的学习中来，使学生的思维得到了拓展.这样，就以“磁场”的教学为载体，帮助学生构建“场”的观念.

2 创设真实情境，提出探究问题，铺设探究路径

一个教学主题中必须形成两个关键内容： (1) 学科“大观念”，即探究此主题所需要的观念； (2) 真实问题情境：包括真实的现实生活情境和学科情境.

学生面对真实的问题情境运用怎样的思维方式去分析，然后提出需要科学探究的物理问题呢？这就需要教师通过一连串有启发性的问题引导学生思考、选择；根据观察或大量实验数据采用归纳推理还是演绎推理得出结论；运用类比还是转化方法研究；从论据中对论点提出质疑等等.这些模仿科学家当时研究问题时的情境并不断地启发还能让学生亲历、体验科学家的研究过程，不仅有利于学生对物理知识本身的理解，对形成物理科学思维也有较大的意义.

在“磁感应强度”教学中确定了教学主题后，接下来就要为学生创设真实情境，为探究做准备.

学生体验1：用条形磁铁1的N极靠近条形磁铁2的N极，感觉到两磁极相互排斥；用条形磁铁1的N极靠近条形磁铁2的S极，感觉到两磁极相互吸引.

问题1：在电场中的同一位置放置正电荷和负电荷时，正、负电荷受到的静电力方向不同，说明了什么？

问题2：实验桌上都有一根条形磁铁和几个小磁针，将小磁针放在磁铁的周围，观察小磁针的指向，发现了什么？

问题3：通过初中对磁场的学习，应该对条形磁铁周围的磁场有所认识，能否摆放这些小磁针来验证一下？

通过这样的启发，在提出了有价值的探究问题的同时，也使学生验证了已有概念.学生可以摆出条形磁铁周围的小磁针如图1.

学生体验2：两块体型较大的马蹄型磁铁吸在一起后，很轻松地就能将它们分开，而两块体型比较小的钕铁硼磁铁吸在一起后，两个男学生一起拉都很难将它们分开.

问题4：可以看出不同的磁体在它周围产生的磁场强弱是不同的，磁场的强弱跟磁体的大小也没有关系，那么，可以通过什么来反映磁场的强弱呢？

问题5：在学习电场强度时，通过放入电场的检验电荷的受力情况来研究电场中各处电场的强弱的，并从检验电荷的受力来反映电场强弱的.类似电场强度的定义，能否通过测量小磁针在磁场中的受力来反映磁场强弱呢？

问题6：因为不存在只有一个磁极的磁体，难以通过测量小磁针的受力来研究磁场的强弱.那磁场还对什么会有力的作用？

初步确定了探究方向：探究通电直导线在磁场受到的力.

反思：一个新概念的形成，需要将学生之前的一些“碎片化”的知识、感性的认识收拢起来.通过演绎推理、类比等思维方式进行优化整合，以达到知识的重构，形成正确的稳定的物理概念.可以通过设置一个问题串，以此作为台阶，使学生的思维一直处于活跃状态，激发学生的求知欲望.在此过程中，学生在完成了知识目标的同时，思维品质也不断得到了提升，在这样的问题串引领下，所要探究的物理问题逐渐浮现在学生眼前，学生将很乐意接下来的探究过程.

3 师生合作探究，启发探究方法，亲历物理实践

在探究过程中，设计合适的探究方法是难点，它考验学生应用已经掌握的物理知识来解决实际问题的能力，运用怎样的物理规律把一些无法直接测量的物理量转化为可以观察和测量的物理量，选择哪些合适的测量仪器，哪一个实验方案更合适，当在实验中又生成了新的需要探究的问题时如何继续探究等等.假如教师完全放手，只能导致学生的忙乱，一堂课下来，收获很少，还可能增加了学生的负担，对物理的学习产生畏惧.所以，笔者认为，在这一过程中，教师的启发引导作用要充分体现，教师重点在探究方法选择及实验方案优化上进行启发，在探究过程遇到困难时启发学生创新改进实验方案.在师生合作探究中让学生亲历学科实践，提高学生的科学探究能力.

在“磁感应强度”教学中，明确了从研究通电导线在磁场中受到的力来探究反映磁场强弱的物理量之后，就可以在学生已有知识的前提下，根据学校实验室具备的实验器材启发引导学生制定合理的探究方案.

图2

问题1：在如图2所示的实验中，通电导线受到的作用力是沿水平方向的，怎么去测？怎样用一个电子台秤来测出通电导线受到的磁场力？可将图中的实验装置怎么改进？

初步形成探究方案：

每个实验组桌上放有实验器材：3组马蹄形磁铁(每组两块磁铁)、2个铁架台(用1根金属横杆跨接)、电子秤、细铜棒、导线若干、滑动变阻器、电源、电键等.

图3

设计实验：如图3，将两铁架台放在实验桌上，蹄型磁铁开口向下倒挂在两铁架台间的金属横杆上，使蹄型磁铁的磁极离细铜棒的距离在3 cm左右，磁极正下方放置电子台秤，台秤上放细铜棒，并将台秤示数清零(消除细铜棒重力影响)，将细铜棒接入电路，为保护电路，在电路中串入滑动变阻器，细铜棒通电后，可通过台秤的示数反映细铜棒受到的磁场力.

问题2：只测一次细铜棒受到的磁场力能反映磁场的强弱吗？

同一地方测出多个细铜棒受的磁场力，做出比较后才能找出规律.

问题3：细铜棒的要素有两个(自重已清零)：一个是棒中电流的大小，另一个是棒的长度，这两个要素不一样的棒在磁场同一个地方受到的磁场力会一样吗？怎么改变棒中的电流大小和棒的长度？

图4

修改实验方案：如图4，在电路中串入滑动变阻器，滑动滑片来改变棒中的电流.磁铁可改变组数，以此来改变棒在磁场中的长度.

实验数据如表1，其中细铜棒通电长度L由磁铁的块数决定，1组(2块磁铁)长度L记为2，2组(4块磁铁)记为4，3组(6块磁铁)记为6.(因只需得出比例关系，故磁场力大小用电子秤示数表示即可)

表1 测量数据

反思：实验能力是科学探究中的重要能力，利用实验室现有的器材，设计出实验方案，是科学探究重要环节.此时，就要充分发挥教师的主导作用，在学生原有的基础上，以问题为引领，逐步的启发，铺设探究路径，逐渐完善探究方案.而培养探究能力更重要的途径是学生的直接参与，充分发挥学生的主体作用，让他们亲身经历实验探究这种学习活动，在“做中学”.由他们自己收集实验数据，制作记录数据的表格.在实验的过程中，遇到了困难，发现了与自己的认知相冲突的问题，既能让学生体会科学家在发现物理规律时的艰辛，又能激发学生的思维，在不断的生疑，解惑中，在师生的共同参与下，逐步提高学生的探究能力.

4 交流探究结果，启发形成概念，注重真实评价

在经历了师生合作探究过程后，要将探究的结果“物化”，以此表现学生科学思维、科学探究能力的提高.如何“物化”？

科学探究中得到大量的实验数据，通过对数据的分析论证会得到实验结论.这个过程中需要各个探究小组、同一小组中的每个成员把各自的实验数据和结论汇总交流，只有在对大量数据分析的基础上得出的实验结论进行概括抽象才能上升为概念和规律.

在这一环节中学生面临的难点在于：如何从一条条实验结论中概括抽象形成概念规律？所以，教师启发的重点在于如何分析实验结论并上升为概念规律.

在上述第3个环节的实验得出测量数据后，如何引导学生交流讨论实验数据呢？

问题1：实验数据的一般处理方法有观察法、比值法、作图法等方法，对实验中得到的测量数据可以用什么方法来处理？

问题2：物理学中还有个类似于点电荷的物理量——电流元，把很短一段通电导线中的电流I和导线长度dL的乘积Idl叫做电流元.那么，是否可以去研究一段电流元受到的磁场力？

真正的电流元难以实现，但根据蹄型磁铁产生磁场的特点，细铜棒所处位置的各处磁场强弱接近相等的，所以，在实验中可以用一段通电直导线替代.这样表1中的数据只要研究电子秤示数所反映的磁场力F与IL即可，如表2.

表2

图5

问题3：假如某个物理量是一个常量，它很有可能反映一种物质的某种性质，或者反映一种物体的某个属性.那么这个比例系数k能反映磁场的强弱吗？怎样通过实验来验证？

进一步实验：减小磁铁与细铜棒的距离至1 cm左右，再次实验.得到的实验数据如表3.

表3

通过作图法，作出通电导线受的磁场力F与IL的关系图线如图6，发现仍是一条过原点的直线，但直线的斜率比第一次作出直线的斜率大.

图6

反思：实验结果不等同于实验结论，结果是在实际的物理过程中得出的，具有客观性，需要经过比较、类比、归纳、演绎等科学思维不断的试探，在试探中质疑，质疑后再推理，逐步找到科学规律，最后“物化”为结论的.在这一过程中，教师从比较法、比值法、图像法等数据处理的常用方法进行启发，引导学生对自认的结论进行质疑，启发他们再次设计实验方案，寻找证据，依据证据进行论证、交流、评价，从而得出结论，而这样得出的结论才能应用到解决实际的物理问题中去.