“学习”进阶视域下凸显科学思维的探究性教学设计

黄佳

摘   要：根据学习进阶理论，构建凸显科学思维的学习进阶链，一步步进阶，由现象到本质，由低阶到高阶，由简单到复杂，逐步培养学生的科学思维能力，培养学生对核心概念的理解和运用，从而发展学生的学科核心素养。文章以学习进阶理论构建了学习进阶思维链，解决了“楞次定律”探究过程中科学思维缺失的问题。

关键词：学习进阶;科学思维;创新实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）10-0032-5

1    学习进阶理论

学习进阶是描述学生在学习某一核心概念时，具体思考、习得的路径。利用学习进阶理论，教师可以了解学生的思维发展，制订有效的学习进阶链，从而进行有效教学。根据层级复杂度和知识整合等认知理论，构建学习进阶的发展层级模型，见表1[1]。

学习进阶理论应用于课堂教学过程中，围绕某一核心概念或核心知识进行精心设计，力图在课堂教学中呈现核心概念或者核心知识的连贯一致、循序渐进。整个教学过程的起点为学生课前具备的水平，通常表现为对核心概念或者核心知识的先前理解。学习进阶的终点为期望学生达成的水平，由培养学生的学科核心素养决定。科学思维在学习进阶的起点和终点之间的过程，也是高中物理学科核心素养的要素之一，其本质包含情境转换、现象分析、证据意识、质疑创新等方面。发展科学思维是指学生在研究物理问题时运用科学的思想与方法，对问题所给的已知信息进行加工，最终获得新知识的思考过程。教学过程中应注重科学思维，认识到知识、概念是学习活动的载体而非目标，其目标在于能够找到认识和研究自己所处世界的科学方法，实现学生物理核心素养的提升[2]。

2    基于学习进阶理论例析“楞次定律”教学设计

以“楞次定律”教学为例，课堂教学的重点是通过实验探究得出楞次定律。在探究过程中，如何引入感应电流产生感生磁场显得尤为关键。教学过程中如果未处理好这个环节，探究就会变成“假探究”，学生的科学思维得不到深层次的发展。笔者通过大量的课例分析、文献阅读，归纳出三种典型的课堂教学设计。

案例1：基于人教版高中物理选修3-2中的实验探究所组织的教学设计。

图1中的实验装置即为演示产生感应电流条件的实验装置，在探究感应电流方向的过程中，引导学生填写实验记录卡（见表2）。通过实验现象分析，引导学生完成对楞次定律的探究。

评析：科学思维的缺失和思维进阶的跳跃导致了教学过程沦为“假探究”。

观察表2中的实驗记录后发现，感应电流的方向与原磁场方向和通过闭合回路的磁通量都无关时，如何引导学生的思维进入下一层级就尤为重要。这正是案例1中的“思维跳跃”——直接引导学生探究感应电流的磁场与原磁通量变化间的关系，让探究沦为“假探究”，学生的思维在课堂上也得不到应有的发展（如图2）。

案例2：基于沪教版高中物理选修3-2中的实验探究所组织的教学设计。

利用图3中的实验装置，通过观察磁铁与闭合铝环间的相对运动来探究感应电流的方向。从闭合铝环的受力情况出发，引导学生分析感应电流的磁场方向和闭合铝环的极性，继而完成对楞次定律的探究。

评析：科学思维起点定位的偏差和思维进阶的因果顺序导致了教学过程变为“假探究”。

从图4中展示的案例2的思维进阶图中可以看出，该教学设计中的实验探究解释了如何引导学生去研究感应电流的磁场方向。但是，实验探究过程“因果倒置”，相当于从结果出发逆向推导出楞次定律。这样的教学设计缺乏思维的逻辑顺序，学生不知为何要从受力角度研究，致使与学生的思维起点冲突。

案例3：综合案例1和案例2的组合教学设计。

楞次定律的组合教学设计分成两个探究过程，案例1探究了影响感应电流方向的直接因素，即原磁场方向和穿过闭合回路磁通量的变化。案例2中从受力的角度引入感应电流的磁场方向，从而完成对楞次定律的探究。

评析：科学思维的不连贯性导致探究过程缺乏深度。

从图5中展示的案例3的思维进阶图中可以看出，该教学设计的探究过程充分地避免了前两种案例中“假探究”的因素，又兼顾了思维过程的逻辑性。但是，从思维进阶图中可清晰地看出，学生的物理思维过程并不是连贯、层层递进的。

笔者按照感应电流产生的条件，从思维的逻辑角度分析，探究过程应该按照过程1进行。当科学探究遇到困难时，我们是另辟蹊径地寻找有利于课堂教学的方法，还是引导学生根据现有的实验数据继续研究。笔者认为，前者的探究过程是沿着教师预设的轨迹在进行，而后者更加有利于学生科学思维的培养。

3    基于学习进阶理论的“楞次定律”创新教学设计

3.1    思维的起点

学生思维的起点对于学习进阶链至关重要。学生刚刚学习了感应电流的产生条件是磁通量的变化，那么探究感应电流方向的思维起点是寻找和磁通量变化之间的关系。

但是，这样的思维起点对于刚刚接触电磁感应的学生而言显得有点高，那么把高起点逐层分解，让学生更容易地进行科学探究，也更有利于思维的培养。

思维起点层级1：感应电流方向和原磁场方向的关系。

分析：感应电流的产生与原磁场的变化有关，因此学生的第一反应大都是研究感应电流方向与原磁场方向的关系。根据表2记录可知，两者无直接关系。

思维起点层级2：感应电流方向和原磁场大小（即原磁场运动方向）的关系。

分析：探究实验中用原磁场的运动方向体现穿过感应线圈的磁感应强度的大小。由表2可知，感应电流的方向与原磁场大小无直接关系。

思维起点层级3：感应电流方向和原磁场磁通量（原磁场大小、方向的共同作用）的关系。

分析：根据表2中记录的现象可知，感应电流的方向与原磁通量无直接关系。

思维起点层级4：感应电流方向和原磁场磁通量变化间的关系。

分析：根据表2中记录的现象可知，感应电流的方向与原磁通量的变化无直接关系。

3.2    思维的进阶

在得出感应电流方向和原磁场和原磁通量之间没有直接关系的结论后，引导学生探究感应电流的磁场与原磁场、原磁通量之间的关系即为科学思维进阶的重点，由此便可破解案例1中的“假探究”问题。

进阶思维层级1：分析相同感应电流的方向所对应的两种磁通量变化的共同点。

以实验1中产生顺时针的感应电流为例，对应的两种情况的原磁通量变化情况为：通过感应线圈的磁通量向下减小和通过感应线圈的磁通量向上增大。

类比联想：如果一个力做负功，也可表述为受力物体克服这个力做了正功。引导学生以感应线圈为研究对象，分析可得磁通量向下减小和磁通量向上增大的本质是相同的。由此可得，产生相同感应电流方向所对应的磁通量的变化情况是相同的。

到这一阶段，已经很接近实验探究结果了，只是还没有办法通过更加具有普适性的文字来描述感应电流的方向和磁通量变化之间的关系。

进阶思维层级2：分析相同的感应电流方向是否还包含了其他隐形的信息。

原磁通量的两种变化形式实则表明了相同的磁通量变化，形成相同的感应电流方向。

引导学生进行深入的思维探究，感应电流的方向还决定了感应线圈所形成的磁场方向，意味着感应电流产生的磁场方向也是相同的。这样的科学思维过程正是案例1中所缺少的必要环节，也是锻炼学生思维的一个最重要环节。

进阶思维层级3：分析感应电流的磁场与原磁通量变化之间的关系。

引导学生分析得出结论：感应电流的方向与原磁通量的变化有关，具体表现为感应电流的磁场总是阻碍原磁通量的变化。这就是隐含在实验现象下的物理规律。

3.3    创新实验验证

理论探究完成了对学生思维的锻炼，得到了楞次定律的内容。笔者设计了创新物理实验，让学生感受感应电流磁场的存在，验证感应电流的磁场方向，并体会阻碍的相互作用。

图3所示的沪教版实验装置能清晰地反映楞次定律中阻碍的作用，但不能把铝环中的电流方向展示出来。笔者在此基础上结合图1所示的人教版中的实验装置进行创新改进。准备两个独立的100匝线圈，一个线圈中顺时针安装一个红色LED灯，另一个线圈中逆时针安装一个绿色LED灯，两个线圈独立、并排捆绑在一起，再将其固定在一个轻质小车上，如图6所示。

分别将磁体N极、S极快速插入、拔出小车上的线圈，记录小车的运动情况及LED灯的发光情况，实验数据记录见表3。

创新实验验证层级1：感应电流的方向与原磁通量之间的关系。

由表3中记录的LED灯发光情况可知，感应电流的方向与原磁通量无关。

创新实验验證层级2：感应电流的磁场方向与原磁通量之间的关系。

从表3记录的小车运动情况得到感应电流的磁场方向，引导学生分析得出感应电流的磁场方向与原磁通量无关。

创新实验验证层级3：感应电流的方向与原磁通量的变化之间的关系。

根据表3中实验的记录，引导学生分析得出结论：感应电流的方向与原磁通量的变化有关，具体表现为感应电流的磁场总是阻碍原磁通量的变化，即为楞次定律。

3.4    思维的终点

通过物理学史，让学生明白科学规律是经过科学家们大量的实验探究才能得出的。

4    总结与思考

基于学习进阶理论的“楞次定律”教学设计，以学生的元认知为教学起点，以学生对核心概念的思维过程为教学路径，以学生对科学概念的层层建构为教学目标，使学生在课堂教学的思维进阶链中发展了思维并锻炼了能力。本教学设计解决了楞次定律探究过程中对于感应电流磁场引入问题的诸多疑问，解决了基于从感应线圈受力进行的教学设计中的思维倒置问题，设计了思维进阶链让学生的课堂探究能连贯、深入、自然地进行，希望笔者的思考能够给一线教师带来一点帮助。

参考文献：

[1]郭玉英，姚建欣. 基于核心素养学习进阶的科学教学设计[J]. 课程·教材·教法，2016，36（11）：64-70.

[2]徐卫华. 发展“科学思维”素养的探索与思考——以“伽利略对自由落体运动的研究”教学为例[J]. 物理教师，2019，40（10）：8-11.

（栏目编辑    邓   磊）