SWH模式在“楞次定律”教学中的应用探讨

陈仁旭 王长江

摘  要：科学论证作为核心素养中科学思维的重要要素，已引起国内外教育工作者的广泛关注。文章以“楞次定律”的教学实践为例，为教师介绍SWH模式，用于指导学生开展科学探究和书面论证活动，从而提升学生的科学论证能力，培养学生的科学思维品质。

关键词：科学论证;SWH模式;楞次定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）10-0006-5

科学论证是当前国内外教育领域的核心议题。自20世纪90年代以来，科学论证受到国际科学教育研究者的普遍关注，美国国家研究委员会于2013年发布的《新一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards，NGSS）[1]明确将“基于证据的论证”列为K-12科学论证中的八种实践之一，并将论证作为科学实践要素用于指导课堂教学[2]。我国《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出，“科学思维”是物理核心素养的主要内容，是学生在学习物理过程中形成的关键能力。科学论证是科学探究的核心，提高科学论证能力不仅是学生学习科学的先决条件，也能够发展批判性思维能力和复杂决策能力，促进核心概念的整合以及深化对知识内容、科学本质的理解[3]。

如何在教学中培养学生的科学论证能力？笔者认为，可以运用Hand和Carolyn Keys等人提出的SWH（Science Writing Heuristic，启发式科学写作）模式改进实际教学，将演示实验课改为需要学生当堂完成实验报告、并动手实验操作的探究性实验课，引导学生提出明确问题、主张、支持主张的证据和理由，并收获一个完整的科学论证过程[4]。大量研究表明，SWH模式能够有效促进学生对科学知识的理解，提高学生的科学论证能力[5-7]。

1    问题提出

1.1    SWH模式概述

SWH模式的内核是向学习者提供一个启发性实践模式，从而指导学生开展科学活动和书面科学论证。通过实验探究、小组合作、交流讨论、说服演说、质疑反驳等科学活动，提高学生以科学推理能力、批判思维能力为核心的科学论证能力，并且促进学生交流合作、汇报演说等论证相关能力的发展。SWH模式包括教师活动设计和学生思考两个模式，一是为教师提供与教学行为建议有关的教师策略模式（见表1），二是辅助学生思考模式（见表2）。

教师策略模式为教师提供明确的教学思路，在保证新旧知识联系、课堂气氛活跃的前提下，引导学生自主建构完整的科学论证过程，提高学生书面科学论证活动的正式性、规范性。

辅助学生思考模式为学生对实验流程的理解、科学论证过程两方面提供支持，同时也在告知学生实验报告、书面科学论证的主要内容包括：最初观点、实验、观察、正式主张、证据、交流、反思。

1.2    SWH模式对培养学生科学思维的积极意义

SWH模式通过引导学生发现问题、设计实验活动、收集证据、明确主张、交流反思，能够有效帮助学生发展科学论证能力，建构科学知识，提升科学认识论水平、批判思维能力和交流能力，促进学生学科核心素养的发展。

《普通高中物理课程标准（2017年版）》对物理选择性必修2中“楞次定律”部分作出明确的学业要求：能够理解楞次定律的内涵，会做“探究影响感应电流方向的因素”等实验。能够根据假设的思路，制定科学探究实验方案。能够正确操作实验器材，获得可靠的实验数据，通过分析数据发现规律，进而通过归纳形成简洁的、具有普遍意义的结论。能分析实验中存在的误差，能够判断误差的来源，能够写出完整的科学探究报告[3]。可见，对于“楞次定律”教学，强调学生发现问题、设计实验、动手操作、分析论证等能力的培养。比较发现，SWH模式为教师和学生提供的教学活动模式与新课标要求非常吻合，并且注重学生的科学论证能力。

2    “楞次定律”教学疑难分析

楞次定律是高中物理教学的重点，是分析和解决电磁感应现象问题的重要支柱。

从教材来看（以旧人教版选修3-2[8]为例），此内容从条形磁铁相对螺线管运动实验入手，简单推理就提出“感应电流磁场阻碍磁通量变化”这一结论，致使学生不明确论证过程中的主张、证据、证据与主张间的联系、反驳等要素，论证过程不够完整，导致学生对楞次定律没有本质性的认识，更得不到清晰的科学论证过程。

从传统教学安排来看，教师多采用演示实验的教学方法。楞次定律涉及的物理量众多、规律复杂，包含磁场方向、磁通量大小、磁通量变化、电流方向、线圈绕向等。多个物理量同时出现在一个物理实验当中时，教师讲授困难，即使认真讲解，也很难保证学生充分理解楞次定律的推理论证过程，教学效果一般。

从学生学习情况来看，学生刚接触电磁感应，知识经验薄弱，突然要探究涉及物理量众多的楞次定律，往往出现研究问题不明确、问题分析不具体、推理论证不充分的情况，无法从物理学视角对楞次定律的内涵和与之相关物理量之间的联系有一个正确认识，难以掌握基于事实证据和科学推理对不同观点、结论提出质疑、批判、检验和修正的科学论证方法。

3    SWH模式在“楞次定律”教学中的运用

笔者尝试以SWH模式为理论基础，综合考虑“楞次定律”教学实际，设计教学思路，探索新型教学模式，见表3。

3.1    环节一：提问引导，明确问题

教师活动：演示实验（人教版选修3-2图4.3-1[8]），创设情境，提出问题串（产生感应电流的条件是什么？如何判断感应电流的方向？我们已经知道磁通量变化与感应电流有一定的联系，能否用磁通量变化来表达感应电流的方向？如何设计实验进行探究？），板书相关物理量概念圖，并指导学生设计实验。

學生活动：根据已有知识经验，明确研究问题，提出初步主张（“磁通量变化与感应电流有一定的联系”），设计实验。

环节一通过演示实验和问题串引导、帮助学生明确研究问题，保障后续探究与论证方向正确，避免以往“楞次定律”教学中学生对研究问题不明确、众多物理量理解不深入、甚至混淆现象的发生。

3.2    环节二：指导实验，收集证据

教师活动：指导学生实验（提示学生表明线圈绕向，记录电流表指针偏转方向与电流方向的关系）。

学生活动：分组实验，记录数据（见表4），思考能否证实初步主张。

环节二给予学生自主实验的空间，符合新课标在“楞次定律”一节对学生动手操作的要求。

3.3    环节三：思考证据，修改主张

教师活动：板书实验结果，指导小组讨论（引导学生根据“磁极方向一致时，电流表指针时左时右;磁通量变化趋势相同时，电流表指针还是时左时右”这一实验现象，说明事实证据反驳了学生的初步主张“磁通量变化与感应电流有一定的联系”），激励学生思考并提出新主张（适时提示感应电流也会产生磁场，该磁场与原磁场方向、感应电流方向均有关）。

学生活动：小组讨论，发现实验结果无法支持初步主张，思考如何修改初步主张，根据教师指导修改主张，再次实验，记录实验数据（见表5），小组讨论总结实验结论（感应电流磁场与磁通量变化有关）。

环节三教师引导学生根据初次实验获得的证据来反驳学生的初步主张，并修改主张。学生通过交流讨论形成统一意见，不仅要表明自己的论点（主张），还要阐述自己推理的依据和过程，这样有利于增强学生的沟通性论证能力，培养学生有条有理、严谨负责、自我批判的科学态度，以及锲而不舍的科学精神。

3.4    环节四：班级讨论，完善主张

教师活动：引导全班讨论（注意及时引导、控制讨论方向，并板书重点内容），引导学生得出结论（感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量变化），选出学生代表发言，重点阐述如何得出结论，证据是什么（视情况做必要的补充）。

学生活动：组间讨论实验结果，综合得出结论即新主张，思考证据如何支持主张。

环节四在全班范围展开讨论，小组代表运用各种证据向其他学生进行分析论证、演说说服，使他人接受主张，有利于培养学生的交流合作能力、提高班级凝聚力。教师带领学生充分体会证据如何支持和完善主张的科学论证过程，深入理解证据（表5）与完善后主张（感应电流磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化即“楞次定律”）之间的逻辑关系。

3.5    环节五：深入讨论，理解内涵

教师活动：讨论交流（Ⅱ），引导全班学生分析结论，例如，“阻碍”一词的含义是什么？从导体与磁场相对运动角度来看，感应电流的磁场有何特点？从能量角度来看，线圈中电能从何而来？

学生活动：回答问题，在教师引导下体会“楞次定律”的内涵。

环节五引导学生从相对运动、能量守恒的角度思考“楞次定律”，加深学生对“楞次定律”物理内涵的理解。

3.6    环节六：整体回顾，思考过程

教师活动：讨论交流（Ⅲ），首位呼应，回顾开头，引导学生反思初始主张，并与最终主张比较。通过课后习题练习引导学生领悟“楞次定律”可推广到其他形式的电磁感应现象，凡是由磁通量增加或减少产生的感应电流，其磁场总要阻碍原磁场磁通量的增加或减少。

学生活动：体会从提出主张—实验获得证据—反驳—提出新主张—再次实验获得证据—最后完善主张的整个科学论证过程。

环节六扩展学生对“楞次定律”的理解，训练学生运用“楞次定律”解决问题的能力，通过反思整个论证过程，提高学生科学推理论证和自我批判的意识。

3.7    环节七：总结重点，书面论证

教师活动：总结科学论证在科学研究中的重要性，帮助学生明确科学论证的基本过程，指导学生完成书面科学论证（见表6）。

学生活动：总结分析实验中遇到的问题，按要求完成书面科学论证。

环节七巩固所学知识，帮助学生收获完整的科学论证过程。

4    结  语

SWH模式不是定式化的，应随教学内容而变化，要符合实际的教学条件和学生情况。使用时教师要把握其核心理念，建立以学生为中心、小组互助的实验论证课堂，重点在于激励学生不断思考，引导学生建立“问题—初始主张—证据—反驳—最终主张—支持证据—结论”的论证思维过程（其中“问题、证据、最终主张、支持证据、结论”必不可少），促进学生科学论证这一高阶思维能力的发展，帮助教师实现由传统灌输教学向注重培养学生科学论证能力教学的转变。

为了有效帮助教师开展基于SWH模式的实际教学，表7列出了是否符合SWH模式的教学行为，便于教师迅速把握SWH模式的关键点，明确SWH教学的设计思路。

参考文献：

[1]张宝辉，张红霞，彭蜀晋.全球化背景下的科学教育发展与变革——2012国际科学教育研讨会综述[J].全球教育展望，2013，42（4）：120-128.

[2]Gillam，David.A Framework for K-12 Science Education： Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas[J]. Science Scope， 2012，36（1）：90-91.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2018.

[4]Kingir S， Geban O， Gunel M. Using the Science Writing Heuristic as a Tool for Learning from Laboratory Investigations in Secondary Science[J]. Journal of Research in Science Teaching， 1999， 36（10）：1065-1084.

[5]Kingir S， Geban O， Gunel Using the Science Writing Heuristic Approach to Enhance Student Understanding in Chemical Change and Mixture[J]. Research in Science Education， 2013，43（4）：1645-1663.

[6]Yaman F. Effects of the Science Writing Heuristic Approach on the Quality of Prospective Science Teachers Argumentative Writing and Their Understanding of Scientific Argumentation[J]. International journal of Science and Mathematics Education， 2018，16（3）：421-442.

[7]Hand B， Shelley MC， Laugerman M， Fostvedt L， Therrien W. Improving critical thinking growth for disadvantaged groups within elementary school science： A randomized controlled trial using the Science Writing Heuristic approach[J]. Science Education， 2018，102（10）： 693-710.

[8]人民教育出版社，課程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-2[M].北京：人民教育出版社，2010.

（栏目编辑    赵保钢）