构建创新思维课堂培养学科核心素养

刘冬梅 焦健生

[摘   要]物理作为一门逻辑思维很强的学科，特别有利于培养学生的创新思维能力和学科核心素养。课堂是培养学生“创新思维”的主阵地，教师在课堂教学中应为学生创设出具有“创新思维”特点的情境，设计出具有“创新思维”导向的素材，并引导学生体验具有“创新思维”元素的过程，从而构建创新思维课堂，培养学生的学科核心素养。

[关键词]创新思维;学科核心素养;模型构建

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2020）32-0042-03

我们知道，“科学思维”和“实验探究”是物理学科核心素养的两个要素，其中“科学思维”包含了四个方面，即模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新，其中“模型建构”是科学思维最基础的活动，“科学推理”和“实验探究”则是科学思维中的方法和行为，而“质疑创新”是对不同观点或结论的质疑、批判。可见，科学思维和科学探究是培养学生创新思维的必备方式和行为，更是学生形成物理学科核心素养的重要途径。

物理作为一门逻辑思维很强的学科，特别有利于培养学生的创新思维和学科素养。课堂是培养学生“创新思维”的主阵地，教师应在课堂教学中为学生创设出具有“创新思维”特点的情境，设计出具有“创新思维”导向的素材，引导学生体验具有“创新思维”元素的过程，给学生以充分的发展和创造的空间，不失时机地培养学生的创新思维能力。下面以“交变电流的产生”拓展课为例，谈谈如何构建创新思维课堂，培养学生的学科核心素养。

这节拓展课是作者对人教版教材中“交变电流”一节内容的拓展延伸，课堂教学的主要方式是“同中求异，异中求同，拓展迁移，融会贯通”，通过对物理情境的改造或变形，激活学生的创新思维，培养学生的物理学科核心素养。

一、基于教材中的物理模型，构建新模型，培养学生的创新思维意识

学生要有一定的创新思维能力，首先要有扎实的物理知识、分析和解决问题的基本能力。其次要有一定的物理模型建构能力，再就是要有运用数学知识解决物理问题的能力。没有一定量的相关知识、方法和能力，创新思维就犹如无源之水，创新就难以进行。

“交变电流”这节内容是上一章“电磁感应”知识的具体应用。学生在上一章已经学过了电磁感应中楞次定律和法拉第电磁感应定律等相关知识，能够判断和计算交变电流的方向和大小，并且对感生电动势和动生电动势的生成本质进行过区分，这为本节课的学习打下了一定的理论基础。

教师在学生掌握了传统发电方式的基础上，大胆“创设”出“新的”发电方式，让学生思考、探究和领悟创新思维的方法。

【教学片段1】

教师创设问题情境，要求学生回忆一下正弦式交流电是怎样产生的，学生能够从装置和操作等方面回答这个问题，即将一个平面线圈置于匀强磁场中，并使其绕垂直于磁场方向的转轴匀速转动，这样就能产生随时间呈正弦规律变化的感应电流，如图1所示。

设置问题1.这种电流的产生，本质上是对哪个物理规律的应用？

生：是对法拉第电磁感应定律的应用。

设置问题2.为什么会产生这种方向不断变化的正弦式变化的电流？

生：是因为线圈的转动，导体框的两边切割磁感线的方向发生变化，导致产生的感应电流方向发生变化。

其实这样的回答是只看到了现象，还没有抓到现象的本质。教师引导学生进一步思考。

设置问题3.产生电磁感应现象的条件是通过线圈的磁通量发生变化，那么产生正弦式交流电的线圈的磁通量随时间又有怎样的变化规律呢？学生分组讨论。

学生通过讨论能够得出通过线圈的磁通量的变化规律（如图2所示）。

此处学生在数学上如果有一定的微积分基础，分析起来就更为方便。如果学生没有微积分基础，教师也可以通过引导学生联想[Δφ-t]的图像规律与[e-t]的图像规律相一致，从而得出对应的[φ-t] 图像。再通过比对图1进行验证，加深对[φ-t] 图像（因）与[e-t]图像（果）之间的联系，让学生抽象出一般规律。

二、运用分析综合、推理论证等方法，点燃创新性思维的火花

罗杰·冯·伊庄（美国）认为：“知识本身不会使一个人具有创造力。创造力的真正关键在于如何活用知识。活用知识和经验来寻找新点子、新创意，就是培养创造性思考所需的态度。”这个观点告诉我们，要培养一个人的创新思维，活学活用知识非常重要，活用的重要方式就是联想和发散思维。

【教学片段2】

师：如果從正弦变化这个角度，你能用其他方法产生这样的电流吗？

这是个具有开放性的问题，问题既要求学生发散思维，又要求学生收敛思维，聚焦问题。问题提出后，可要求学生先自主设计，再小组讨论。通过讨论，形成如下方案。

方案一：若线圈大小不变，而垂直它的磁场磁感应强度按正弦规律变化，[Bt=B0sin ωt]，则[ΔBΔt=B0ωcosωt]，穿过它的磁通量的变化率就按余弦规律变化，由法拉第电磁感应定律可知，产生的就是正弦式交流电。

原理如图3所示，A、B为两个相同的环形线圈，共轴并靠近放置。A环中通有图3中A所示的交流电i，A环产生正弦式变化磁场，B环处在A环的磁场中不动，有效面积不变，则B环中的磁通量也按照正弦规律变化，那么，B环中就会产生图3中B形式的交流电。

方案二：在匀强磁场中，由[E=BLv]可知，若切割速度按正弦规律变化，[v=v0sin ωt]，则[e=BLv0sin ωt]，产生的就是正弦式交流电。可以创设如图4所示的情境，水平固定放置的间距为L的两根光滑平行的金属导轨，导轨一端接阻值为R的电阻，整个装置放在竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度为B，一电阻是r、质量为m的导体棒放在导轨上，棒在外力F作用下开始运动，其速度随时间的变化规律是[v=v0sin ωt]，流经电阻的也是正弦式交流电。

方案三：在匀强磁场中，由[E=BLv]可知，若导体棒的切割速度不变，切割的有效长度按正弦规律变化，则产生的也是正弦式交流电。

原理如图5所示， x、y为两相互垂直的光滑直导轨，水平放置在桌面上， MN为一正弦曲线型导轨，且与x、y轴导轨绝缘（足够长），如果以x、y为坐标轴，则正弦曲线的函数关系为[y=y0sin 2πx] ，导轨处于垂直于桌面的匀强磁场中（图中是向下），磁感应强度为B，一直导体棒从原点O开始在拉力的作用下以速度v向右匀速运动，且直导体棒与x轴导轨及曲线导轨接触良好，在MN曲线导轨的左端a处接一电阻R和一理想电流表A，产生的也是正弦式交流电。

方案四：利用相对运动的思想，将图1中的线圈固定不动，让磁场绕着原来线圈的转动轴做匀速转动，也可产生正弦式交流电。

三、对不同观点和结论进行评估和判断，强化学生创新思维的成果

上述四种方案，通过思维发散，学生能得出四种产生正弦式交流电的方案，几乎涵盖了引起磁通量变化的各种方式。教师可以引导学生对这四种方案进行评估和判断，从而强化创新思维的成果。

【教学片段3】

设置问题1.请大家对这4种方案进行评估和判断，是否都能产生正弦式交流电。

生（研究和思考后）：可以。

学生对上述4种方案的评估和判断过程，也是对同学提出的不同观点和见解的再次思考和检验的过程，提升了思维的准确性和批判性，这也为创新思维的培养打下基础。

设置问题2.这几种方案之间又有什么共性和区别？你们能否再进行归类整理成两种类型？

生：方案二、方案三，是在匀强磁场中（即保持磁场的磁感应强度恒定），通过改变线圈垂直于磁场方向的投影面积（即产生磁通量的有效面积），从而改变闭合回路中的磁通量，产生正弦式交流电。方案一和方案四是保持线圈垂直于磁场方向的投影面积（即产生磁通量的有效面积）不变，使磁感应强度按时间做正弦规律变化，使得闭合回路中的磁通量也按照正弦规律变化，也产生了正弦式交流电。

四、回归生活升华创造性思维的成果，培养学生提出创造性见解的能力

【教学片段4】

创造性思维的成果应用于生产生活将其转化成创造行为，才能将方案变为现实。

问题设置1.你对哪一种发电方案感兴趣？谈谈你将如何实现这种方案。

生1：我对方案二感兴趣，可以通过电脑的编程实现对速度的自动化控制。

生2：我对方案一感兴趣，只要有两个比较靠近的线圈，就可以实现电流从一个线圈到另一个线圈的感应。

生3：我对方案四感兴趣，如果转动磁場，就不需要让线圈转动，不会在滑环和电刷之间产生摩擦，损耗电能了。

……

发现在这个问题上，学生讨论得最激烈，而且思考的角度也与我们实际生活中的案例逐渐贴近，例如生2提到的就是互感现象的应用，也是变压器工作原理的雏形。生3提到的旋转磁场减少摩擦耗能就是旋转磁极式交流发电机的优势。虽然学生不能很完备、很细致地考量，但通过设问的形式激发学生主动思维的热情，将所学的知识情景化、实例化，回归生活，升华创造性思维的成果。

问题设置2.请大家课后查阅相关资料，看一看实际的交流发电机采用的是什么方案，为什么选择这个方案。如果你要实现你感兴趣的发电方案，在哪些方面还可以进一步完善？

在“交变电流的产生”拓展课的教学实践中，作者感悟到通过构建创新思维课堂提升学生的科学思维能力，是行之有效的。这需要教师合理整合可以构建创新思维课堂的素材，采取合理有效的教学方法，顺应学生思维发展的特点，充分调动学生的主观能动性，将科学思维的几个要素落实到课堂教学中，进而真正培养学生的物理学科核心素养。

[   参   考   文   献   ]

[1]  中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]  陈琦，刘儒德.当代教育心理学[M].2版.北京：北京师范大学出版社，2000.

[3]   封小超，王力邦.物理课程与教学论[M].北京：科学出版社，2005.

（责任编辑 易志毅）