基于科学思维培养的支架式教学模式研究——以新教材“楞次定律”为例

邓浩仪 张军朋 李德安

（华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510006）

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（2020年修订）提出物理学科核心素养，其中科学思维处于核心地位.科学思维是从物理视角对客观事物的本质属性、内在规律及相关关系的认识方式；是基于经验事实构建理想模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出疑问和批判，进行修正和检验，进而提出创造性见解的能力和品格.［1］但是众多的科学思维元素散落在物理教学内容当中，在实际教学时不容易准确把握，［2］因此，需要理论的指导来对科学思维进行系统性的培养.

1 基于科学思维培养的支架式教学模式设计

教育学家们在建构主义教学理论基础之上，融合维果斯基最近发展区理论，发展出了支架式教学模式.支架式教学具有5 个基本环节——创设情境、搭建支架、协作学习、独立探索、协作学习和效果评价.［3］在这5个环节中“搭建支架”为核心环节，作用于其他4个操作环节.支架式教学模式对学习者在学习效率、归纳方法、工具选择、问题分析等方面能力的提升有显著作用.［4］除此之外，文献［5］中作者强调借助于教学支架，能够有效提高青少年的高阶思维.对此，本文设计了如图1所示的基于科学思维培养的支架式教学模式.

图1 基于科学思维培养的支架式教学模式

该模式在“创设情境”“独立探究”“协作学习”和“效果评价”4个操作环节中均在学生的最近发展区中搭建支架，利用支架对思维的培养贯穿于教学过程始终，促进科学思维的培养.首先创设情境，引起学生思维失衡，提高学生的学习动机；接着，教师可以提供“跳起来够得着”的各类支架，指导与协助学生开展探究，促使学生沿着支架不断向上攀升，让学生在探究中形成归纳推理的能力；随后，开展小组协作与学习，鼓励学生畅所欲言，相互争辩、质疑与交流.最后通过设置实际问题，让学生将新学的知识作为新的支架，尝试把实际问题转化为物理模型，解决问题，进而从侧面检验学生将新知识内化的程度，培养学生模型建构的能力.

2 基于科学思维培养的支架式教学模式实践案例——楞次定律的教学

下面，以楞次定律为实例，阐述如何开展基于科学思维培养的支架式教学模式实践.由于教材中的探究实验是利用磁铁插入和拔出线圈的实验方法，通过观察感应电流的方向判断出感应电流的磁场方向，从而总结出楞次定律.这样的实验设计让学生观察感应电流的方向去判断感应磁场方向，而又总结出由感应磁场方向去判断感应电流方向的规律，其逻辑关系容易使学生产生困惑，并不能很好地让学生体会到感应电流的磁场对闭合回路中原磁通量变化的阻碍作用.故本案例将先让学生找出感应磁场方向和原磁场方向之间的关系，再得到感应电流方向的规律.

2.1 创设情境

实验支架：将磁性球和非磁性球分别从铝管上方同时自由释放（如图2 所示）.由于铝不具有磁性，所以不会跟磁性球吸引，学生会认为两个小球应该做近似自由落体运动，然后让学生观察现象，提出问题：磁性球下落时有什么现象？是什么阻碍了磁性球的下落呢？接着利用“落磁法”实验创设物理情景，激发学生学习兴趣，引发学生认知冲突，让学生带着问题进入课堂.

图2 落磁法

2.2 独立探究

在学生开展独立探究之前，教师应该先让学生明白“为什么开展探究”和“如何开展探究”.学生在学习本课之前，已学习过静电场、静磁场相关知识，知道了感应电流产生的条件并能判断磁通量的变化.因此，可以尝试使用支架来激活学生的原有认知，进而引导学生提出探究的问题.

实验支架：重做“探究感应电流产生的条件”实验（如图3 所示将灵敏电流计和线圈进行串联），让学生在回忆旧知“原磁场发生变化会产生感应电流”，同时将注意力聚焦在电流的方向发生了转变，为后面引出探究问题做好铺垫.

图3 探究感应电流产生条件的实验

思维导图支架：由于楞次定律涉及到的物理量较多，关系复杂，因此在回顾旧知的时候，使用思维导图支架［如图4（a）所示］可以使逻辑网络、思维过程可视化.授课片段如下.

图4 楞次定律的思维导图支架

师：在探究感应电流产生条件的实验中可以发现感应电流的方向是不同的，这是什么因素影响的呢？

生：原磁通量变化.

师：又是什么导致原磁通量变化呢？

生：原磁场发生变化.

师：所以是原磁场变化影响了感应电流，那感应电流也可以产生磁场吗？

生：可以.

师：我们把感应电流产生的磁场称为感应磁场.感应电流方向不同，感应磁场方向也会不同，它们之间满足右手螺旋定则的关系，因此我们可以将探究感应电流的方向转化为探究感应磁场方向，那么今天我们就先来研究，感应磁场方向和原磁场之间是什么关系呢？

通过思维导图支架，将探究感应电流方向转化为探究感应磁场方向，降低学生认知困难的同时可以让学生清晰了解楞次定律中多个物理量之间的关系.

问题支架：通过提问的方式，让学生思考与尝试设计实验探究：感应磁场的方向和原磁场之间的联系是怎样的.授课片段如下.

师：我们知道这两个磁场，像两个条形磁铁一样，满足同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引的规律.怎么才能把感应磁场和原磁场之间相互作用的效果直观地呈现出来呢？

生：老师将线圈放在简易小车上面，通过小车的移动将这种相互作用的效果直观地呈现出来（如图5所示）.

图5 学生独立探究实验

图表支架：借助表格（如表1 所示）梳理探究得到的实验结果，发现实验结果中蕴含的物理规律.在学生独立探究完成后，教师可以在此过程中引导学生观察表格中的实验结果，得出楞次定律.在此过程中，学生的概括、表达、探究等能力相互促进，从而培养学生归纳推理的能力，最终学生头脑中会形成图4（b）所示的图式.

师：请同学利用桌面上的材料实验一下.

（学生独立探究实验）

师：N 极和S极靠近时有什么现象？

生：线圈和磁铁相互排斥.

师：那N 极和S极远离的时候呢？

生：线圈和磁铁相互吸引.

师：那大家可以把现象概括一下吗？

生：可以把现象概括为来拒去留.

师：在我们得到这些数据之后，请同学们分析一下，当磁通量增加的时候，两个磁场方向有怎样的关系？而当磁通量减少的时候呢？

生：当磁通量增加的时候，两个磁场方向是相反的；而当磁通量减少的时候，两个磁场方向是相同的.

师：同学们可以把这个规律概括成4个字吗？

生：我们可以将它归纳为增反减同.

师：接下来，我们继续分析，当原磁通量增加时，两个磁场方向相反，表明此时感应磁场想不想让它增加？而当原磁通量想要减少，但是感应磁场的方向却和它相同，表明此时感应磁场想不想让它减少？

生：不想.

师：所以其实增反减同的本质其实是什么？

生：增反减同的本质是无论磁通量怎么变化，感应磁场都要阻碍它的变化.

独立探究不是学生单独一人进行探究，需要教师在旁提供辅助支架作为协助.学生在支架的提示下，自主提出探究的问题，最后以自我解释的方式参与到支架支持的知识建构过程中，从表格中归纳推理出结论.

2.3 协作学习

同伴支架：协作学习是以小组为单位组织学生开展学习.在小组讨论的氛围中，容易激发小组成员内思维的碰撞，从而产生疑问与创新.教师可以通过问题的引导，鼓励学习小组对“感应磁场是由线圈中感应电流导致”质疑，对其有探究的欲望，尝试从实验支架中证实该结果.

师：为什么小车会有“来拒去留”的现象，能否用实验对其原因进行验证呢？请小组开始讨论.

生1：应该是磁铁的插入与拔出导致了磁通量发生变化，导致是线圈中的感应电流发生变化，从而产生不同方向的磁场.

生2：也有可能是磁铁与绕线圈的模具发生相互作用而导致的.

生3：我们刚刚已经知道“增反减同”，可以由原磁场的方向，判断出感应磁场的方向，再用右手螺旋定则就判断出感应电流的方向了.

生4：那我们可以利用发光二极管的单向导电性来进行验证是否和我们想的一样.

实验支架：在小组讨论结束后，教师出示自制演示感应电流方向演示器（如图6 所示），利用展示平台把引导学生观察磁铁插入和拔出线圈时发光二极管的亮灭情况，对猜想进行验证.

图6 自制演示感应电流方向演示器

2.4 效果评价

在学生学习楞次定律结束后，需要对学生的学习效果进行评价和检测.通过联系生活，让学生学以致用，借用问题支架，进一步检测学生的学习成果，并培养学生将楞次定律的物理模型，迁移到生活当中，解释生活现象.

问题支架：

（1）线圈炮中的炮弹是如何发射出去的？

（2）磁悬浮列车如何实现悬浮与前进？

（3）分析天平是一个可以准确测量质量的天平，为什么它在摆动的时候，可以很快地停止下来呢？

3 结语

该教学片段运用支架式教学模式开展对学生科学思维的培养，充分利用实验支架、问题支架、思维导图支架和同伴支架等动态性的支架，将楞次定律的教学层层推进，渗透“归纳推理”“质疑创新”和“模型建构”等科学思维要素.后续可以在物理概念课、习题教学中继续深入研究.