以《电和磁》教学提高学生科学思维能力

◇朱潮海（浙江：余姚市实验学校）

一、科学思维是核心素养的核心

思维是课堂教学中师生的核心活动。科学思维是科学学科核心素养的核心。科学教学应指向学生的科学思维。刘恩山提出，科学思维是具有意识的人脑对科学事物的本质属性、内在规律及事物间的相互联系和关系的间接和概括反映。科学思维有多种基本方法，包括分析与综合、抽象与概括、比较与分类、逻辑推理、类比思维、臻美思维等。

韦钰指出，科学的核心之一是理性的推论，根据已获得的信息和对现象的观察，提出解释、结论或预测。学生亲历以探究实践为主的科学学习过程，其基本特征与科学家的研究历程相似，学生的科学学习活动与科学思维紧密相关。

二、科学课堂中科学思维教学存在的问题及分析

（一）教师没有厘清思维路径

教科版教材以科学探究活动为主体，科学思维蕴含其中。部分科学教师在研读教材时，更容易被外在的活动所吸引，而忽视了活动背后的科学思维，更没有理顺教材中每个活动之间的思维脉络。这导致教学活动浮于活动表面，缺乏深层次的思维发展，也与课程标准中倡导的动手动脑学科学的教学思想相背离。

（二）学生思维路径存在断崖现象

教学的主体是多样的，每个个体的发展水平存在差异。这反映教学面临着统一性与差异性的矛盾。同时，学生的思维发展是一个连续的过程，所谓“跳一跳摘到桃”，就是指在学生思维发展的最近发展区实施教学。在学习进程中，学习活动与学生的思维路径存在断崖，这时需要教师根据学生的思维难点搭建脚手架，推进学生思维能力进阶。

（三）教学缺少思维展示途径

在一些科学课堂中，教师采用讲授的方法替代学生思维，呈现概念形成过程中，学生被动地倾听，缺少主动思维。抑或是学生在科学实践活动后，没有研讨交流的时间和空间，缺少研讨交流和融会贯通的思维过程。

三、科学课堂促进学生科学思维能力的教学策略

辩证唯物主义认为，思维的产生和发展都同社会实践和语言紧密地联系在一起。在科学学习的过程中，学生经历科学探究实践为主的探索活动，并在活动后借助科学语言进行研讨交流，以此促进科学思维的发展。教师应成为学生科学思维活动的引导者、组织者和支持者。下面，笔者以《电和磁》一课为例，探讨科学课堂促进学生科学思维能力发展的教学策略。

（一）厘清教材思维脉络

《电和磁》教材安排了两个活动：第一个活动是通电导线使指南针偏转，学生描述磁针偏转现象，比较磁针偏转现象，分析后提出电生磁的解释。第二个活动是做通电线圈使指南针偏转的实验，为学生理解电磁铁原理打下基础。

从概念建构和思维进阶的角度来审视教材，存在两个问题。第一，在逻辑推理错误和证据不全的情况下，通过活动一推论得出电生磁的科学概念。因为在实验中改变的量是电流，采用因果分析的逻辑推理通电导线使磁针偏转，并不能得出“电产生磁”的结论。因此有效的推理是电流影响磁针偏转。第二，两个活动之间缺少内在的思维通道。从通电导线和指南针研究活动发展到通电线圈和磁针，为何要这样研究，思维的推进过程显得过于生硬，缺少内在脉络。

为了解决上述问题，教师应以科学思维来推进学生的探究过程，构建科学概念。首先，学生从磁针偏转的实验现象中形成探究的问题“磁针为什么会发生偏转”，猜想是电流直接影响了磁针偏转，还是电流产生了磁。其次，学生采用让磁针偏转角度增大的方法来收集信息，教师突破教材，通过增加两根导线能否让磁针偏转角度增大的实践活动，使学生发现相同电流方向的导线能使磁针偏转角度增大。学生在此基础上推论研究线圈与磁针偏转的关系，从而理顺教材思维脉络，建立起活动一与活动二之间的联系。最后，将观察的现象与猜想进行关联，将现象作为证据做出论证，并在交流与解释中构建电生磁的科学概念。

（二）架设科学思维之梯

在科学教育中，教师可采用活动手册支持学生的科学学习活动。活动手册应成为学生科学学习的思维支架。借助活动手册，5～6年级学生采用图文结合等方式记录原有经验和科学事实，并呈现他们运用分析、比较、概括、推理等思维方法形成科学概念的过程。

在《电和磁》一课的教学中，教师编制学习活动单以支持学生的科学实践与科学思维。图1指引学生研究通电导线与指南针，在描述现象后比较分析实验现象，提出问题和观点。提出问题是学生主动思维之开始，提出观点的过程是学生与原有概念建立连接的过程。

图1

图2 是怎样让磁针偏转角度更大的探索活动单。学生基于已有经验提出多种假设，建立研究问题与方案之间的科学思维桥梁。在制定方案的过程中，学生思维的清晰性、条理性、严谨性等诸多品质得到了锻炼。教师借助两根导线的实践活动架起了一根导线到线圈的思维之梯，理顺了学生思维发展的路径。一根导线使磁针偏转的角度小，两根导线会怎样呢？实验后发现，电流方向相同的两根导线能使磁针偏转角度增大，由此推理用多根电流方向相同的导线叠加即线圈能否使磁针偏转的角度更大。在探索的过程中，学生积极主动地参与其中，思维先行，引领探究活动。

图2

（三）搭建展示思维平台

科学思维能力的发展，不是凭空产生的，而是在一个个的思维活动中逐步发展的。科学课程标准指出，科学思维是从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式。然而思维是一个内隐的过程，因此，在科学课堂教学中，教师应围绕核心概念组织内容，搭建学生科学思维生长的平台，借助活动手册和交流过程展示学生的科学思维过程。学生展示原有经验和获得的事实，呈现运用分析与综合、比较与分类、抽象与概括等思维方法初步建立的科学概念，表述运用科学证据论证结论的过程，在全班的研讨交流中借助集体论证完善或重构证据与解释之间的关系，监控和反思科学思维能力。

1.在比较分析中发展科学思维

案例1 通电导线和指南针

教师：在刚才的实验中，接通电流瞬间，观察磁针有什么变化？断开电流瞬间，观察磁针有什么变化？

生1：接通电流，指针顺时针偏转10°；断开电流，指针又与导线对齐。

生2：接通电流，指针逆时针偏转。

师：它们的共有特征是指针都偏转了。

教师板书：接通电流，磁针偏转；断开电流，磁针复位。

师：同学们看到这个现象，心中肯定充满疑惑。

生：磁针为什么会偏转？

教师：奥斯特也产生了疑问，同学们来说说看你的观点是什么？

生1：电产生磁，磁与磁针作用。

师：还有其他观点吗？

生2：电直接影响磁。

师：这其实是一个对比实验，改变的条件是电流。看来是电流影响了磁针偏转。那么，是电产生磁，还是电直接影响磁，根据我们现在的资料，还难于做出结论，需要我们进一步收集证据，才能做出判断。

在科学研究中，对事物和现象的分析是多层次、多维度的。对于同一现象，会存在多种解释。在科学教学中，科学教师需认识科学活动背后的分析方法和分析维度，以便更好地支持学生开展思维活动。对通电导线和指南针、断电导线和指南针两个实验，在时间轴上先后比较，分析得出磁针的偏转与电流有关，既是一种定性分析，也是一种因果分析。

2.在科学建模中发展科学思维

案例2 让磁针偏转角度更大

师：该如何验证我们的观点呢？这个问题很难解决，我们可以换个角度。在刚才的实验中，磁针偏转的角度比较小，怎样让磁针偏转的角度更大？你想到了什么方法？

生1：可以增加电池。

师：你是怎么想的？

生1：因为电流影响了磁针偏转，所以增加电池。

师：增加电池也就增大了电流，在刚才的实验中我们已经用了两节电池，两节电池电压是3v，小灯泡额定电压是2.5v，如果电池再增加，小灯泡肯定会坏掉。那怎么办？

师：PPT 出示短路实验方法，强调短路的危害，一触即发。

生2：多缠绕几圈导线，导线多，对磁有影响。

教师追问：你是怎么想的？

生：因为一根导线能让磁针偏转一点，多用几根导线估计偏转得会更明显一点。

师：我们先用两个导线来研究。我们将两根导线捏在一起，看看磁针偏转情况，此时两根导线上的电流方向不同。再改变其中一根导线的方向，使电流方向一致，再看看磁针偏转情况。

师：两个实验都完成后，请组长上来拿线圈。把线圈接入电路，能使磁针偏转角度更大吗？怎样放置线圈时，磁针的偏转角度最大？

对事物发生的可能性进行假设是抽象思维的特征。科学假设有助于学生构建问题与探索方案之间的桥梁，假设的过程是学生调动原有认知与生活经验的过程，尝试运用原有认知解决问题的过程，是学生主动思维的体现。六年级的学生年龄在11～12 岁，其思维水平正处在具体形象思维向抽象逻辑思维过渡的阶段。学生的思维必须依赖具体的事物进行，以科学表象为思维材料而进行思维。由2 根导线的对比研究演绎推理到相同电流方向的一组线圈，建立实物模型。模型建构有助于学生抓住事物的本质特征，加深对电生磁概念的理解，凸显系统思维。

3.在科学论证中发展科学思维

案例3 探讨磁针偏转的原因

生1：短路时，接通电流，磁针偏转角度更大；断开电流，磁针复位。

两根导线电流方向相反，磁针不动；电流方向相同，磁针偏转角度更大。

采用线圈，磁针偏转角度也更大了。指南针放在线圈中间，偏角最大。

师：你怎么解释你们观察到的现象呢？

生2：短路，电流变大，偏角更大。

生3：两根导线，电流增大，偏角更大。

师：同一根导线中，电流大小不变，那为什么会这样？

生4：电流变多了。

师：电产生磁，磁叠加。

师：根据课堂观察，你现在认为磁针偏转的原因是什么？对课堂中提出的两个观点，说说自己的想法。

生1：第一个观点是正确的，电产生了磁，电流越大，磁力越大。

生2：我也认为是电产生磁。两根导线相反方向放置时，电流大小不变，磁相互抵消，磁针没有偏转。

师：大家都赞同第一种观点。但是我们用增大电流的方法使磁针偏转角度增大，所以我认为磁针偏转是电流的直接作用，有没有人能说服我？

生3：我还是认为电产生了磁，因为更大的电流产生了更多的磁，然后磁针偏转了。

师指名提出第二个观点的学生。

师：你现在还坚持自己原有的观点，认为电流直接影响磁针偏转？

生4：不坚持，我也认为是电产生磁。

研讨是发展学生思维的过程。在科学探索活动后，要保证学生有足够的时间表达各自的想法，以此激发其想象力和发展科学思维。在研讨过程中，学生借助这三个科学实验现象，将实验中观察到的现象与自己原有的观点建立联系，尝试运用证据来论证自己的想法，在构建解释中对初始想法进行修正和扩展，确证了电产生磁的观点，否认了电流直接影响磁的观点。

4.在类比思维中发展科学思维

案例4 质疑与求证

师：是不是电流产生了磁呢？老师这里拍摄有两张图（图3 和图4），比较磁铁和通电线圈对小磁针的影响，它们有什么共同之处？由此你又想到了什么？

图3

图4

生：条形磁铁周围指南针的偏转情况与通电线圈周围指南针偏转情况相似，由此推理：通电线圈具有像磁铁一样的性质。

师：将通电线圈绕在铁钉上，会出现什么现象？能否磁化铁钉？下节课继续探究。

教学中，教师提供线圈所产生的磁场与条形磁铁产生的磁场图片，由此类比推理线圈具有与条形磁铁相似的作用。在追求新的证据支持自己观点的过程中，继续延伸探究，将通电导线绕在铁钉上，看看能否让铁钉磁化，这就进入了第二课的研究活动。因此，对电生磁的概念建构是一个不断求证的过程，是一个思维逐步推进的过程，强化了学生的证据意识，以及运用证据论证推理科学观点的过程。

综上所述，在课堂教学中，教师厘清教材思维脉络，架设科学思维之梯，搭建展示科学思维的平台，指向学生的科学思维能力，学生运用比较、分析、类比等思维方法，将有助于学生科学推理、科学建模、科学论证等科学思维能力的发展。