科学思维融入电磁学教学的探讨——以电场线、叠加原理为例

李忠文，王延宗，刘 昊

(淮阴工学院 1.数理学院； 2.应用技术学院，江苏 淮安 223003)

在新时代中国特色社会主义思想的引领下，中国高等教育事业加速发展，迎来了蓬勃发展的新高潮。我国高度重视高校大学生的科学思维培养工作，强调要用科学思维去观察、思考、分析问题。高校哲学社会科学有重要的育人功能，要面向全体学生，帮助学生形成正确的世界观、人生观、价值观，提高道德修养和精神境界，养成科学思维习惯[1]。学习运用科学思维去分析问题，有利于增强工作的科学性、预见性和创造性。

1 科学思维中的认知理解概述

1.1 科学思维的发展历史

科学思维理论最初是为儿童学习而开发的，因为其起源于自然科学，所以主要涉及物理学等自然科学的学习。Kuhn等人指出“思维技能的教学已成为被广泛关注的话题”，并且“科学教育的主要目标应该是培养科学思维的技能”，这些技能包括科学过程技能、程序技能、实验和调查科学、心智习惯、科学探究能力、科学推理能力以及批判性思维技能等[2]。现代科学思维的概念是建立在自然科学的科学思维发展理论、高等教育的批判性思维发展理论、推理理论以及认识论发展理论之上的。科学思维很好地描述了各个学科中重要且共同的特征。

1.2 高等教育中的科学思维

高校的自然科学课程要求学生具备更加广泛的技能，而不仅仅是根据上下文进行推理的能力。此外，高等教育应帮助学生为未来的职业生涯做好准备，而不是局限于某一门学科。学生对大学的研究缺乏认识，其表现如：学生与学者对本科生研究的定义不同，导致学生的需求与学者研究经验的可行性之间存在巨大差距。对于学生来说“从不知道自己不知道到知道自己不知道”是一个过渡，学生在此过程中努力很多而进步很少，因此常常想退出学习，可见帮助学生发展科学思维具有一定的挑战性。Murtonen和Salmento分析了大学教师对科学思维是什么的问题的回答，认为科学思维由五部分组成：A.科学的批判性和基础知识。B.认知理解(Epistemic understanding)。C.研究技能。D.循证推理(Evidence-based reasoning)。E.上下文理解[3]。

1.3 科学思维中的认知理解

在科学思维中认知理解与教学的许多方面有关，例如动机、元认知和自我调节学习。认知理解是指学生认识到知识是不确定的、是人类创造的。比如，学生在学习之初希望毕业时掌握所需的所有知识，并希望教师具备所有的知识，能够给出问题的“正确”答案；当学生面对不同且矛盾的答案，开始理解知识的不确定性时，认知理解就开始发展；学生开始质疑知识的简单性，并意识到连教师和书本所具有的知识也是有限且不确定的；最后学生会根据自己的理解对某些知识做出判断。认知理解的发展很缓慢，应在大学低年级时得到更多关注。

2 科学思维融入电磁学教学的探讨

2.1 学生在认知理解方面存在的困难

大学物理中的电磁学课程一般在低年级学生中开设，学生处于从中学到大学的过渡阶段，存在认知理解方面的困难，影响了实际授课中对学生科学思维的培养。以电场线和电场叠加原理为例，对不熟悉矢量场的学生来说，除了要面对电场的抽象性质，还要面对数学的复杂性，学习电场概念存在难度。法拉第第一次提出用电场线形象描述电场，建立场模型，他认为电相互作用是电荷和介质之间的交互作用。在此模型中，介质由于电荷的存在而产生电场，电场又对电荷施加力，其中电场作用不仅限于测试电荷的位置，而是空间中每个位置的属性。该模型取代了远距离的牛顿作用模型，许多物理学教科书在电场主题的开头就引入了这种表示形式，忽视了学生在认知理解方面的困难。比如，学生将电场线当作真实信号对待，影响了学生对电场的理解；学生倾向于将场线视为传输电荷的实体，并将其与轨迹混淆；学生通常难以解释电场线的密度，因为混淆了场的相对大小与电场的曲率；场线具有电场的方向，并难以应用叠加原理。

2.2 帮助学生理解的方案设计

很多学生解题还在使用中学的物理知识，说明学生对电场线的解释不明确，可能干扰叠加原理的应用。通过设计方案，测试学生是否理解了电场线的表示，是否在相关问题中使用了电场叠加原理，旨在掌握学生对电场线的解释如何影响叠加原理的使用。

第一，对于正电荷，要求学生描述在电荷右边距离d处的电场，不需要进行计算。然后在原始电荷左侧的距离d处添加另一个正电荷，要求学生确定电场是增加、减少还是保持不变，目的是让学生使用叠加原理来回答问题。学生认为根据叠加原理，必须像对待孤立电荷一样将每个电荷叠加电场，因为这两个电荷都是正电荷，并且产生的电场方向相同，因此电场强度将增加。“两个电荷都影响”的答案并不意味着正确的推理，因为学生不必考虑该区域的媒介性质，错误或不完整的解释可能会导致学生得出电场增加的正确结论。第二，对单电荷系统电场的描述可能影响学生对两电荷系统电场的理解。对于一个正电荷的系统，学生绘制了各种图表以强调或支持他们的答案。在原始电荷左侧距离d处添加第二个电荷时的电场。这些结果使我们推断电场的矢量表示是学生可以更好地理解叠加原理的指标。第三，电场线图对学生的理解会产生阻碍作用。学生认为由于场界线的存在，额外电荷不会影响该区域；从正电荷开始的电场线改变方向时，电场被“重定向”，它不会与障碍物相互作用。叠加原理是电场的关键特性，对电场线图的错误解释会导致学生忽视叠加原理的应用。第四，绘制矢量或完全不绘制矢量可以帮助学生应用叠加原理。正确的答案是不仅电场增加，而且增加的方向相同。因为在特定位置应用叠加原理时，电场矢量指向相同的方向，它们相加时电场的大小沿相同方向增加。有的学生绘图正确而回答错误，有的学生将电场线理解为对每个电荷都是独立的。这些结果表明对电场线图含义的误解可能会使学生错误地理解和应用叠加原理。正确绘制矢量或完全不绘制矢量可以帮助学生应用叠加原理，并加深其对电场概念的理解。

上述过程围绕电场线与叠加原理的学习，了解学生在认知理解方面存在的困难。若时间允许，可让学生自行查阅文献资料，鼓励其积极表达自己的思考和见解。教师在回答问题的过程中，可与学生开展讨论，还可通过实验验证各自观点，营造科学思维训练的氛围。

3 结语

以电场线、叠加原理为例，阐述学生在学习时存在的认知理解方面的困难，通过设计题目，测试学生是否在相关问题中使用了电场叠加原理，在教学过程中营造科学思维训练的氛围，为探讨电磁学教学模式改革提供思路。